Fonctions composees

Les trois niveaux s'enchaînent. Clique sur « Corrigé » pour révéler la solution d'une seule question.

Facile15 exercices
Exercice 11 — puissance d'une fonction

Dériver y=(2x+1)5y=(2x+1)^5.

Externe : puissance 55. Intérieur U=2x+1U=2x+1, donc U′=2U'=2. Formule (Un)′=nUn−1U′(U^n)'=nU^{n-1}U' :

y′=5(2x+1)4⋅2=10(2x+1)4.y'=5(2x+1)^4\cdot 2 = 10(2x+1)^4.
Exercice 22 — sinus et cosinus d'une composée

Dériver y=sin⁡(3x)y=\sin(3x), puis y=cos⁡(x2)y=\cos(x^2).

∙\bullet U=3xU=3x, U′=3U'=3, formule (sin⁡U)′=U′cos⁡U(\sin U)'=U'\cos U :

y′=3cos⁡(3x).y'=3\cos(3x).

∙\bullet U=x2U=x^2, U′=2xU'=2x, formule (cos⁡U)′=−U′sin⁡U(\cos U)'=-U'\sin U :

y′=−2xsin⁡(x2).y'=-2x\sin(x^2).
Exercice 33 — exponentielle composée

Dériver y=e2xy=e^{2x}, puis y=e−x2y=e^{-x^2}.

∙\bullet U=2xU=2x, U′=2U'=2, formule (eU)′=U′eU(e^U)'=U'e^U :

y′=2e2x.y'=2e^{2x}.

∙\bullet U=−x2U=-x^2, U′=−2xU'=-2x :

y′=−2x e−x2.y'=-2x\,e^{-x^2}.
Exercice 44 — logarithme composé

Dériver y=ln⁡(x2+1)y=\ln(x^2+1).

U=x2+1U=x^2+1, U′=2xU'=2x, formule (ln⁡U)′=U′U(\ln U)'=\dfrac{U'}{U} :

y′=2xx2+1.y'=\frac{2x}{x^2+1}.

(Défini sur R\mathbb{R} car x2+1>0x^2+1>0.)

Exercice 55 — racine composée

Dériver y=x2+1y=\sqrt{x^2+1}.

U=x2+1U=x^2+1, U′=2xU'=2x, formule (U)′=U′2U(\sqrt U)'=\dfrac{U'}{2\sqrt U} :

y′=2x2x2+1=xx2+1.y'=\frac{2x}{2\sqrt{x^2+1}}=\frac{x}{\sqrt{x^2+1}}.
Exercice 66 — puissance d'une fonction affine
  1. a)

    Dériver y=(3x−4)7y=(3x-4)^7.

    U=3x−4U=3x-4, U′=3U'=3, (Un)′=nUn−1U′(U^n)'=nU^{n-1}U' : y′=7(3x−4)6⋅3=21(3x−4)6y'=7(3x-4)^6\cdot 3=21(3x-4)^6.

  2. b)

    Dériver y=(1−x2)4y=(1-x^2)^4.

    U=1−x2U=1-x^2, U′=−2xU'=-2x : y′=4(1−x2)3⋅(−2x)=−8x(1−x2)3y'=4(1-x^2)^3\cdot(-2x)=-8x(1-x^2)^3.

Exercice 77 — racine carrée composée
  1. a)

    Dériver y=4x+3y=\sqrt{4x+3} (préciser le domaine).

    U=4x+3U=4x+3, U′=4U'=4, (U)′=U′2U(\sqrt U)'=\dfrac{U'}{2\sqrt U} : y′=424x+3=24x+3y'=\dfrac{4}{2\sqrt{4x+3}}=\dfrac{2}{\sqrt{4x+3}}, pour x>−34x>-\tfrac34.

  2. b)

    Dériver y=1−xy=\sqrt{1-x} (préciser le domaine).

    U=1−xU=1-x, U′=−1U'=-1 : y′=−121−xy'=\dfrac{-1}{2\sqrt{1-x}}, pour x<1x<1.

Exercice 88 — exponentielle composée
  1. a)

    Dériver y=e5x+1y=e^{5x+1}.

    U=5x+1U=5x+1, U′=5U'=5, (eU)′=U′eU(e^U)'=U'e^U : y′=5e5x+1y'=5e^{5x+1}.

  2. b)

    Dériver y=ex3y=e^{x^3}.

    U=x3U=x^3, U′=3x2U'=3x^2 : y′=3x2ex3y'=3x^2 e^{x^3}.

Exercice 99 — logarithme composé
  1. a)

    Dériver y=ln⁡(3x+2)y=\ln(3x+2).

    U=3x+2U=3x+2, U′=3U'=3, (ln⁡U)′=U′U(\ln U)'=\dfrac{U'}{U} : y′=33x+2y'=\dfrac{3}{3x+2} (pour x>−23x>-\tfrac23).

  2. b)

    Dériver y=ln⁡(5x)y=\ln(5x) et commenter le résultat.

    U=5xU=5x, U′=5U'=5 : y′=55x=1xy'=\dfrac{5}{5x}=\dfrac{1}{x}. La constante multiplicative 55 disparaît, car ln⁡(5x)=ln⁡5+ln⁡x\ln(5x)=\ln 5+\ln x a la même dérivée que ln⁡x\ln x.

Exercice 1010 — sinus et cosinus composés
  1. a)

    Dériver y=sin⁡(4x−1)y=\sin(4x-1).

    U=4x−1U=4x-1, U′=4U'=4, (sin⁡U)′=U′cos⁡U(\sin U)'=U'\cos U : y′=4cos⁡(4x−1)y'=4\cos(4x-1).

  2. b)

    Dériver y=cos⁡ ⁣(x2)y=\cos\!\left(\dfrac{x}{2}\right).

    U=x2U=\dfrac{x}{2}, U′=12U'=\dfrac12, (cos⁡U)′=−U′sin⁡U(\cos U)'=-U'\sin U : y′=−12sin⁡ ⁣(x2)y'=-\dfrac12\sin\!\left(\dfrac{x}{2}\right).

