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Chapitre 2 · Cours écrit

Dérivation et primitives

Programme de S2 Version pour les séries S2, S4, S2A et S5.

Dans tout le chapitre, II désigne un intervalle de R\mathbb{R} et Cf\mathcal{C}_f la courbe de ff dans un repère du plan.

Leçon 1 : Dérivée d'une fonction composée

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Ce que tu sais déjà (Première)

Dérivées des fonctions usuelles

f(x)f(x) f′(x)f'(x) Valable sur
kk (constante) 00 R\mathbb{R}
xnx^n (n≥1n \geq 1 entier) nxn−1nx^{n-1} R\mathbb{R}
1x\dfrac{1}{x} −1x2-\dfrac{1}{x^2} ]−∞;0[]{-\infty};0[ ou ]0;+∞[]0;+\infty[
1xn\dfrac{1}{x^n} (n≥1n \geq 1 entier) −nxn+1-\dfrac{n}{x^{n+1}} ]−∞;0[]{-\infty};0[ ou ]0;+∞[]0;+\infty[
x\sqrt{x} 12x\dfrac{1}{2\sqrt{x}} ]0;+∞[]0;+\infty[
sin⁡x\sin x cos⁡x\cos x R\mathbb{R}
cos⁡x\cos x −sin⁡x-\sin x R\mathbb{R}
tan⁡x\tan x 1+tan⁡2x=1cos⁡2x1 + \tan^2 x = \dfrac{1}{\cos^2 x} ]−π2+kπ;π2+kπ[\left]{-\frac{\pi}{2}}+k\pi;\frac{\pi}{2}+k\pi\right[

Règles de calcul. Pour uu et vv dérivables sur II et kk réel : (u+v)′=u′+v′(ku)′=ku′(uv)′=u′v+uv′(1v)′=−v′v2(uv)′=u′v−uv′v2(u+v)' = u'+v' \qquad (ku)' = ku' \qquad (uv)' = u'v+uv' \qquad \left(\frac{1}{v}\right)' = -\frac{v'}{v^2} \qquad \left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v-uv'}{v^2} (les deux dernières là où vv ne s'annule pas). Et la dérivée de x↦f(ax+b)x \mapsto f(ax+b) est x↦a f′(ax+b)x \mapsto a\,f'(ax+b).

Deux usages de la dérivée.

  • La tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse aa a pour équation y=f′(a)(x−a)+f(a)y = f'(a)(x-a) + f(a).
  • Sur un intervalle, si f′≥0f' \geq 0, ff est croissante ; si f′>0f' > 0, ff est strictement croissante ; de même pour la décroissance (admis en Première).

1.2 Le théorème

Théorème. Soit uu une fonction dérivable sur II, et gg une fonction dérivable sur un intervalle JJ contenant u(I)u(I). Alors la composée g∘u:x↦g(u(x))g \circ u : x \mapsto g\big(u(x)\big) est dérivable sur II et (g∘u)′(x)=g′(u(x))×u′(x).(g\circ u)'(x) = g'\big(u(x)\big) \times u'(x).

Bien lire la formule. On dérive la fonction « extérieure » gg en gardant l'intérieur u(x)u(x), puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur. Le cas u(x)=ax+bu(x) = ax+b redonne la règle de Première : a g′(ax+b)a\,g'(ax+b).

Pourquoi ? Pour xx proche de aa, avec u(x)≠u(a)u(x) \neq u(a), on écrit le taux d'accroissement en deux morceaux : g(u(x))−g(u(a))x−a=g(u(x))−g(u(a))u(x)−u(a)×u(x)−u(a)x−a.\frac{g(u(x)) - g(u(a))}{x-a} = \frac{g(u(x)) - g(u(a))}{u(x)-u(a)} \times \frac{u(x)-u(a)}{x-a}. Quand x→ax \to a, u(x)→u(a)u(x) \to u(a) car uu est continue. Le premier facteur tend vers g′(u(a))g'(u(a)), le second vers u′(a)u'(a). Cette justification suppose u(x)≠u(a)u(x) \neq u(a) près de aa ; le cas général s'admet.

1.3 Les formules à connaître

uu est une fonction dérivable sur II.

Fonction Dérivée Condition
unu^n (n≥1n \geq 1 entier) n u′ un−1n\,u'\,u^{n-1}
1u\dfrac{1}{u} −u′u2-\dfrac{u'}{u^2} uu ne s'annule pas sur II
u\sqrt{u} u′2u\dfrac{u'}{2\sqrt{u}} u>0u > 0 sur II
sin⁡u\sin u u′cos⁡uu'\cos u
cos⁡u\cos u −u′sin⁡u-u'\sin u

Exemple 1. f(x)=(2x2−3)4f(x) = (2x^2-3)^4. On pose u(x)=2x2−3u(x) = 2x^2-3, donc u′(x)=4xu'(x) = 4x : f′(x)=4×4x×(2x2−3)3=16x(2x2−3)3.f'(x) = 4 \times 4x \times (2x^2-3)^3 = 16x(2x^2-3)^3.

