Nombre derive taux accroissement

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Facile15 exercices
Exercice 11

Soit f(x)=x2f(x)=x^2. Calculer le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) entre x0=2x_0=2 et 2+h2+h, puis simplifier le résultat.

On applique la définition avec x0=2x_0=2 :

τ(h)=f(2+h)−f(2)h=(2+h)2−22h.\tau(h)=\frac{f(2+h)-f(2)}{h}=\frac{(2+h)^2-2^2}{h}.

On développe le numérateur : (2+h)2−4=4+4h+h2−4=4h+h2=h(4+h)(2+h)^2-4=4+4h+h^2-4=4h+h^2=h(4+h). D'où

τ(h)=h(4+h)h=4+h(h≠0).\tau(h)=\frac{h(4+h)}{h}=\boxed{4+h}\qquad(h\neq 0).
Exercice 22

Soit f(x)=3x+1f(x)=3x+1. Calculer le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) en un point x0x_0 quelconque. Que remarque-t-on ?

τ(h)=f(x0+h)−f(x0)h=(3(x0+h)+1)−(3x0+1)h.\tau(h)=\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h} =\frac{\big(3(x_0+h)+1\big)-\big(3x_0+1\big)}{h}.

Le numérateur vaut 3x0+3h+1−3x0−1=3h3x_0+3h+1-3x_0-1=3h, donc

τ(h)=3hh=3.\tau(h)=\frac{3h}{h}=\boxed{3}.

Le taux est constant, égal à 33 : c'est normal, la courbe est une droite de pente 33, toutes ses sécantes ont la même pente.

Exercice 33

Soit f(x)=x2−xf(x)=x^2-x. Calculer le taux d'accroissement entre x0=1x_0=1 et 1+h1+h, puis simplifier.

τ(h)=f(1+h)−f(1)h=[(1+h)2−(1+h)]−[12−1]h.\tau(h)=\frac{f(1+h)-f(1)}{h} =\frac{\big[(1+h)^2-(1+h)\big]-\big[1^2-1\big]}{h}.

Or f(1)=1−1=0f(1)=1-1=0 et (1+h)2−(1+h)=1+2h+h2−1−h=h+h2=h(1+h)(1+h)^2-(1+h)=1+2h+h^2-1-h=h+h^2=h(1+h). Donc

τ(h)=h(1+h)h=1+h(h≠0).\tau(h)=\frac{h(1+h)}{h}=\boxed{1+h}\qquad(h\neq 0).
Exercice 44

Un mobile se déplace : sa position (en mètres) au temps xx (en secondes) est donnée par y=f(x)=x2y=f(x)=x^2. Calculer sa vitesse moyenne entre les instants t=2t=2 s et t=5t=5 s.

La vitesse moyenne entre t=2t=2 s et t=5t=5 s est le taux d'accroissement entre ces deux instants :

vmoy=f(5)−f(2)5−2=52−223=25−43=213=7 m/s.v_{\text{moy}}=\frac{f(5)-f(2)}{5-2}=\frac{5^2-2^2}{3}=\frac{25-4}{3}=\frac{21}{3} =\boxed{7\ \text{m/s}}.
Exercice 55

On considère deux points d'une courbe : A(1 ;2)A(1\,;2) et B(4 ;8)B(4\,;8). Calculer la pente de la sécante (AB)(AB).

La pente de la droite passant par A(1 ;2)A(1\,;2) et B(4 ;8)B(4\,;8) est le rapport de la variation des ordonnées sur celle des abscisses :

pente=yB−yAxB−xA=8−24−1=63=2.\text{pente}=\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}=\frac{8-2}{4-1}=\frac{6}{3}=\boxed{2}.
Exercice 66

Soit f(x)=x2+1f(x)=x^2+1. Calculer le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) entre x0=3x_0=3 et 3+h3+h, puis simplifier.

τ(h)=f(3+h)−f(3)h=[(3+h)2+1]−[32+1]h.\tau(h)=\frac{f(3+h)-f(3)}{h}=\frac{\big[(3+h)^2+1\big]-\big[3^2+1\big]}{h}.

Le numérateur vaut (9+6h+h2+1)−10=6h+h2=h(6+h)(9+6h+h^2+1)-10=6h+h^2=h(6+h), donc

τ(h)=h(6+h)h=6+h(h≠0).\tau(h)=\frac{h(6+h)}{h}=\boxed{6+h}\qquad(h\neq 0).
Exercice 77

Soit f(x)=x2−2xf(x)=x^2-2x. Calculer la variation moyenne de ff entre a=0a=0 et b=3b=3.