Exercice 1111 — fonction inverse (puissance −1-1)
  1. a)

    Dériver y=12x+1y=\dfrac{1}{2x+1} en écrivant y=(2x+1)−1y=(2x+1)^{-1}.

    y=(2x+1)−1y=(2x+1)^{-1} : y′=−1 (2x+1)−2⋅2=−2(2x+1)2y'=-1\,(2x+1)^{-2}\cdot 2=-\dfrac{2}{(2x+1)^2}.

  2. b)

    Dériver y=1(x2+1)2y=\dfrac{1}{(x^2+1)^2}.

    y=(x2+1)−2y=(x^2+1)^{-2} : y′=−2(x2+1)−3⋅2x=−4x(x2+1)3y'=-2(x^2+1)^{-3}\cdot 2x=-\dfrac{4x}{(x^2+1)^3}.

Exercice 1212 — exposant fractionnaire
  1. a)

    Dériver y=(x2+1)3/2y=(x^2+1)^{3/2}.

    y′=32(x2+1)1/2⋅2x=3xx2+1y'=\dfrac32(x^2+1)^{1/2}\cdot 2x=3x\sqrt{x^2+1}.

  2. b)

    Dériver y=(x3+1)2/3y=(x^3+1)^{2/3}.

    y′=23(x3+1)−1/3⋅3x2=2x2x3+13y'=\dfrac23(x^3+1)^{-1/3}\cdot 3x^2=\dfrac{2x^2}{\sqrt[3]{x^3+1}}.

Exercice 1313 — décroissance exponentielle (situation)

La concentration d'un médicament (en mg/L) est C(t)=5 e−0,4tC(t)=5\,e^{-0{,}4t}, où t≥0t\ge 0 est en heures.

  1. a)

    Calculer C′(t)C'(t).

    U=−0,4tU=-0{,}4t, U′=−0,4U'=-0{,}4 : C′(t)=5⋅(−0,4)e−0,4t=−2 e−0,4tC'(t)=5\cdot(-0{,}4)e^{-0{,}4t}=-2\,e^{-0{,}4t}.

  2. b)

    Déduire du signe de C′(t)C'(t) le sens de variation de CC.

    e−0,4t>0e^{-0{,}4t}>0, donc C′(t)<0C'(t)<0 : la concentration est strictement décroissante (le médicament s'élimine).

Exercice 1414 — oscillations (situation)
  1. a)

    L'élongation d'un ressort est h(t)=2sin⁡(3t)h(t)=2\sin(3t). Calculer h′(t)h'(t).

    U=3tU=3t, U′=3U'=3 : h′(t)=2⋅3cos⁡(3t)=6cos⁡(3t)h'(t)=2\cdot 3\cos(3t)=6\cos(3t).

  2. b)

    Calculer la dérivée de g(t)=1+cos⁡(2t)g(t)=1+\cos(2t).

    g′(t)=−2sin⁡(2t)g'(t)=-2\sin(2t) (la constante 11 disparaît).

Exercice 1515 — racine d'un trinôme et domaine

Soit y=9−x2y=\sqrt{9-x^2}.

  1. a)

    Déterminer le domaine de définition, puis le domaine de dérivabilité.

    9−x2≥0 ⟺ x∈[−3,3]9-x^2\ge 0\iff x\in[-3,3] : domaine de définition. La racine n'est pas dérivable là où 9−x2=09-x^2=0, d'où la dérivabilité sur ]−3,3[]-3,3[.

  2. b)

    Calculer y′y'.

    U=9−x2U=9-x^2, U′=−2xU'=-2x : y′=−2x29−x2=−x9−x2y'=\dfrac{-2x}{2\sqrt{9-x^2}}=\dfrac{-x}{\sqrt{9-x^2}}.

Moyen15 exercices
Exercice 11 — fonctions réciproques composées

Dériver y=arctg⁡(3x)y=\operatorname{arctg}(3x), puis y=arcsin⁡(x2)y=\arcsin(x^2).

∙\bullet U=3xU=3x, U′=3U'=3, formule (arctg⁡U)′=U′1+U2(\operatorname{arctg} U)'=\dfrac{U'}{1+U^2} :

y′=31+(3x)2=31+9x2.y'=\frac{3}{1+(3x)^2}=\frac{3}{1+9x^2}.

∙\bullet U=x2U=x^2, U′=2xU'=2x, formule (arcsin⁡U)′=U′1−U2(\arcsin U)'=\dfrac{U'}{\sqrt{1-U^2}} :

y′=2x1−(x2)2=2x1−x4.y'=\frac{2x}{\sqrt{1-(x^2)^2}}=\frac{2x}{\sqrt{1-x^4}}.
Exercice 22 — base quelconque

Dériver y=log⁡10(x)y=\log_{10}(x), puis y=2xy=2^{x}.

∙\bullet Formule (log⁡aU)′=U′Uln⁡a(\log_a U)'=\dfrac{U'}{U\ln a} avec U=xU=x, U′=1U'=1, a=10a=10 :

y′=1xln⁡10.y'=\frac{1}{x\ln 10}.

∙\bullet Formule (aU)′=U′ aUln⁡a(a^U)'=U'\,a^U\ln a avec U=xU=x, U′=1U'=1, a=2a=2 :

y′=2xln⁡2.y'=2^{x}\ln 2.
Exercice 33 — tangente et cotangente composées

Dériver y=tg⁡(2x)y=\operatorname{tg}(2x), puis y=cotg⁡(x)y=\operatorname{cotg}(x).

∙\bullet U=2xU=2x, U′=2U'=2, formule (tg⁡U)′=U′cos⁡2U(\operatorname{tg} U)'=\dfrac{U'}{\cos^2 U} :

y′=2cos⁡2(2x).y'=\frac{2}{\cos^2(2x)}.