Exemple 2. g(x)=x2+x+1g(x) = \sqrt{x^2+x+1}. Le discriminant de x2+x+1x^2+x+1 vaut −3<0-3 < 0, donc x2+x+1>0x^2+x+1 > 0 pour tout réel xx, et gg est dérivable sur R\mathbb{R} : g′(x)=2x+12x2+x+1.g'(x) = \frac{2x+1}{2\sqrt{x^2+x+1}}.

Exemple 3. h(x)=sin⁡(x2)h(x) = \sin(x^2) donne h′(x)=2xcos⁡(x2)h'(x) = 2x\cos(x^2). Et k(x)=cos⁡3x=(cos⁡x)3k(x) = \cos^3 x = (\cos x)^3 donne k′(x)=3(−sin⁡x)cos⁡2x=−3sin⁡xcos⁡2xk'(x) = 3(-\sin x)\cos^2 x = -3\sin x\cos^2 x.

Piège classique. sin⁡(x2)\sin(x^2) et sin⁡2x=(sin⁡x)2\sin^2 x = (\sin x)^2 ne sont pas la même fonction. La première a pour dérivée 2xcos⁡(x2)2x\cos(x^2), la seconde 2sin⁡xcos⁡x2\sin x\cos x.

1.4 Application : sens de variation

Exemple 4. Étudier les variations de f(x)=x4−x2f(x) = x\sqrt{4-x^2} sur [−2;2][-2;2].

Sur ]−2;2[]{-2};2[, 4−x2>04-x^2 > 0. Par la règle du produit et la formule de u\sqrt{u} : f′(x)=4−x2+x×−2x24−x2=(4−x2)−x24−x2=2(2−x2)4−x2.f'(x) = \sqrt{4-x^2} + x \times \frac{-2x}{2\sqrt{4-x^2}} = \frac{(4-x^2) - x^2}{\sqrt{4-x^2}} = \frac{2(2-x^2)}{\sqrt{4-x^2}}. Le dénominateur est positif, donc f′(x)f'(x) a le signe de 2−x22 - x^2 : positif sur ]−2;2[]-\sqrt2;\sqrt2[, négatif ailleurs.

ff est décroissante sur [−2;−2][-2;-\sqrt2], croissante sur [−2;2][-\sqrt2;\sqrt2], décroissante sur [2;2][\sqrt2;2]. Son minimum est f(−2)=−2f(-\sqrt2) = -2, son maximum f(2)=2×2=2f(\sqrt2) = \sqrt2 \times \sqrt2 = 2. On reverra cette fonction en 22 à la leçon 3.

Leçon 2 : Dérivée de la fonction réciproque, puissances rationnelles

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Le théorème

On reprend le chapitre 1 : si ff est continue et strictement monotone sur II, elle réalise une bijection de II sur J=f(I)J = f(I), et sa réciproque f−1f^{-1} est continue sur JJ.

Théorème. On suppose de plus ff dérivable sur II. Soit x0∈Ix_0 \in I et y0=f(x0)y_0 = f(x_0).

  • Si f′(x0)≠0f'(x_0) \neq 0, alors f−1f^{-1} est dérivable en y0y_0 et (f−1)′(y0)=1f′(x0)=1f′(f−1(y0)).(f^{-1})'(y_0) = \frac{1}{f'(x_0)} = \frac{1}{f'\big(f^{-1}(y_0)\big)}.
  • Si f′f' ne s'annule pas sur II, alors f−1f^{-1} est dérivable sur JJ et (f−1)′=1f′∘f−1(f^{-1})' = \dfrac{1}{f' \circ f^{-1}}.

Bien lire la formule. Dans (f−1)′(y0)=1f′(f−1(y0))(f^{-1})'(y_0) = \frac{1}{f'(f^{-1}(y_0))}, on calcule d'abord l'antécédent x0=f−1(y0)x_0 = f^{-1}(y_0), puis la dérivée de ff en cet antécédent, et on prend l'inverse.

Pourquoi ? Pour y≠y0y \neq y_0 dans JJ, on pose x=f−1(y)x = f^{-1}(y), et donc y=f(x)y = f(x). Le taux d'accroissement de f−1f^{-1} est l'inverse de celui de ff : f−1(y)−f−1(y0)y−y0=x−x0f(x)−f(x0)=1f(x)−f(x0)x−x0.\frac{f^{-1}(y) - f^{-1}(y_0)}{y-y_0} = \frac{x-x_0}{f(x)-f(x_0)} = \frac{1}{\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}}. Quand y→y0y \to y_0, x→x0x \to x_0 car f−1f^{-1} est continue, et le dénominateur tend vers f′(x0)≠0f'(x_0) \neq 0.