Avec f(0)=0f(0)=0 et f(3)=9−6=3f(3)=9-6=3 :

f(3)−f(0)3−0=3−03=1.\frac{f(3)-f(0)}{3-0}=\frac{3-0}{3}=\boxed{1}.
Exercice 88

Soit f(x)=−2x+5f(x)=-2x+5. Calculer le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) en un point x0x_0 quelconque. Que constate-t-on, et pourquoi ?

τ(h)=(−2(x0+h)+5)−(−2x0+5)h=−2hh=−2.\tau(h)=\frac{\big(-2(x_0+h)+5\big)-\big(-2x_0+5\big)}{h}=\frac{-2h}{h}=\boxed{-2}.

Le taux est constant, égal à −2-2 : la courbe est une droite de pente −2-2 (décroissante), toutes ses sécantes ont la même pente.

Exercice 99

On donne deux points d'une courbe : A(−1 ;3)A(-1\,;3) et B(2 ;−3)B(2\,;-3). Calculer la pente de la sécante (AB)(AB).

pente=yB−yAxB−xA=−3−32−(−1)=−63=−2.\text{pente}=\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}=\frac{-3-3}{2-(-1)}=\frac{-6}{3}=\boxed{-2}.
Exercice 1010

La position (en mètres) d'un mobile au temps xx (en secondes) est y=f(x)=x2+xy=f(x)=x^2+x. Calculer sa vitesse moyenne entre les instants t=1t=1 s et t=4t=4 s.

Avec f(1)=1+1=2f(1)=1+1=2 et f(4)=16+4=20f(4)=16+4=20 :

vmoy=f(4)−f(1)4−1=20−23=183=6 m/s.v_{\text{moy}}=\frac{f(4)-f(1)}{4-1}=\frac{20-2}{3}=\frac{18}{3}=\boxed{6\ \text{m/s}}.
Exercice 1111

Soit f(x)=x2f(x)=x^2. Calculer le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) entre x0=−1x_0=-1 et −1+h-1+h, puis simplifier.

τ(h)=(−1+h)2−(−1)2h=(1−2h+h2)−1h=−2h+h2h=−2+h(h≠0).\tau(h)=\frac{(-1+h)^2-(-1)^2}{h}=\frac{(1-2h+h^2)-1}{h}=\frac{-2h+h^2}{h} =\boxed{-2+h}\qquad(h\neq 0).
Exercice 1212

Soit f(x)=x2f(x)=x^2 étudiée au point x0=1x_0=1.

  1. a)

    Montrer que le taux d'accroissement entre 11 et 1+h1+h vaut τ(h)=2+h\tau(h)=2+h.

    τ(h)=(1+h)2−12h=2h+h2h=2+h\displaystyle \tau(h)=\frac{(1+h)^2-1^2}{h}=\frac{2h+h^2}{h}=\boxed{2+h}.

  2. b)

    Calculer τ(0,1)\tau(0{,}1) et τ(0,01)\tau(0{,}01) ; vers quelle valeur τ(h)\tau(h) semble-t-il se rapprocher quand hh devient très petit ?

    τ(0,1)=2,1\tau(0{,}1)=2{,}1 et τ(0,01)=2,01\tau(0{,}01)=2{,}01. Quand hh devient très petit, τ(h)=2+h\tau(h)=2+h se rapproche de 2\boxed{2} : c'est la pente de la tangente en 11.

Exercice 1313

La courbe Cf\mathcal{C}_f ci-dessous passe par les points AA et BB à coordonnées entières. Lire leurs coordonnées, puis en déduire la pente de la sécante (AB)(AB).

On lit A(0 ;1)A(0\,;1) et B(2 ;5)B(2\,;5). La pente de la sécante (AB)(AB) est

yB−yAxB−xA=5−12−0=42=2.\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}=\frac{5-1}{2-0}=\frac{4}{2}=\boxed{2}.
Exercice 1414

Soit f(x)=10−x2f(x)=10-x^2. Calculer la variation moyenne de ff entre a=1a=1 et b=3b=3. Quel est le signe du résultat, et que traduit-il sur ff ?

Avec f(1)=9f(1)=9 et f(3)=1f(3)=1 :

f(3)−f(1)3−1=1−92=−82=−4.\frac{f(3)-f(1)}{3-1}=\frac{1-9}{2}=\frac{-8}{2}=\boxed{-4}.