∙\bullet U=xU=x, U′=1U'=1, formule (cotg⁡U)′=−U′sin⁡2U(\operatorname{cotg} U)'=-\dfrac{U'}{\sin^2 U} :

y′=−1sin⁡2x.y'=-\frac{1}{\sin^2 x}.
Exercice 44 — produit et exponentielle

Dériver y=x2exy=x^2 e^{x}.

Règle du produit (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' avec u=x2u=x^2 (u′=2xu'=2x) et v=exv=e^x (v′=exv'=e^x) :

y′=2x ex+x2ex=x(2+x)ex.y'=2x\,e^x+x^2 e^x = x(2+x)e^x.
Exercice 55 — produit de deux composées

Dériver y=exsin⁡(x)y=e^{x}\sin(x).

Règle du produit avec u=exu=e^x (u′=exu'=e^x) et v=sin⁡xv=\sin x (v′=cos⁡xv'=\cos x) :

y′=exsin⁡x+excos⁡x=ex(sin⁡x+cos⁡x).y'=e^x\sin x + e^x\cos x = e^x(\sin x+\cos x).
Exercice 66 — quotient et chaîne
  1. a)

    Dériver y=e2xx+1y=\dfrac{e^{2x}}{x+1}.

    Quotient (uv)′=u′v−uv′v2\left(\dfrac uv\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2} avec u=e2xu=e^{2x} (u′=2e2xu'=2e^{2x}), v=x+1v=x+1 :

    y′=2e2x(x+1)−e2x(x+1)2=(2x+1)e2x(x+1)2.y'=\frac{2e^{2x}(x+1)-e^{2x}}{(x+1)^2}=\frac{(2x+1)e^{2x}}{(x+1)^2}.
  2. b)

    Dériver y=xx2+1y=\dfrac{x}{\sqrt{x^2+1}}.

    y=x(x2+1)−1/2y=x(x^2+1)^{-1/2} (produit) :

    y′=(x2+1)−1/2+x⋅ ⁣(−12)(x2+1)−3/2⋅2x=(x2+1)−x2(x2+1)3/2=1(x2+1)3/2.y'=(x^2+1)^{-1/2}+x\cdot\!\left(-\tfrac12\right)(x^2+1)^{-3/2}\cdot 2x =\frac{(x^2+1)-x^2}{(x^2+1)^{3/2}}=\frac{1}{(x^2+1)^{3/2}}.
Exercice 77 — produit et exponentielle composée
  1. a)

    Dériver y=x e−x2y=x\,e^{-x^2}.

    u=xu=x, v=e−x2v=e^{-x^2} (v′=−2x e−x2v'=-2x\,e^{-x^2}) : y′=e−x2+x(−2x e−x2)=(1−2x2)e−x2y'=e^{-x^2}+x(-2x\,e^{-x^2})=(1-2x^2)e^{-x^2}.

  2. b)

    Dériver y=(2x+1)e3xy=(2x+1)e^{3x}.

    u=2x+1u=2x+1 (u′=2u'=2), v=e3xv=e^{3x} (v′=3e3xv'=3e^{3x}) : y′=2e3x+(2x+1)3e3x=(6x+5)e3xy'=2e^{3x}+(2x+1)3e^{3x}=(6x+5)e^{3x}.

Exercice 88 — puissance et racine d'un trinôme
  1. a)

    Dériver y=(x2−3x+1)4y=(x^2-3x+1)^4.

    U=x2−3x+1U=x^2-3x+1, U′=2x−3U'=2x-3 : y′=4(x2−3x+1)3(2x−3)y'=4(x^2-3x+1)^3(2x-3).

  2. b)

    Dériver y=x2+x+1y=\sqrt{x^2+x+1}.

    U=x2+x+1>0U=x^2+x+1>0, U′=2x+1U'=2x+1 : y′=2x+12x2+x+1y'=\dfrac{2x+1}{2\sqrt{x^2+x+1}}.

Exercice 99 — logarithme d'un quotient

Soit y=ln⁡ ⁣x−1x+1y=\ln\!\dfrac{x-1}{x+1} (pour x>1x>1).

  1. a)

    Écrire yy comme une différence de deux logarithmes.

    y=ln⁡(x−1)−ln⁡(x+1)y=\ln(x-1)-\ln(x+1) (valable pour x>1x>1).

  2. b)

    En déduire y′y' et le mettre sur un même dénominateur.

    y′=1x−1−1x+1=(x+1)−(x−1)(x−1)(x+1)=2x2−1y'=\dfrac{1}{x-1}-\dfrac{1}{x+1}=\dfrac{(x+1)-(x-1)}{(x-1)(x+1)}=\dfrac{2}{x^2-1}.

Exercice 1010 — base quelconque composée
  1. a)

    Dériver y=3 x2y=3^{\,x^2}.

    (aU)′=U′aUln⁡a(a^U)'=U'a^U\ln a avec U=x2U=x^2, a=3a=3 : y′=2x⋅3x2ln⁡3y'=2x\cdot 3^{x^2}\ln 3.

  2. b)

    Dériver y=log⁡2(x2+1)y=\log_{2}(x^2+1).

    (log⁡aU)′=U′Uln⁡a(\log_a U)'=\dfrac{U'}{U\ln a} avec U=x2+1U=x^2+1, a=2a=2 : y′=2x(x2+1)ln⁡2y'=\dfrac{2x}{(x^2+1)\ln 2}.

Exercice 1111 — composée de deux fonctions transcendantes
  1. a)

    Dériver y=sin⁡(cos⁡x)y=\sin(\cos x).

    Externe sin⁡\sin, U=cos⁡xU=\cos x, U′=−sin⁡xU'=-\sin x : y′=−sin⁡x cos⁡(cos⁡x)y'=-\sin x\,\cos(\cos x).

  2. b)

    Dériver y=cos⁡(ex)y=\cos(e^{x}).

    Externe cos⁡\cos, U=exU=e^x, U′=exU'=e^x : y′=−exsin⁡(ex)y'=-e^x\sin(e^x).