Interprétation graphique. Les courbes de ff et de f−1f^{-1} sont symétriques par rapport à la droite y=xy = x (repère orthonormé). La tangente en M(x0;y0)M(x_0;y_0) à Cf\mathcal{C}_f, de pente f′(x0)f'(x_0), a pour symétrique la tangente en M′(y0;x0)M'(y_0;x_0) à Cf−1\mathcal{C}_{f^{-1}}, de pente 1f′(x0)\frac{1}{f'(x_0)}. Si f′(x0)=0f'(x_0) = 0, la tangente à Cf\mathcal{C}_f est horizontale ; sa symétrique est verticale, et f−1f^{-1} n'est pas dérivable en y0y_0.

Exemple 5. Au chapitre 1, f(x)=x3+x−1f(x) = x^3+x-1 est une bijection de R\mathbb{R} sur R\mathbb{R}, mais on ne sait pas écrire f−1f^{-1}. On peut pourtant calculer sa dérivée en certains points.

  • f′(x)=3x2+1f'(x) = 3x^2+1 ne s'annule jamais, donc f−1f^{-1} est dérivable sur R\mathbb{R}.
  • f(1)=1f(1) = 1, donc f−1(1)=1f^{-1}(1) = 1 et (f−1)′(1)=1f′(1)=14(f^{-1})'(1) = \dfrac{1}{f'(1)} = \dfrac14.
  • f(0)=−1f(0) = -1, donc (f−1)′(−1)=1f′(0)=1(f^{-1})'(-1) = \dfrac{1}{f'(0)} = 1.

La tangente à Cf−1\mathcal{C}_{f^{-1}} au point (1;1)(1;1) a pour équation y=14(x−1)+1y = \frac14(x-1)+1.

2.2 La racine n-ième

Soit n≥2n \geq 2 un entier. La fonction x↦xnx \mapsto x^n est continue et strictement croissante sur [0;+∞[[0;+\infty[, avec 0n=00^n = 0 et une limite +∞+\infty en +∞+\infty. C'est donc une bijection de [0;+∞[[0;+\infty[ sur [0;+∞[[0;+\infty[.

Définition. Sa réciproque est la racine n-ième, notée x↦xnx \mapsto \sqrt[n]{x} ou x↦x1nx \mapsto x^{\frac1n}. Pour x≥0x \geq 0 et y≥0y \geq 0 : y=x1n  ⟺  yn=xy = x^{\frac1n} \iff y^n = x. Pour n=2n = 2, c'est la racine carrée.

Dérivée. La dérivée de x↦xnx \mapsto x^n est nxn−1nx^{n-1}, qui ne s'annule pas sur ]0;+∞[]0;+\infty[. Pour x>0x > 0 : (x1n)′=1n(x1n)n−1=1n x1n−1.\left(x^{\frac1n}\right)' = \frac{1}{n\left(x^{\frac1n}\right)^{n-1}} = \frac{1}{n}\,x^{\frac1n - 1}. En 00, la dérivée de xnx^n est nulle : la racine n-ième n'est pas dérivable en 0, sa courbe y a une tangente verticale.

2.3 Puissances rationnelles

Pour x>0x > 0 et r=pqr = \frac{p}{q} rationnel (pp entier, q≥1q \geq 1 entier), on pose xr=(x1q)px^r = \left(x^{\frac1q}\right)^p. On admet que les règles de calcul sur les puissances restent vraies : xrxs=xr+sx^r x^s = x^{r+s}, (xr)s=xrs(x^r)^s = x^{rs}, x−r=1xrx^{-r} = \frac{1}{x^r}. Par exemple x12=xx^{\frac12} = \sqrt{x} et x32=xxx^{\frac32} = x\sqrt{x}.

Propriété. Pour tout rationnel rr, la fonction x↦xrx \mapsto x^r est dérivable sur ]0;+∞[]0;+\infty[ et (xr)′=r xr−1.(x^r)' = r\,x^{r-1}. C'est la même formule que pour xnx^n. Elle s'obtient en dérivant la composée (x1q)p\left(x^{\frac1q}\right)^p avec les leçons 1 et 2.

Avec une composée. Si uu est dérivable et strictement positive sur II : (ur)′=r u′ ur−1(u^r)' = r\,u'\,u^{r-1}.

Exemple 6. f(x)=x32=xxf(x) = x^{\frac32} = x\sqrt{x} sur ]0;+∞[]0;+\infty[ : f′(x)=32x12=32xf'(x) = \frac32 x^{\frac12} = \frac32\sqrt{x}. On retrouve ce résultat avec la règle du produit : x+x×12x=x+x2=32x\sqrt{x} + x \times \frac{1}{2\sqrt{x}} = \sqrt{x} + \frac{\sqrt{x}}{2} = \frac32\sqrt{x}.

