Socle mathématique · Suites et fonctions

Fonctions et dérivation

Le nombre dérivé, les formules de dérivation usuelles, et le lien fondamental entre signe de la dérivée et sens de variation : l'outil central de l'étude de fonctions.

🎓 Niveau Terminale / prépa intégrée ⏱ Cours ~20 min ✎ 12 exercices ✓ QCM 10 questions 📄 1 sujet d'annales corrigé

1Nombre dérivé et taux de variation

Définition

Le taux de variation de $f$ entre $a$ et $a+h$ est $\dfrac{f(a+h)-f(a)}h$. Le nombre dérivé $f'(a)$ est la limite de ce taux quand $h$ tend vers $0$ : il mesure la « pente instantanée » de la courbe en $a$.

xyABaa+hsécante (AB)tangente en AQuand h → 0, la sécante tend vers la tangente.
Le nombre dérivé apparaît comme la limite des pentes des sécantes.

Quand $h$ se rapproche de $0$, le point $a+h$ se rapproche de $a$ et la sécante (en rouge) pivote pour se confondre avec la tangente (en or) : c'est exactement le passage à la limite qui définit le nombre dérivé $f'(a)$.

2Dérivées des fonctions usuelles

$f(x)$$f'(x)$
$k$ (constante)$0$
$x$$1$
$x^n$ ($n\in\N^*$)$nx^{n-1}$
$\dfrac1x$$-\dfrac1{x^2}$
$\sqrt x$$\dfrac1{2\sqrt x}$
$\e^x$$\e^x$
$\ln x$$\dfrac1x$

3Opérations sur les dérivées

Pour $u$ et $v$ dérivables, et $k$ une constante :

$$(u+v)'=u'+v', \qquad (ku)'=ku', \qquad (uv)'=u'v+uv', \qquad \left(\frac uv\right)'=\frac{u'v-uv'}{v^2}$$

Exemple résolu

Pour $f(x)=x^2\e^x$ (produit $u=x^2$, $v=\e^x$) : $f'(x)=2x\e^x+x^2\e^x=(2x+x^2)\e^x$.

4Dérivée d'une fonction composée

Formule

Pour $u$ dérivable, $(u^n)'=nu'u^{n-1}$, $(\e^u)'=u'\e^u$, et $(\ln u)'=\dfrac{u'}u$ (pour $u\gt 0$).

Exemple résolu

$f(x)=(3x-1)^4$ : avec $u=3x-1$, $u'=3$, donc $f'(x)=4\times3\times(3x-1)^3=12(3x-1)^3$.

5Signe de la dérivée et sens de variation

Théorème fondamental

Si $f'(x)\gt 0$ sur un intervalle, $f$ est strictement croissante sur cet intervalle ; si $f'(x)\lt 0$, $f$ est strictement décroissante ; si $f'(x)=0$, $f$ est constante.

6Extremum local

Si $f'$ s'annule en $a$ en changeant de signe, $f$ admet un extremum local (maximum ou minimum) en $a$. C'est la méthode standard pour trouver les extrema d'une fonction dérivable.

Exemple résolu

$f(x)=x^2-4x+1$, $f'(x)=2x-4$, qui s'annule en $x=2$ en passant du négatif au positif : $f$ admet un minimum local en $x=2$, $f(2)=-3$.

Exercice 1 — Dérivée d'un polynôme

Facile

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=x^3-2x^2+5x-1$.

Voir la correction

$f'(x)=3x^2-4x+5$.

Exercice 2 — Dérivée d'un produit

Moyen

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=(x+1)(x-3)$.

Voir la correction

Avec $u=x+1$, $v=x-3$ : $f'(x)=1\times(x-3)+(x+1)\times1=(x-3)+(x+1)=2x-2$.

Exercice 3 — Dérivée d'un quotient

Moyen

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=\dfrac{x}{x+1}$.

Voir la correction

Avec $u=x$, $v=x+1$ : $f'(x)=\dfrac{1\times(x+1)-x\times1}{(x+1)^2}=\dfrac{1}{(x+1)^2}$.

Exercice 4 — Dérivée composée (puissance)

Moyen

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=(2x+5)^3$.

Voir la correction

Avec $u=2x+5$, $u'=2$ : $f'(x)=3\times2\times(2x+5)^2=6(2x+5)^2$.

Exercice 5 — Dérivée avec exponentielle

Moyen

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=\e^{2x-1}$.

Voir la correction

Avec $u=2x-1$, $u'=2$ : $f'(x)=2\e^{2x-1}$.