Le résultat est négatif : en moyenne, ff décroît sur [1 ;3][1\,;3].

Exercice 1515

Soit f(x)=x2+2f(x)=x^2+2.

  1. a)

    Calculer le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) entre x0=1x_0=1 et 1+h1+h, puis simplifier.

    τ(h)=[(1+h)2+2]−[12+2]h=2h+h2h=2+h\displaystyle \tau(h)=\frac{\big[(1+h)^2+2\big]-\big[1^2+2\big]}{h} =\frac{2h+h^2}{h}=\boxed{2+h}.

  2. b)

    En déduire la pente de la sécante joignant les points d'abscisses 11 et 22.

    La sécante entre les abscisses 11 et 22 correspond à h=1h=1, donc sa pente vaut τ(1)=2+1=3\tau(1)=2+1=\boxed{3}.

Moyen15 exercices
Exercice 11

Soit f(x)=x2f(x)=x^2. Montrer, par la définition (passage à la limite), que f′(x0)=2x0f'(x_0)=2x_0.

Taux d'accroissement : τ(h)=(x0+h)2−x02h\displaystyle \tau(h)=\frac{(x_0+h)^2-x_0^2}{h}.
Numérateur : (x0+h)2−x02=x02+2x0h+h2−x02=2x0h+h2=h(2x0+h)(x_0+h)^2-x_0^2=x_0^2+2x_0h+h^2-x_0^2=2x_0h+h^2=h(2x_0+h).
Simplification par hh : τ(h)=h(2x0+h)h=2x0+h\displaystyle \tau(h)=\frac{h(2x_0+h)}{h}=2x_0+h.
Limite : f′(x0)=lim⁡h→0(2x0+h)=2x0\displaystyle f'(x_0)=\lim_{h\to 0}(2x_0+h)=\boxed{2x_0}. □\square

Exercice 22

Soit f(x)=x2+3xf(x)=x^2+3x. Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition.

τ(h)=[(x0+h)2+3(x0+h)]−[x02+3x0]h.\tau(h)=\frac{\big[(x_0+h)^2+3(x_0+h)\big]-\big[x_0^2+3x_0\big]}{h}.

Numérateur : x02+2x0h+h2+3x0+3h−x02−3x0=2x0h+h2+3h=h(2x0+h+3)x_0^2+2x_0h+h^2+3x_0+3h-x_0^2-3x_0=2x_0h+h^2+3h=h(2x_0+h+3). Donc

τ(h)=2x0+h+3 →h→0 2x0+3.\tau(h)=2x_0+h+3\ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{2x_0+3}.
Exercice 33

Soit f(x)=x3f(x)=x^3. Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition. Indication : développer (x0+h)3=x03+3x02h+3x0h2+h3(x_0+h)^3=x_0^3+3x_0^2h+3x_0h^2+h^3.

τ(h)=(x0+h)3−x03h.\tau(h)=\frac{(x_0+h)^3-x_0^3}{h}.

On développe : (x0+h)3=x03+3x02h+3x0h2+h3(x_0+h)^3=x_0^3+3x_0^2h+3x_0h^2+h^3, donc le numérateur vaut

3x02h+3x0h2+h3=h(3x02+3x0h+h2).3x_0^2h+3x_0h^2+h^3=h\big(3x_0^2+3x_0h+h^2\big).

D'où τ(h)=3x02+3x0h+h2\displaystyle \tau(h)=3x_0^2+3x_0h+h^2, et en faisant h→0h\to 0 :

f′(x0)=3x02.f'(x_0)=\boxed{3x_0^2}.
Exercice 44

Soit f(x)=1xf(x)=\dfrac{1}{x} (avec x0≠0x_0\neq 0). Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition.

τ(h)=1x0+h−1x0h.\tau(h)=\frac{\dfrac{1}{x_0+h}-\dfrac{1}{x_0}}{h}.

On réduit le numérateur au même dénominateur x0(x0+h)x_0(x_0+h) :

1x0+h−1x0=x0−(x0+h)x0(x0+h)=−hx0(x0+h).\frac{1}{x_0+h}-\frac{1}{x_0}=\frac{x_0-(x_0+h)}{x_0(x_0+h)}=\frac{-h}{x_0(x_0+h)}.