Exemple 7. g(x)=(x2+1)13g(x) = (x^2+1)^{\frac13} sur R\mathbb{R} (on a toujours x2+1>0x^2+1 > 0) : g′(x)=13×2x×(x2+1)−23=2x3(x2+1)23.g'(x) = \frac13 \times 2x \times (x^2+1)^{-\frac23} = \frac{2x}{3(x^2+1)^{\frac23}}.

Leçon 3 : Dérivées successives, dérivabilité en un point, inégalité des accroissements finis

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Dérivées successives

Si f′f' est elle-même dérivable, sa dérivée est la dérivée seconde f′′=(f′)′f'' = (f')'. On continue : f′′′=(f′′)′f''' = (f'')', puis, pour tout entier n≥1n \geq 1, la dérivée n-ième f(n)=(f(n−1))′f^{(n)} = \big(f^{(n-1)}\big)', avec la convention f(0)=ff^{(0)} = f.

Exemple 8. f(x)=x3−2x2+5x−1f(x) = x^3 - 2x^2 + 5x - 1 : f′(x)=3x2−4x+5f'(x) = 3x^2-4x+5, f′′(x)=6x−4f''(x) = 6x-4, f′′′(x)=6f'''(x) = 6, et f(4)(x)=0f^{(4)}(x) = 0. Pour un polynôme de degré 33, toutes les dérivées à partir de la quatrième sont nulles.

Exemple 9. f(x)=1xf(x) = \dfrac1x sur ]0;+∞[]0;+\infty[ : f′(x)=−1x2f'(x) = -\dfrac{1}{x^2}, f′′(x)=2x3f''(x) = \dfrac{2}{x^3}, f′′′(x)=−6x4f'''(x) = -\dfrac{6}{x^4}.

Exemple 10. Les dérivées de sin⁡\sin reviennent tous les quatre coups : sin⁡′=cos⁡\sin' = \cos, sin⁡′′=−sin⁡\sin'' = -\sin, sin⁡′′′=−cos⁡\sin''' = -\cos, sin⁡(4)=sin⁡\sin^{(4)} = \sin.

En physique. Si x(t)x(t) est la position d'un mobile à l'instant tt, sa vitesse est v(t)=x′(t)v(t) = x'(t) et son accélération est a(t)=v′(t)=x′′(t)a(t) = v'(t) = x''(t).

3.2 Dérivabilité en un point : la limite de la dérivée

Rappel. ff est dérivable en aa si le taux d'accroissement f(x)−f(a)x−a\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} a une limite réelle quand x→ax \to a. Aux bornes d'un intervalle, on parle de dérivabilité à droite ou à gauche.

Calculer ce taux est parfois long. Le théorème suivant permet de conclure avec la limite de f′f'.

Théorème (admis en S2-S4, démontré en S1-S3 à la leçon 7). Soit ff continue en aa et dérivable sur un intervalle ]a;b[]a;b[. On suppose que f′(x)f'(x) a une limite ℓ\ell quand x→a+x \to a^+.

  • Si ℓ\ell est un réel, ff est dérivable à droite en aa et fd′(a)=ℓf'_d(a) = \ell. La courbe a une demi-tangente de pente ℓ\ell.
  • Si ℓ=+∞\ell = +\infty ou −∞-\infty, le taux d'accroissement tend aussi vers ℓ\ell : ff n'est pas dérivable à droite en aa, et la courbe a une demi-tangente verticale.

Le même énoncé vaut à gauche de aa.

Attention. L'hypothèse « ff continue en aa » est indispensable. Et si f′f' n'a pas de limite en aa, on ne peut rien conclure : on revient au taux d'accroissement.

Exemple 11. f(x)=xxf(x) = x\sqrt{x} sur [0;+∞[[0;+\infty[. ff est continue en 00, et pour x>0x > 0, f′(x)=32x→0f'(x) = \frac32\sqrt{x} \to 0 quand x→0+x \to 0^+. Donc ff est dérivable à droite en 00, avec f′(0)=0f'(0) = 0 : demi-tangente horizontale.

Exemple 12. On reprend f(x)=x4−x2f(x) = x\sqrt{4-x^2} de l'exemple 4, continue sur [−2;2][-2;2]. Quand x→2−x \to 2^-, f′(x)=2(2−x2)4−x2f'(x) = \dfrac{2(2-x^2)}{\sqrt{4-x^2}} a un numérateur qui tend vers −4-4 et un dénominateur qui tend vers 0+0^+, donc f′(x)→−∞f'(x) \to -\infty. ff n'est pas dérivable en 22 : la courbe y a une demi-tangente verticale.

3.3 Inégalité des accroissements finis

Théorème. Soit ff dérivable sur un intervalle II.