Exercice 1212 — fonctions réciproques composées
  1. a)

    Dériver y=arctg⁡ ⁣(1x)y=\operatorname{arctg}\!\left(\dfrac1x\right) (pour x≠0x\neq 0) ; commenter la forme obtenue.

    U=1x=x−1U=\dfrac1x=x^{-1}, U′=−1x2U'=-\dfrac1{x^2}, (arctg⁡U)′=U′1+U2(\operatorname{arctg} U)'=\dfrac{U'}{1+U^2} :

    y′=−1/x21+1/x2=−1/x2(x2+1)/x2=−1x2+1.y'=\frac{-1/x^2}{1+1/x^2}=\frac{-1/x^2}{(x^2+1)/x^2}=-\frac{1}{x^2+1}.

    C'est l'opposé de (arctg⁡x)′(\operatorname{arctg} x)', cohérent avec arctg⁡x+arctg⁡1x=±π2\operatorname{arctg} x+\operatorname{arctg}\frac1x=\pm\frac{\pi}{2}.

  2. b)

    Dériver y=arcsin⁡(2x)y=\arcsin(2x) et préciser le domaine.

    U=2xU=2x, U′=2U'=2, (arcsin⁡U)′=U′1−U2(\arcsin U)'=\dfrac{U'}{\sqrt{1-U^2}} : y′=21−4x2y'=\dfrac{2}{\sqrt{1-4x^2}}, pour x∈]−12,12[x\in\left]-\tfrac12,\tfrac12\right[.

Exercice 1313 — carré d'une fonction trigonométrique
  1. a)

    Dériver y=tg⁡2xy=\operatorname{tg}^2 x.

    y=(tg⁡x)2y=(\operatorname{tg} x)^2, (F2)′=2FF′(F^2)'=2FF' avec F=tg⁡xF=\operatorname{tg} x, F′=1cos⁡2xF'=\dfrac1{\cos^2 x} : y′=2tg⁡x⋅1cos⁡2x=2sin⁡xcos⁡3xy'=2\operatorname{tg} x\cdot\dfrac{1}{\cos^2 x}=\dfrac{2\sin x}{\cos^3 x}.

  2. b)

    Montrer que la dérivée de y=ln⁡(cos⁡x)y=\ln(\cos x) est −tg⁡x-\operatorname{tg} x (préciser le domaine).

    U=cos⁡xU=\cos x, U′=−sin⁡xU'=-\sin x, (ln⁡U)′=U′U(\ln U)'=\dfrac{U'}{U} : y′=−sin⁡xcos⁡x=−tg⁡xy'=\dfrac{-\sin x}{\cos x}=-\operatorname{tg} x, là où cos⁡x>0\cos x>0.

Exercice 1414 — exponentielle d'une fonction non affine
  1. a)

    Dériver y=e1/xy=e^{1/x} (pour x≠0x\neq 0).

    U=1xU=\dfrac1x, U′=−1x2U'=-\dfrac1{x^2} : y′=−1x2 e1/xy'=-\dfrac{1}{x^2}\,e^{1/x}.

  2. b)

    Dériver y=exy=e^{\sqrt{x}} (pour x>0x>0).

    U=xU=\sqrt x, U′=12xU'=\dfrac1{2\sqrt x} : y′=ex2xy'=\dfrac{e^{\sqrt x}}{2\sqrt x}.

Exercice 1515 — refroidissement de Newton (situation)

La température d'un café est T(t)=20+80 e−0,1tT(t)=20+80\,e^{-0{,}1t} (pour t≥0t\ge 0 en minutes, TT en degrés Celsius).

  1. a)

    Calculer T′(t)T'(t).

    U=−0,1tU=-0{,}1t, U′=−0,1U'=-0{,}1 : T′(t)=80⋅(−0,1)e−0,1t=−8 e−0,1tT'(t)=80\cdot(-0{,}1)e^{-0{,}1t}=-8\,e^{-0{,}1t}.

  2. b)

    Étudier le signe de T′(t)T'(t) et interpréter physiquement.

    e−0,1t>0e^{-0{,}1t}>0 donc T′(t)<0T'(t)<0 : la température décroît, le café refroidit et tend vers la température ambiante 2020 (car e−0,1t→0e^{-0{,}1t}\to 0).

Difficile14 exercices
Exercice 11 — trois couches : carré ∘\circ sinus ∘\circ racine

Soit y=sin⁡2 ⁣(x+1)y=\sin^2\!\big(\sqrt{x}+1\big).

  1. a)

    Couche externe (le carré) : justifier que y′=2sin⁡(x+1)⋅(sin⁡(x+1))′y'=2\sin(\sqrt x+1)\cdot\big(\sin(\sqrt x+1)\big)'.

    Externe = le carré. Avec (F2)′=2F⋅F′(F^2)'=2F\cdot F' appliqué à F=sin⁡(x+1)F=\sin(\sqrt x+1) :

    y′=2sin⁡(x+1)⋅(sin⁡(x+1))′.y'=2\sin(\sqrt x+1)\cdot\big(\sin(\sqrt x+1)\big)'.
  2. b)

    Couche sinus : montrer que (sin⁡(x+1))′=12xcos⁡(x+1)\big(\sin(\sqrt x+1)\big)'=\dfrac{1}{2\sqrt x}\cos(\sqrt x+1).

    Pour sin⁡(x+1)\sin(\sqrt x+1) : couche externe sin⁡\sin, intérieur U=x+1U=\sqrt x+1 avec U′=12xU'=\dfrac{1}{2\sqrt x}. Donc (sin⁡U)′=U′cos⁡U(\sin U)'=U'\cos U :

    (sin⁡(x+1))′=12xcos⁡(x+1).\big(\sin(\sqrt x+1)\big)'=\frac{1}{2\sqrt x}\cos(\sqrt x+1).
  3. c)

    Assembler puis, à l'aide de 2sin⁡θcos⁡θ=sin⁡2θ2\sin\theta\cos\theta=\sin 2\theta, montrer que y′=12x sin⁡ ⁣(2(x+1))y'=\dfrac{1}{2\sqrt x}\,\sin\!\big(2(\sqrt x+1)\big). Préciser le domaine.