Donc

τ(h)=1h⋅−hx0(x0+h)=−1x0(x0+h) →h→0 −1x0⋅x0=−1x02.\tau(h)=\frac{1}{h}\cdot\frac{-h}{x_0(x_0+h)}=\frac{-1}{x_0(x_0+h)} \ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \frac{-1}{x_0\cdot x_0}=\boxed{-\frac{1}{x_0^{2}}}.
Exercice 55

Un mobile en mouvement rectiligne uniformément accéléré a pour position y=f(x)=2x2y=f(x)=2x^2 (en mètres, xx en secondes). Calculer la vitesse instantanée f′(x0)f'(x_0) par la définition, puis en déduire la vitesse à l'instant t=3t=3 s.

Vitesse instantanée par la définition :

τ(h)=2(x0+h)2−2x02h=2(x02+2x0h+h2)−2x02h=4x0h+2h2h=4x0+2h.\tau(h)=\frac{2(x_0+h)^2-2x_0^2}{h} =\frac{2\big(x_0^2+2x_0h+h^2\big)-2x_0^2}{h} =\frac{4x_0h+2h^2}{h}=4x_0+2h.

En faisant h→0h\to 0 : f′(x0)=4x0\displaystyle f'(x_0)=\boxed{4x_0}.
À l'instant t=3t=3 s : f′(3)=4×3=12 m/sf'(3)=4\times 3=\boxed{12\ \text{m/s}}.

Exercice 66

Soit f(x)=x2−4x+1f(x)=x^2-4x+1.

  1. a)

    Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition.

    Numérateur du taux : [(x0+h)2−4(x0+h)+1]−[x02−4x0+1]=2x0h+h2−4h=h(2x0+h−4)\big[(x_0+h)^2-4(x_0+h)+1\big]-\big[x_0^2-4x_0+1\big] =2x_0h+h^2-4h=h(2x_0+h-4). D'où τ(h)=2x0+h−4 →h→0 2x0−4\displaystyle\tau(h)=2x_0+h-4\ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{2x_0-4}.

  2. b)

    En déduire f′(1)f'(1).

    f′(1)=2×1−4=−2f'(1)=2\times 1-4=\boxed{-2}.

Exercice 77

Soit f(x)=5x2f(x)=5x^2. Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition.

τ(h)=5(x0+h)2−5x02h=5(2x0h+h2)h=5(2x0+h) →h→0 10x0.\tau(h)=\frac{5(x_0+h)^2-5x_0^2}{h}=\frac{5\big(2x_0h+h^2\big)}{h}=5(2x_0+h) \ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{10x_0}.
Exercice 88

Soit f(x)=x2f(x)=x^2. Calculer directement le nombre dérivé f′(3)f'(3) par la définition (sans utiliser de formule toute faite).

τ(h)=f(3+h)−f(3)h=(3+h)2−9h=6h+h2h=6+h →h→0 f′(3)=6.\tau(h)=\frac{f(3+h)-f(3)}{h}=\frac{(3+h)^2-9}{h}=\frac{6h+h^2}{h}=6+h \ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{f'(3)=6}.
Exercice 99

Soit f(x)=2xf(x)=\dfrac{2}{x} (avec x0≠0x_0\neq 0). Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition.

τ(h)=1h(2x0+h−2x0)=1h⋅2x0−2(x0+h)x0(x0+h)=1h⋅−2hx0(x0+h)=−2x0(x0+h).\tau(h)=\frac{1}{h}\left(\frac{2}{x_0+h}-\frac{2}{x_0}\right) =\frac{1}{h}\cdot\frac{2x_0-2(x_0+h)}{x_0(x_0+h)} =\frac{1}{h}\cdot\frac{-2h}{x_0(x_0+h)}=\frac{-2}{x_0(x_0+h)}.

En faisant h→0h\to 0 : f′(x0)=−2x02\displaystyle f'(x_0)=\boxed{-\dfrac{2}{x_0^{2}}}.

Exercice 1010

Soit f(x)=x3−xf(x)=x^3-x. Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition. Indication : (x0+h)3=x03+3x02h+3x0h2+h3(x_0+h)^3=x_0^3+3x_0^2h+3x_0h^2+h^3.

Le numérateur du taux vaut

[(x0+h)3−(x0+h)]−[x03−x0]=3x02h+3x0h2+h3−h=h(3x02+3x0h+h2−1).\big[(x_0+h)^3-(x_0+h)\big]-\big[x_0^3-x_0\big] =3x_0^2h+3x_0h^2+h^3-h=h\big(3x_0^2+3x_0h+h^2-1\big).