  1. Soient a<ba < b dans II. Si m≤f′(x)≤Mm \leq f'(x) \leq M pour tout x∈[a;b]x \in [a;b], alors m(b−a)≤f(b)−f(a)≤M(b−a).m(b-a) \leq f(b)-f(a) \leq M(b-a).
  2. Si ∣f′(x)∣≤M|f'(x)| \leq M pour tout x∈Ix \in I, alors pour tous réels aa et bb de II : ∣f(b)−f(a)∣≤M ∣b−a∣.|f(b)-f(a)| \leq M\,|b-a|.

Démonstration de la forme 1. La fonction g(x)=Mx−f(x)g(x) = Mx - f(x) a pour dérivée g′(x)=M−f′(x)≥0g'(x) = M - f'(x) \geq 0 sur [a;b][a;b] : elle est croissante. Donc g(a)≤g(b)g(a) \leq g(b), c'est-à-dire Ma−f(a)≤Mb−f(b)Ma - f(a) \leq Mb - f(b), soit f(b)−f(a)≤M(b−a)f(b)-f(a) \leq M(b-a). L'autre inégalité s'obtient de la même façon avec h(x)=f(x)−mxh(x) = f(x) - mx. La forme 2 s'en déduit en prenant m=−Mm = -M.

Sens concret. Si la vitesse d'une voiture reste entre mm et MM, la distance parcourue pendant une durée b−ab-a reste entre m(b−a)m(b-a) et M(b−a)M(b-a).

Exemple 13. Pour tous réels aa et bb, ∣sin⁡b−sin⁡a∣≤∣b−a∣|\sin b - \sin a| \leq |b-a|. En effet, ∣sin⁡′(x)∣=∣cos⁡x∣≤1|\sin'(x)| = |\cos x| \leq 1 pour tout xx. Avec a=0a = 0, on obtient ∣sin⁡b∣≤∣b∣|\sin b| \leq |b| pour tout réel bb.

Exemple 14. Encadrer 4,1\sqrt{4{,}1}.

On applique la forme 1 à f(x)=xf(x) = \sqrt{x} sur [4;4,1][4;4{,}1], avec f′(x)=12xf'(x) = \dfrac{1}{2\sqrt{x}}. Pour 4≤x≤4,14 \leq x \leq 4{,}1, on a 2≤x≤2,12 \leq \sqrt{x} \leq 2{,}1 (car 2,12=4,412{,}1^2 = 4{,}41), donc 14,2≤f′(x)≤14.\frac{1}{4{,}2} \leq f'(x) \leq \frac14. Avec b−a=0,1b - a = 0{,}1 : 0,14,2≤4,1−2≤0,14\dfrac{0{,}1}{4{,}2} \leq \sqrt{4{,}1} - 2 \leq \dfrac{0{,}1}{4}, d'où 2+142≤4,1≤2,025,soit2,023<4,1≤2,025.2 + \frac{1}{42} \leq \sqrt{4{,}1} \leq 2{,}025, \quad\text{soit}\quad 2{,}023 < \sqrt{4{,}1} \leq 2{,}025.

Leçon 4 : Primitives

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Définition

Définition. Soit ff une fonction définie sur un intervalle II. Une fonction FF est une primitive de ff sur II si FF est dérivable sur II et si F′=fF' = f.

Chercher une primitive, c'est faire le chemin inverse de la dérivation.

Exemple. F(x)=x3−xF(x) = x^3 - x est une primitive de f(x)=3x2−1f(x) = 3x^2-1 sur R\mathbb{R}, car F′(x)=3x2−1F'(x) = 3x^2-1. La fonction G(x)=x3−x+5G(x) = x^3 - x + 5 en est une aussi.

4.2 Existence et ensemble des primitives

Théorème (admis). Toute fonction continue sur un intervalle II admet des primitives sur II.

Propriété. Si FF est une primitive de ff sur II, les primitives de ff sur II sont exactement les fonctions x↦F(x)+cx \mapsto F(x) + c, où cc est un réel quelconque.

Démonstration. F+cF + c a pour dérivée F′=fF' = f : c'est une primitive. Inversement, si GG est une primitive, (G−F)′=f−f=0(G-F)' = f - f = 0 sur l'intervalle II, donc G−FG - F est constante (Première).

Propriété (primitive prenant une valeur donnée). Soient x0∈Ix_0 \in I et y0y_0 un réel. Il existe une seule primitive FF de ff sur II telle que F(x0)=y0F(x_0) = y_0.

Démonstration. Si F1F_1 est une primitive, les primitives sont les F1+cF_1 + c, et la condition F1(x0)+c=y0F_1(x_0) + c = y_0 impose une seule valeur : c=y0−F1(x0)c = y_0 - F_1(x_0).

Exemple 15. Trouver la primitive FF de f(x)=2x+3f(x) = 2x+3 sur R\mathbb{R} qui s'annule en 11.

Les primitives sont F(x)=x2+3x+cF(x) = x^2+3x+c. La condition F(1)=0F(1) = 0 donne 4+c=04 + c = 0, donc c=−4c = -4 et F(x)=x2+3x−4F(x) = x^2+3x-4.