    On assemble :

    y′=2sin⁡(x+1)⋅12xcos⁡(x+1)=12x⋅2sin⁡(x+1)cos⁡(x+1)⏟= sin⁡(2(x+1)).y'=2\sin(\sqrt x+1)\cdot\frac{1}{2\sqrt x}\cos(\sqrt x+1) =\frac{1}{2\sqrt x}\cdot\underbrace{2\sin(\sqrt x+1)\cos(\sqrt x+1)}_{=\,\sin(2(\sqrt x+1))}.

    D'où, avec 2sin⁡θcos⁡θ=sin⁡2θ2\sin\theta\cos\theta=\sin 2\theta (θ=x+1\theta=\sqrt x+1) :

     y′=sin⁡(2(x+1))2x pour x>0\boxed{\,y'=\frac{\sin\big(2(\sqrt x+1)\big)}{2\sqrt x}\,}\qquad\text{pour } x>0

    (on exclut x=0x=0 car x\sqrt x y est non dérivable et le dénominateur s'annule).

Exercice 22 — racine ∘\circ logarithme ∘\circ cosinus

Soit y=ln⁡(cos⁡x+2)y=\sqrt{\ln(\cos x+2)}.

  1. a)

    Réécrire y=(ln⁡(cos⁡x+2))1/2y=\big(\ln(\cos x+2)\big)^{1/2} et dériver la couche puissance 12\tfrac12.

    On écrit y=(ln⁡(cos⁡x+2))1/2y=\big(\ln(\cos x+2)\big)^{1/2}. Couche puissance 12\tfrac12, avec F=ln⁡(cos⁡x+2)F=\ln(\cos x+2) et (F1/2)′=F′2F(F^{1/2})'=\dfrac{F'}{2\sqrt F} :

    y′=(ln⁡(cos⁡x+2))′2ln⁡(cos⁡x+2).y'=\frac{\big(\ln(\cos x+2)\big)'}{2\sqrt{\ln(\cos x+2)}}.
  2. b)

    Dériver la couche logarithme (poser U=cos⁡x+2U=\cos x+2, donner U′U').

    Couche ln⁡\ln : U=cos⁡x+2U=\cos x+2, U′=−sin⁡xU'=-\sin x, donc (ln⁡U)′=U′U(\ln U)'=\dfrac{U'}{U} :

    (ln⁡(cos⁡x+2))′=−sin⁡xcos⁡x+2.\big(\ln(\cos x+2)\big)'=\frac{-\sin x}{\cos x+2}.
  3. c)

    Assembler et montrer que y′=−sin⁡x2(cos⁡x+2)ln⁡(cos⁡x+2)y'=\dfrac{-\sin x}{2(\cos x+2)\sqrt{\ln(\cos x+2)}}.

    Remarque : cos⁡x+2≥1>0\cos x+2\ge 1>0, la racine et le ln⁡\ln sont bien définis.

    On assemble :

    y′=12ln⁡(cos⁡x+2)⋅−sin⁡xcos⁡x+2= −sin⁡x2(cos⁡x+2)ln⁡(cos⁡x+2) .y'=\frac{1}{2\sqrt{\ln(\cos x+2)}}\cdot\frac{-\sin x}{\cos x+2} =\boxed{\,\frac{-\sin x}{2(\cos x+2)\sqrt{\ln(\cos x+2)}}\,}.

    (Comme cos⁡x+2≥1\cos x+2\ge 1, on a ln⁡(cos⁡x+2)≥0\ln(\cos x+2)\ge 0 ; il faut ln⁡(cos⁡x+2)>0\ln(\cos x+2)>0, soit cos⁡x+2>1\cos x+2>1, i.e. cos⁡x≠−1\cos x\neq -1.)

Exercice 33 — fonction inconnue ff

Soit ff une fonction dérivable.

  1. Montrer que (f2)′=2f′f\big(f^2\big)'=2f'f (par la règle du produit ou la formule (U2)′(U^2)').
  2. Montrer que (3ln⁡∣f∣)′=3f′f\big(3\ln|f|\big)'=\dfrac{3f'}{f} (là où f≠0f\neq 0).
  3. Application : f(x)=x2+1f(x)=x^2+1. Calculer (f2)′\big(f^2\big)' et (3ln⁡∣f∣)′\big(3\ln|f|\big)'.

a) f2=f⋅ff^2=f\cdot f. Règle du produit : (f⋅f)′=f′f+ff′=2f′f(f\cdot f)'=f'f+f f'=2f'f. (Ou bien (U2)′=2UU′(U^2)'=2UU' avec U=fU=f.) Donc (f2)′=2f′f\big(f^2\big)'=2f'f.
b) (ln⁡∣f∣)′=f′f\big(\ln|f|\big)'=\dfrac{f'}{f} (formule (ln⁡∣U∣)′=U′/U(\ln|U|)'=U'/U). En multipliant par la constante 33 : (3ln⁡∣f∣)′=3f′f\big(3\ln|f|\big)'=\dfrac{3f'}{f}.
c) f(x)=x2+1f(x)=x^2+1, donc f′(x)=2xf'(x)=2x.

(f2)′=2f′f=2(2x)(x2+1)=4x(x2+1),(3ln⁡∣f∣)′=3f′f=6xx2+1.\big(f^2\big)'=2f'f=2(2x)(x^2+1)=4x(x^2+1),\qquad \big(3\ln|f|\big)'=\frac{3f'}{f}=\frac{6x}{x^2+1}.
Exercice 44 — fonction inconnue uu et changement de variable

Soit uu une fonction dérivable.