Exercice 6 — Dérivée avec logarithme

Moyen

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=\ln(x^2+1)$.

Voir la correction

Avec $u=x^2+1$, $u'=2x$ : $f'(x)=\dfrac{2x}{x^2+1}$.

Exercice 7 — Sens de variation

Difficile

Étudier le sens de variation de $f(x)=x^2-6x+8$ sur $\R$.

Voir la correction

$f'(x)=2x-6$, qui s'annule en $x=3$ : négatif avant, positif après.

$f$ est donc décroissante sur $]-\infty,3]$ et croissante sur $[3,+\infty[$.

Exercice 8 — Trouver un extremum

Difficile

Déterminer les extrema éventuels de $f(x)=x^3-3x$ sur $\R$.

Voir la correction

$f'(x)=3x^2-3=3(x^2-1)=3(x-1)(x+1)$, qui s'annule en $x=-1$ et $x=1$.

$f'$ est positive avant $-1$, négative entre $-1$ et $1$, positive après $1$ : $f$ admet un maximum local en $x=-1$ ($f(-1)=2$) et un minimum local en $x=1$ ($f(1)=-2$).

Exercice 9 — Dérivée d'un produit avec exponentielle

Difficile

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=x\e^x$.

Voir la correction

Avec $u=x$, $v=\e^x$ : $f'(x)=1\times\e^x+x\times\e^x=(1+x)\e^x$.

Exercice 10 — Fonction rationnelle plus complexe

Difficile

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=\dfrac{2x-1}{x^2+1}$.

Voir la correction

Avec $u=2x-1$, $v=x^2+1$ : $u'=2$, $v'=2x$.

$f'(x)=\dfrac{2(x^2+1)-(2x-1)(2x)}{(x^2+1)^2}=\dfrac{2x^2+2-4x^2+2x}{(x^2+1)^2}=\dfrac{-2x^2+2x+2}{(x^2+1)^2}$.

Exercice 11 — Nombre dérivé par définition

Moyen

En utilisant la définition du taux de variation, retrouver $f'(2)$ pour $f(x)=x^2$.

Voir la correction

$\dfrac{f(2+h)-f(2)}h=\dfrac{(2+h)^2-4}h=\dfrac{4+4h+h^2-4}h=\dfrac{4h+h^2}h=4+h$.

Quand $h\to0$, ce taux tend vers $4$ : $f'(2)=4$ (ce qui correspond bien à $f'(x)=2x$ évalué en $2$).

Exercice 12 — Synthèse

Difficile

Pour $f(x)=(x^2+1)\ln x$ (définie pour $x\gt 0$), calculer $f'(x)$.

Voir la correction

Avec $u=x^2+1$, $v=\ln x$ : $f'(x)=2x\ln x+(x^2+1)\times\dfrac1x=2x\ln x+x+\dfrac1x$.

Progression Score : 0 / 10

Sujet 1 — Contrôle de connaissances

Socle mathématique · 3iL Ingénieurs · Durée indicative : 25 min

Exercice A (9 points) — Calculer la dérivée des fonctions suivantes.

1. $f(x)=3x^2-5x+2$ (2 pts)

2. $g(x)=(x-2)(x+4)$ (3 pts)

3. $h(x)=\dfrac{x+1}{x-1}$ (4 pts)

Exercice B (11 points) — On considère $f(x)=x^3-3x^2$ sur $\R$.

1. Calculer $f'(x)$. (2 pts)

2. Étudier le signe de $f'(x)$ et en déduire le tableau de variation de $f$. (6 pts)

3. Préciser les extrema locaux de $f$. (3 pts)

Voir le corrigé complet
  1. A.1. $f'(x)=6x-5$.
  2. A.2. $g'(x)=1\times(x+4)+(x-2)\times1=2x+2$.
  3. A.3. $h'(x)=\dfrac{1\times(x-1)-(x+1)\times1}{(x-1)^2}=\dfrac{-2}{(x-1)^2}$.
  4. B.1. $f'(x)=3x^2-6x=3x(x-2)$.
  5. B.2. $f'(x)=0$ pour $x=0$ ou $x=2$. $f'$ est positive avant $0$, négative entre $0$ et $2$, positive après $2$ : $f$ est croissante sur $]-\infty,0]$, décroissante sur $[0,2]$, croissante sur $[2,+\infty[$.
  6. B.3. Maximum local en $x=0$, $f(0)=0$ ; minimum local en $x=2$, $f(2)=8-12=-4$.
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