4.3 Primitives des fonctions usuelles

On lit le tableau des dérivées à l'envers. cc désigne une constante réelle quelconque.

f(x)f(x) Une primitive F(x)F(x) Valable sur
aa (constante) axax R\mathbb{R}
xnx^n (n≥0n \geq 0 entier) xn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1} R\mathbb{R}
1x2\dfrac{1}{x^2} −1x-\dfrac{1}{x} ]−∞;0[]{-\infty};0[ ou ]0;+∞[]0;+\infty[
1xn\dfrac{1}{x^n} (n≥2n \geq 2 entier) −1(n−1)xn−1-\dfrac{1}{(n-1)x^{n-1}} ]−∞;0[]{-\infty};0[ ou ]0;+∞[]0;+\infty[
1x\dfrac{1}{\sqrt{x}} 2x2\sqrt{x} ]0;+∞[]0;+\infty[
xrx^r (rr rationnel, r≠−1r \neq -1) xr+1r+1\dfrac{x^{r+1}}{r+1} ]0;+∞[]0;+\infty[
cos⁡x\cos x sin⁡x\sin x R\mathbb{R}
sin⁡x\sin x −cos⁡x-\cos x R\mathbb{R}
cos⁡(ax+b)\cos(ax+b), a≠0a \neq 0 1asin⁡(ax+b)\dfrac1a\sin(ax+b) R\mathbb{R}
sin⁡(ax+b)\sin(ax+b), a≠0a \neq 0 −1acos⁡(ax+b)-\dfrac1a\cos(ax+b) R\mathbb{R}
1+tan⁡2x=1cos⁡2x1+\tan^2 x = \dfrac{1}{\cos^2 x} tan⁡x\tan x ]−π2+kπ;π2+kπ[\left]{-\frac{\pi}{2}}+k\pi;\frac{\pi}{2}+k\pi\right[

Le cas 1x\frac1x manque. Aucune fonction de ce tableau n'a pour dérivée 1x\frac1x. Sa primitive sera la fonction logarithme népérien, au chapitre 3.

Linéarité. Si FF et GG sont des primitives de ff et gg, alors aF+bGaF + bG est une primitive de af+bgaf + bg. Attention : il n'y a pas de règle pour un produit ou un quotient. Une primitive de fgfg n'est pas FGFG.

Exemple 16. Une primitive de f(x)=3x2−4x+1x2f(x) = 3x^2 - 4x + \dfrac{1}{x^2} sur ]0;+∞[]0;+\infty[ est F(x)=x3−2x2−1xF(x) = x^3 - 2x^2 - \dfrac1x.

Exemple 17. Une primitive de g(x)=cos⁡(2x)−3sin⁡xg(x) = \cos(2x) - 3\sin x sur R\mathbb{R} est G(x)=12sin⁡(2x)+3cos⁡xG(x) = \dfrac12\sin(2x) + 3\cos x.

Vérifier, toujours. On contrôle une primitive en la dérivant : on doit retrouver la fonction de départ.

Leçon 5 : Primitives des fonctions composées

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Lire la dérivée d'une composée à l'envers

Puisque (g∘u)′=(g′∘u)×u′(g\circ u)' = (g'\circ u) \times u', la fonction g∘ug \circ u est une primitive de (g′∘u)×u′(g'\circ u) \times u'. On en tire le tableau suivant, où uu est dérivable sur II.

Fonction Une primitive Condition
u′ unu'\,u^n (n≥0n \geq 0 entier) un+1n+1\dfrac{u^{n+1}}{n+1}
u′ uru'\,u^r (rr rationnel, r≠−1r \neq -1) ur+1r+1\dfrac{u^{r+1}}{r+1} u>0u > 0 sur II
u′u2\dfrac{u'}{u^2} −1u-\dfrac{1}{u} uu ne s'annule pas sur II
u′u\dfrac{u'}{\sqrt{u}} 2u2\sqrt{u} u>0u > 0 sur II
u′cos⁡uu'\cos u sin⁡u\sin u
u′sin⁡uu'\sin u −cos⁡u-\cos u
(g′∘u)×u′(g'\circ u) \times u' g∘ug \circ u

Méthode.

  1. Repérer la fonction « intérieure » uu et calculer u′u'.
  2. Faire apparaître exactement u′u', quitte à multiplier et diviser par une constante.
  3. Appliquer la ligne du tableau, puis vérifier en dérivant.

Exemple 18. f(x)=x(x2+1)3f(x) = x(x^2+1)^3. Avec u(x)=x2+1u(x) = x^2+1, u′(x)=2xu'(x) = 2x. Il manque un facteur 22 : f(x)=12×2x(x2+1)3=12u′u3f(x) = \frac12 \times 2x(x^2+1)^3 = \frac12 u'u^3. Une primitive est F(x)=12×(x2+1)44=(x2+1)48.F(x) = \frac12 \times \frac{(x^2+1)^4}{4} = \frac{(x^2+1)^4}{8}.