  1. On pose v(x)=u(3x)v(x)=u(3x). Montrer que v′(x)=3u′(3x)v'(x)=3u'(3x). Si u(x)=x2u(x)=x^2, vérifier que v′(x)=18xv'(x)=18x.
  2. On pose v(x)=u(ln⁡(x+1))v(x)=u\big(\ln(x+1)\big). Exprimer v′(x)v'(x).

a) v(x)=u(3x)v(x)=u(3x) : externe uu, intérieur U=3xU=3x avec U′=3U'=3. La chaîne donne v′(x)=u′(3x)⋅3=3u′(3x)v'(x)=u'(3x)\cdot 3=3u'(3x).
Si u(x)=x2u(x)=x^2, alors u′(x)=2xu'(x)=2x, donc u′(3x)=2(3x)=6xu'(3x)=2(3x)=6x et v′(x)=3⋅6x=18xv'(x)=3\cdot 6x=18x.
Vérification directe : v(x)=u(3x)=(3x)2=9x2v(x)=u(3x)=(3x)^2=9x^2, d'où v′(x)=18xv'(x)=18x.
b) v(x)=u(ln⁡(x+1))v(x)=u\big(\ln(x+1)\big) : externe uu, intérieur U=ln⁡(x+1)U=\ln(x+1) avec U′=1x+1U'=\dfrac{1}{x+1}. Donc

v′(x)=u′(ln⁡(x+1))⋅1x+1=u′(ln⁡(x+1))x+1(x>−1).v'(x)=u'\big(\ln(x+1)\big)\cdot\frac{1}{x+1}=\frac{u'\big(\ln(x+1)\big)}{x+1}\qquad(x>-1).
Exercice 55 — dérivée logarithmique

Soit y=(x+1)32x−1(x2+1)2y=\dfrac{(x+1)^3\sqrt{2x-1}}{(x^2+1)^2}, pour x>12x>\tfrac12 (donc y>0y>0).

  1. a)

    Écrire ln⁡y\ln y comme une somme de logarithmes.

    ln⁡y=3ln⁡(x+1)+12ln⁡(2x−1)−2ln⁡(x2+1)\ln y=3\ln(x+1)+\tfrac12\ln(2x-1)-2\ln(x^2+1).

  2. b)

    Dériver cette égalité pour obtenir y′y\dfrac{y'}{y}.

    En dérivant chaque terme ((ln⁡U)′=U′/U(\ln U)'=U'/U) :

    y′y=3x+1+12⋅22x−1−2⋅2xx2+1=3x+1+12x−1−4xx2+1.\frac{y'}{y}=\frac{3}{x+1}+\frac{1}{2}\cdot\frac{2}{2x-1}-2\cdot\frac{2x}{x^2+1} =\frac{3}{x+1}+\frac{1}{2x-1}-\frac{4x}{x^2+1}.
  3. c)

    En déduire y′y'.

    Donc

    y′=(x+1)32x−1(x2+1)2(3x+1+12x−1−4xx2+1).y'=\frac{(x+1)^3\sqrt{2x-1}}{(x^2+1)^2} \left(\frac{3}{x+1}+\frac{1}{2x-1}-\frac{4x}{x^2+1}\right).
Exercice 66 — trois couches : racine ∘\circ carré ∘\circ logarithme

Soit y=1+(ln⁡x)2y=\sqrt{1+(\ln x)^2}, pour x>0x>0.

  1. a)

    Couche externe (racine) : écrire y=(1+(ln⁡x)2)1/2y=\big(1+(\ln x)^2\big)^{1/2} et donner y′y' en fonction de (1+(ln⁡x)2)′\big(1+(\ln x)^2\big)'.

    Avec F=1+(ln⁡x)2F=1+(\ln x)^2 et (F)′=F′2F(\sqrt F)'=\dfrac{F'}{2\sqrt F} : y′=(1+(ln⁡x)2)′21+(ln⁡x)2y'=\dfrac{\big(1+(\ln x)^2\big)'}{2\sqrt{1+(\ln x)^2}}.

  2. b)

    Dériver la couche interne 1+(ln⁡x)21+(\ln x)^2.

    (1+(ln⁡x)2)′=2ln⁡x⋅(ln⁡x)′=2ln⁡x⋅1x=2ln⁡xx\big(1+(\ln x)^2\big)'=2\ln x\cdot(\ln x)'=2\ln x\cdot\dfrac1x=\dfrac{2\ln x}{x}.

  3. c)

    Assembler et montrer que y′=ln⁡xx1+(ln⁡x)2y'=\dfrac{\ln x}{x\sqrt{1+(\ln x)^2}}.

    En assemblant :

    y′=121+(ln⁡x)2⋅2ln⁡xx=ln⁡xx1+(ln⁡x)2.y'=\frac{1}{2\sqrt{1+(\ln x)^2}}\cdot\frac{2\ln x}{x} =\frac{\ln x}{x\sqrt{1+(\ln x)^2}}.
Exercice 77 — tangente à une composée

Soit f(x)=x2+9f(x)=\sqrt{x^2+9}, définie sur R\mathbb{R}. On s'intéresse au point d'abscisse x0=4x_0=4.

  1. a)

    Calculer f′(x)f'(x), puis f(4)f(4) et f′(4)f'(4).

    U=x2+9U=x^2+9, U′=2xU'=2x : f′(x)=2x2x2+9=xx2+9f'(x)=\dfrac{2x}{2\sqrt{x^2+9}}=\dfrac{x}{\sqrt{x^2+9}}. Ainsi f(4)=25=5f(4)=\sqrt{25}=5 et f′(4)=45f'(4)=\dfrac{4}{5}.

  2. b)

    En déduire l'équation de la tangente T\mathcal T à la courbe au point d'abscisse 44.

    T: y=f(4)+f′(4)(x−4)=5+45(x−4)=45x+95\mathcal T:\ y=f(4)+f'(4)(x-4)=5+\dfrac45(x-4)=\dfrac45 x+\dfrac95.

  3. c)

    La figure ci-dessous représente ff et sa tangente en x=4x=4 ; vérifier la cohérence (pente et ordonnée à l'origine).