Exemple 19. f(x)=xx2+4f(x) = \dfrac{x}{\sqrt{x^2+4}}. Avec u(x)=x2+4>0u(x) = x^2+4 > 0 et u′(x)=2xu'(x) = 2x : f=12u′uf = \frac12 \dfrac{u'}{\sqrt u}. Une primitive est F(x)=12×2x2+4=x2+4F(x) = \frac12 \times 2\sqrt{x^2+4} = \sqrt{x^2+4}.

Exemple 20. f(x)=2x+1(x2+x+3)2f(x) = \dfrac{2x+1}{(x^2+x+3)^2}. Ici u(x)=x2+x+3u(x) = x^2+x+3 ne s'annule pas (discriminant −11-11) et u′=2x+1u' = 2x+1 est déjà là : une primitive est F(x)=−1x2+x+3F(x) = -\dfrac{1}{x^2+x+3}.

Exemple 21. f(x)=sin⁡xcos⁡2xf(x) = \sin x\cos^2 x. Avec u=cos⁡xu = \cos x, u′=−sin⁡xu' = -\sin x, donc f=−u′u2f = -u'u^2. Une primitive est F(x)=−cos⁡3x3F(x) = -\dfrac{\cos^3 x}{3}.

Exemple 22. f(x)=xcos⁡(x2)=12×2xcos⁡(x2)f(x) = x\cos(x^2) = \frac12 \times 2x\cos(x^2). Une primitive est F(x)=12sin⁡(x2)F(x) = \frac12\sin(x^2).

Exemple 23. f(x)=xx2+1=12×2x (x2+1)12f(x) = x\sqrt{x^2+1} = \frac12 \times 2x\,(x^2+1)^{\frac12}. Une primitive est F(x)=12×(x2+1)3232=13(x2+1)32=13(x2+1)x2+1.F(x) = \frac12 \times \frac{(x^2+1)^{\frac32}}{\frac32} = \frac13(x^2+1)^{\frac32} = \frac13(x^2+1)\sqrt{x^2+1}.

5.2 Quand il faut d'abord transformer l'écriture

Certaines fonctions ne sont dans aucun tableau. Une indication permet alors de les transformer.

Exemple 24. Avec l'indication cos⁡2x=1+cos⁡(2x)2\cos^2 x = \dfrac{1+\cos(2x)}{2}, une primitive de cos⁡2x\cos^2 x est F(x)=x2+sin⁡(2x)4.F(x) = \frac{x}{2} + \frac{\sin(2x)}{4}.

Exemple 25. Vérifier que, pour x≠−1x \neq -1, 2x2+4x+3(x+1)2=2+1(x+1)2\dfrac{2x^2+4x+3}{(x+1)^2} = 2 + \dfrac{1}{(x+1)^2}, puis trouver une primitive sur ]−1;+∞[]{-1};+\infty[.

2(x+1)2+1=2x2+4x+2+1=2x2+4x+32(x+1)^2 + 1 = 2x^2+4x+2+1 = 2x^2+4x+3 : l'égalité est vraie. Avec u(x)=x+1u(x) = x+1, u′=1u' = 1, une primitive de 1(x+1)2\frac{1}{(x+1)^2} est −1x+1-\frac{1}{x+1}. Une primitive cherchée est donc F(x)=2x−1x+1F(x) = 2x - \dfrac{1}{x+1}.

Exemple 26. Trouver la primitive FF de f(x)=xx2+4f(x) = \dfrac{x}{\sqrt{x^2+4}} telle que F(0)=1F(0) = 1.

D'après l'exemple 19, F(x)=x2+4+cF(x) = \sqrt{x^2+4} + c. La condition F(0)=2+c=1F(0) = 2 + c = 1 donne c=−1c = -1, donc F(x)=x2+4−1F(x) = \sqrt{x^2+4} - 1.

À venir au chapitre 3 : les primitives de u′u\frac{u'}{u} (avec le logarithme) et de u′euu'e^u (avec l'exponentielle).

Leçon 6 : Points d'inflexionS2 · S4 · S2A · S5

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Définition et théorème

Définition. On dit que la courbe de ff admet un point d'inflexion d'abscisse x0x_0 si la courbe traverse sa tangente en ce point.

Théorème. Si ff est deux fois dérivable sur un intervalle ouvert II contenant x0x_0, et si f′′f'' s'annule en changeant de signe en x0x_0, alors le point de la courbe d'abscisse x0x_0 est un point d'inflexion.

Démonstration (cas où f′′f'' passe du négatif au positif). On mesure l'écart entre la courbe et la tangente en x0x_0 : g(x)=f(x)−[f′(x0)(x−x0)+f(x0)].g(x) = f(x) - \big[f'(x_0)(x-x_0) + f(x_0)\big]. On a g(x0)=0g(x_0) = 0, g′(x)=f′(x)−f′(x0)g'(x) = f'(x) - f'(x_0), donc g′(x0)=0g'(x_0) = 0, et g′′=f′′g'' = f''.