    Pente 45=0,8\tfrac45=0{,}8 et ordonnée à l'origine 95=1,8\tfrac95=1{,}8 : c'est bien la droite tracée, qui touche la courbe au point (4,5)(4,5).

Exercice 88 — chaîne avec une fonction inconnue (valeurs numériques)

Soit ff une fonction dérivable sur R\mathbb{R} telle que f(2)=5f(2)=5 et f′(2)=−1f'(2)=-1. Calculer, en fonction de ces données :

  1. a)

    g′(2)g'(2) où g(x)=f(3x−4)g(x)=f(3x-4).

    g(x)=f(3x−4)g(x)=f(3x-4), g′(x)=3f′(3x−4)g'(x)=3f'(3x-4). En x=2x=2 : 3x−4=23x-4=2, donc g′(2)=3f′(2)=3(−1)=−3g'(2)=3f'(2)=3(-1)=-3.

  2. b)

    h′(2)h'(2) où h(x)=(f(x))3h(x)=\big(f(x)\big)^3.

    h(x)=(f(x))3h(x)=\big(f(x)\big)^3, h′(x)=3(f(x))2f′(x)h'(x)=3\big(f(x)\big)^2 f'(x) : h′(2)=3⋅52⋅(−1)=−75h'(2)=3\cdot 5^2\cdot(-1)=-75.

  3. c)

    k′(2)k'(2) où k(x)=ef(x)k(x)=e^{f(x)}.

    k(x)=ef(x)k(x)=e^{f(x)}, k′(x)=f′(x)ef(x)k'(x)=f'(x)e^{f(x)} : k′(2)=(−1)e5=−e5k'(2)=(-1)e^{5}=-e^{5}.

Exercice 99 — dérivée seconde et points d'inflexion

Soit y=e−x2y=e^{-x^2} (la « courbe en cloche »).

  1. a)

    Calculer y′y'.

    U=−x2U=-x^2, U′=−2xU'=-2x : y′=−2x e−x2y'=-2x\,e^{-x^2}.

  2. b)

    Calculer y′′y'' et montrer que y′′=(4x2−2)e−x2y''=(4x^2-2)e^{-x^2}.

    y′′=(−2x e−x2)′=−2e−x2+(−2x)(−2x)e−x2=(−2+4x2)e−x2=(4x2−2)e−x2y''=\big(-2x\,e^{-x^2}\big)'=-2e^{-x^2}+(-2x)(-2x)e^{-x^2} =(-2+4x^2)e^{-x^2}=(4x^2-2)e^{-x^2}.

  3. c)

    En déduire les abscisses des points d'inflexion.

    e−x2>0e^{-x^2}>0, donc y′′=0 ⟺ 4x2−2=0 ⟺ x=±12=±22y''=0\iff 4x^2-2=0\iff x=\pm\dfrac{1}{\sqrt2}=\pm\dfrac{\sqrt2}{2}. y′′y'' change de signe en ces points : ce sont deux points d'inflexion.

Exercice 1010 — arc sinus d'une racine

Soit y=arcsin⁡(x)y=\arcsin(\sqrt{x}).

  1. a)

    Déterminer le domaine de définition, puis de dérivabilité.

    Il faut x≥0x\ge 0 (racine) et x≤1\sqrt x\le 1, soit x≤1x\le 1 : domaine [0,1][0,1]. Dérivabilité sur ]0,1[]0,1[ ( \sqrt{\ } non dérivable en 00, arcsin⁡\arcsin non dérivable en 11).

  2. b)

    Calculer y′y' (deux couches : arcsin⁡\arcsin puis \sqrt{\ }).

    F=xF=\sqrt x, F′=12xF'=\dfrac1{2\sqrt x}, (arcsin⁡F)′=F′1−F2(\arcsin F)'=\dfrac{F'}{\sqrt{1-F^2}} : y′=1/(2x)1−xy'=\dfrac{1/(2\sqrt x)}{\sqrt{1-x}}.

  3. c)

    Simplifier y′y' sous la forme 12x−x2\dfrac{1}{2\sqrt{x-x^2}}.

    y′=12x 1−x=12x(1−x)=12x−x2y'=\dfrac{1}{2\sqrt x\,\sqrt{1-x}}=\dfrac{1}{2\sqrt{x(1-x)}}=\dfrac{1}{2\sqrt{x-x^2}}.

Exercice 1111 — optimisation : rectangle inscrit dans un demi-disque

Un rectangle est inscrit dans un demi-disque de rayon 22, sa base reposant sur le diamètre. Si x∈ ]0,2[x\in\,]0,2[ désigne la demi-largeur, sa hauteur vaut 4−x2\sqrt{4-x^2} et son aire A(x)=2x4−x2A(x)=2x\sqrt{4-x^2}.

  1. a)

    Calculer A′(x)A'(x) et montrer que A′(x)=4(2−x2)4−x2A'(x)=\dfrac{4(2-x^2)}{\sqrt{4-x^2}}.

    Produit avec u=2xu=2x (u′=2u'=2) et v=4−x2v=\sqrt{4-x^2} (v′=−2x24−x2=−x4−x2v'=\dfrac{-2x}{2\sqrt{4-x^2}}=\dfrac{-x}{\sqrt{4-x^2}}) :

    A′(x)=24−x2+2x⋅−x4−x2=2(4−x2)−2x24−x2=4(2−x2)4−x2.A'(x)=2\sqrt{4-x^2}+2x\cdot\frac{-x}{\sqrt{4-x^2}} =\frac{2(4-x^2)-2x^2}{\sqrt{4-x^2}}=\frac{4(2-x^2)}{\sqrt{4-x^2}}.
  2. b)

    Résoudre A′(x)=0A'(x)=0 sur ]0,2[]0,2[.

    Sur ]0,2[]0,2[, 4−x2>0\sqrt{4-x^2}>0, donc A′(x)=0 ⟺ 2−x2=0 ⟺ x=2A'(x)=0\iff 2-x^2=0\iff x=\sqrt2.