  • À gauche de x0x_0, g′′<0g'' < 0 : g′g' est strictement décroissante, donc g′(x)>g′(x0)=0g'(x) > g'(x_0) = 0.
  • À droite de x0x_0, g′′>0g'' > 0 : g′g' est strictement croissante, donc g′(x)>g′(x0)=0g'(x) > g'(x_0) = 0.

Ainsi g′>0g' > 0 de part et d'autre de x0x_0 : gg est strictement croissante près de x0x_0, et comme g(x0)=0g(x_0) = 0, gg est négative avant x0x_0 et positive après. La courbe passe de sous la tangente à au-dessus : elle la traverse.

Attention, la condition « en changeant de signe » est indispensable. Pour f(x)=x4f(x) = x^4, f′′(x)=12x2f''(x) = 12x^2 s'annule en 00 mais reste positive. La tangente en 00 est l'axe des abscisses, et la courbe reste au-dessus : il n'y a pas de point d'inflexion.

Exemple 27. f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2.

  • f′(x)=3x2−6xf'(x) = 3x^2 - 6x et f′′(x)=6x−6f''(x) = 6x - 6, qui s'annule en 11 en passant du négatif au positif.
  • Le point I(1;f(1))=(1;0)I(1;f(1)) = (1;0) est un point d'inflexion.
  • Tangente en II : f′(1)=−3f'(1) = -3, donc T:y=−3(x−1)=−3x+3T : y = -3(x-1) = -3x+3.
  • Vérification : f(x)−(−3x+3)=x3−3x2+3x−1=(x−1)3f(x) - (-3x+3) = x^3-3x^2+3x-1 = (x-1)^3, négatif avant 11 et positif après. La courbe traverse bien TT.

Exemple 28. Pour sin⁡\sin, sin⁡′′(x)=−sin⁡x\sin''(x) = -\sin x change de signe en 00. L'origine est un point d'inflexion, et la courbe y traverse sa tangente y=xy = x.

6.2 Notations différentielles

En liaison avec la physique, on écrit aussi : f′(x)=dfdxf′′(x)=d2fdx2.f'(x) = \frac{df}{dx} \qquad\qquad f''(x) = \frac{d^2f}{dx^2}. Pour un mobile de position x(t)x(t) : la vitesse est v=dxdtv = \dfrac{dx}{dt} et l'accélération est a=dvdt=d2xdt2a = \dfrac{dv}{dt} = \dfrac{d^2x}{dt^2}.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Dérivée d'une composée : (g∘u)′=(g′∘u)×u′(g\circ u)' = (g'\circ u) \times u'. On dérive l'extérieur en gardant l'intérieur, puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur.
  2. Formules utiles : (un)′=nu′un−1(u^n)' = nu'u^{n-1}, (u)′=u′2u(\sqrt u)' = \frac{u'}{2\sqrt u}, (sin⁡u)′=u′cos⁡u(\sin u)' = u'\cos u, (cos⁡u)′=−u′sin⁡u(\cos u)' = -u'\sin u, et pour rr rationnel (ur)′=ru′ur−1(u^r)' = ru'u^{r-1}.
  3. Dérivée de la réciproque : (f−1)′(y0)=1f′(x0)(f^{-1})'(y_0) = \frac{1}{f'(x_0)} avec y0=f(x0)y_0 = f(x_0), si f′(x0)≠0f'(x_0) \neq 0. Si f′(x0)=0f'(x_0) = 0, tangente verticale.
  4. Si ff est continue en aa et si f′f' tend vers ℓ\ell réel en aa, alors f′(a)=ℓf'(a) = \ell ; si f′f' tend vers l'infini, demi-tangente verticale.
  5. Inégalité des accroissements finis : ∣f′∣≤M|f'| \leq M donne ∣f(b)−f(a)∣≤M∣b−a∣|f(b)-f(a)| \leq M|b-a|.
  6. Les primitives d'une fonction continue sur un intervalle diffèrent d'une constante. Une seule prend une valeur donnée en un point.
  7. Pour une primitive de composée, on fait apparaître u′u' : u′ur→ur+1r+1u'u^r \to \frac{u^{r+1}}{r+1}, u′u2→−1u\frac{u'}{u^2} \to -\frac1u, u′u→2u\frac{u'}{\sqrt u} \to 2\sqrt u, u′cos⁡u→sin⁡uu'\cos u \to \sin u, u′sin⁡u→−cos⁡uu'\sin u \to -\cos u. Puis on vérifie en dérivant.
  8. S2 · S4 · S2A · S5 Si f′′f'' s'annule en changeant de signe, la courbe a un point d'inflexion : elle traverse sa tangente.
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