  3. c)

    En déduire l'aire maximale.

    A′A' est positive avant 2\sqrt2 et négative après : maximum en x=2x=\sqrt2. A(2)=22⋅4−2=22⋅2=4A(\sqrt2)=2\sqrt2\cdot\sqrt{4-2}=2\sqrt2\cdot\sqrt2=4. Aire maximale =4=4.

Exercice 1212 — modèle logistique

La taille d'une population est P(t)=10001+9 e−0,5tP(t)=\dfrac{1000}{1+9\,e^{-0{,}5t}} (pour t≥0t\ge 0).

  1. a)

    Calculer P′(t)P'(t) (quotient et chaîne).

    P=1000(1+9e−0,5t)−1P=1000\big(1+9e^{-0{,}5t}\big)^{-1}. Avec D=1+9e−0,5tD=1+9e^{-0{,}5t}, D′=9⋅(−0,5)e−0,5t=−4,5 e−0,5tD'=9\cdot(-0{,}5)e^{-0{,}5t}=-4{,}5\,e^{-0{,}5t} :

    P′=−1000 D−2D′=4500 e−0,5t(1+9e−0,5t)2.P'=-1000\,D^{-2}D'=\frac{4500\,e^{-0{,}5t}}{\big(1+9e^{-0{,}5t}\big)^{2}}.
  2. b)

    Justifier que PP est strictement croissante.

    e−0,5t>0e^{-0{,}5t}>0 et le dénominateur est un carré >0>0, donc P′(t)>0P'(t)>0 : PP est strictement croissante.

  3. c)

    Montrer que P′=0,51000 P (1000−P)P'=\dfrac{0{,}5}{1000}\,P\,(1000-P) (équation logistique).

    1000−P=9000 e−0,5t1+9e−0,5t1000-P=\dfrac{9000\,e^{-0{,}5t}}{1+9e^{-0{,}5t}}, donc

    0,51000 P (1000−P)=0,51000⋅10001+9e−0,5t⋅9000 e−0,5t1+9e−0,5t=4500 e−0,5t(1+9e−0,5t)2=P′.\frac{0{,}5}{1000}\,P\,(1000-P) =\frac{0{,}5}{1000}\cdot\frac{1000}{1+9e^{-0{,}5t}}\cdot\frac{9000\,e^{-0{,}5t}}{1+9e^{-0{,}5t}} =\frac{4500\,e^{-0{,}5t}}{\big(1+9e^{-0{,}5t}\big)^{2}}=P'.
Exercice 1313 — une identité obtenue par dérivation

Soit y=ln⁡ ⁣(tg⁡(x/2))y=\ln\!\big(\operatorname{tg}(x/2)\big), pour x∈ ]0,π[x\in\,]0,\pi[.

  1. a)

    Justifier que yy est bien défini sur ]0,π[]0,\pi[.

    Pour x∈ ]0,π[x\in\,]0,\pi[, on a x/2∈ ]0,π/2[x/2\in\,]0,\pi/2[, donc tg⁡(x/2)>0\operatorname{tg}(x/2)>0 : le logarithme est défini.

  2. b)

    Calculer y′y' (chaîne : ln⁡\ln, puis tg⁡\operatorname{tg}, puis x/2x/2).

    U=tg⁡(x/2)U=\operatorname{tg}(x/2), U′=12⋅1cos⁡2(x/2)U'=\dfrac12\cdot\dfrac{1}{\cos^2(x/2)}, (ln⁡U)′=U′U(\ln U)'=\dfrac{U'}{U} :

    y′=12/cos⁡2(x/2)tg⁡(x/2)=12cos⁡2(x/2)⋅cos⁡(x/2)sin⁡(x/2)=12sin⁡(x/2)cos⁡(x/2).y'=\frac{\tfrac12\big/\cos^2(x/2)}{\operatorname{tg}(x/2)} =\frac{1}{2\cos^2(x/2)}\cdot\frac{\cos(x/2)}{\sin(x/2)} =\frac{1}{2\sin(x/2)\cos(x/2)}.
  3. c)

    Simplifier et montrer que y′=1sin⁡xy'=\dfrac{1}{\sin x}.

    Or 2sin⁡(x/2)cos⁡(x/2)=sin⁡x2\sin(x/2)\cos(x/2)=\sin x, donc y′=1sin⁡xy'=\dfrac{1}{\sin x}.

Exercice 1414 — étude complète de ln⁡(1+x2)\ln(1+x^2)

Soit f(x)=ln⁡(1+x2)f(x)=\ln(1+x^2), définie sur R\mathbb{R}.

  1. a)

    Calculer f′(x)f'(x) et étudier son signe (sens de variation).

    U=1+x2U=1+x^2, U′=2xU'=2x : f′(x)=2x1+x2f'(x)=\dfrac{2x}{1+x^2}. Le dénominateur est >0>0, donc f′(x)f'(x) a le signe de xx : ff décroît sur ]−∞,0]]-\infty,0], croît sur [0,+∞[[0,+\infty[ (minimum f(0)=0f(0)=0).

  2. b)

    Calculer f′′(x)f''(x) et déterminer les intervalles de convexité.

    f′′(x)=2(1+x2)−2x⋅2x(1+x2)2=2−2x2(1+x2)2=2(1−x2)(1+x2)2f''(x)=\dfrac{2(1+x^2)-2x\cdot 2x}{(1+x^2)^2}=\dfrac{2-2x^2}{(1+x^2)^2} =\dfrac{2(1-x^2)}{(1+x^2)^2} : elle est >0>0 sur ]−1,1[]-1,1[ (convexe) et <0<0 sur ]−∞,−1[ ∪ ]1,+∞[]-\infty,-1[\,\cup\,]1,+\infty[ (concave).

  3. c)

    Donner les abscisses des points d'inflexion.

    f′′f'' s'annule en changeant de signe en x=−1x=-1 et x=1x=1 : deux points d'inflexion.