Donc τ(h)=3x02+3x0h+h2−1 →h→0 3x02−1\displaystyle\tau(h)=3x_0^2+3x_0h+h^2-1\ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{3x_0^2-1}.

Exercice 1111

Soit f(x)=−x2+6xf(x)=-x^2+6x.

  1. a)

    Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition.

    Numérateur : −[(x0+h)2−x02]+6h=−(2x0h+h2)+6h=h(−2x0−h+6)-\big[(x_0+h)^2-x_0^2\big]+6h=-(2x_0h+h^2)+6h=h(-2x_0-h+6). D'où τ(h)=−2x0−h+6 →h→0 −2x0+6\displaystyle\tau(h)=-2x_0-h+6\ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{-2x_0+6}.

  2. b)

    Pour quelle abscisse x0x_0 le nombre dérivé est-il nul ? Interpréter.

    f′(x0)=0 ⟺ −2x0+6=0 ⟺ x0=3f'(x_0)=0\iff -2x_0+6=0\iff \boxed{x_0=3}. En ce point la tangente est horizontale : c'est le sommet de la parabole.

Exercice 1212

La position (en mètres) d'un mobile au temps xx (en secondes) est y=f(x)=3x2+xy=f(x)=3x^2+x.

  1. a)

    Calculer la vitesse instantanée f′(x0)f'(x_0) par la définition.

    τ(h)=[3(x0+h)2+(x0+h)]−[3x02+x0]h=6x0h+3h2+hh=6x0+3h+1\displaystyle\tau(h)=\frac{\big[3(x_0+h)^2+(x_0+h)\big]-\big[3x_0^2+x_0\big]}{h} =\frac{6x_0h+3h^2+h}{h}=6x_0+3h+1, donc f′(x0)=6x0+1\displaystyle f'(x_0)=\boxed{6x_0+1}.

  2. b)

    En déduire la vitesse à l'instant t=2t=2 s.

    f′(2)=6×2+1=13 m/sf'(2)=6\times 2+1=\boxed{13\ \text{m/s}}.

Exercice 1313

La tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse x0=2x_0=2 est tracée ci-dessous. En lisant deux points à coordonnées entières de cette tangente, déterminer le nombre dérivé f′(2)f'(2).

On lit deux points entiers de la tangente : (2 ;3)(2\,;3) et (3 ;7)(3\,;7). Le nombre dérivé f′(2)f'(2) est la pente de cette tangente :

f′(2)=7−33−2=41=4.f'(2)=\frac{7-3}{3-2}=\frac{4}{1}=\boxed{4}.
Exercice 1414

Soit f(x)=ax2f(x)=ax^2, où aa est une constante. Montrer, par la définition, que f′(x0)=2ax0f'(x_0)=2ax_0.

τ(h)=a(x0+h)2−ax02h=a(2x0h+h2)h=a(2x0+h) →h→0 2ax0.□\tau(h)=\frac{a(x_0+h)^2-ax_0^2}{h}=\frac{a\big(2x_0h+h^2\big)}{h}=a(2x_0+h) \ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{2ax_0}. \qquad\square
Exercice 1515

Soit f(x)=2x2−3x+4f(x)=2x^2-3x+4.

  1. a)

    Calculer f′(x0)f'(x_0) par la définition.

    Numérateur : 2[(x0+h)2−x02]−3h=2(2x0h+h2)−3h=h(4x0+2h−3)2\big[(x_0+h)^2-x_0^2\big]-3h=2(2x_0h+h^2)-3h=h(4x_0+2h-3). D'où τ(h)=4x0+2h−3 →h→0 4x0−3\displaystyle\tau(h)=4x_0+2h-3\ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{4x_0-3}.

  2. b)

    Calculer f′(0)f'(0) et interpréter son signe géométriquement.

    f′(0)=−3<0f'(0)=-3<0 : la tangente en x=0x=0 a une pente négative, donc ff est décroissante au voisinage de 00.

Difficile14 exercices
Exercice 11 — fonction racine

Soit f(x)=xf(x)=\sqrt{x} avec x0>0x_0>0.

  1. Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h).
  2. Multiplier numérateur et dénominateur par la quantité conjuguée x0+h+x0\sqrt{x_0+h}+\sqrt{x_0}.
  3. En déduire f′(x0)=12x0\displaystyle f'(x_0)=\frac{1}{2\sqrt{x_0}}.
  4. Calculer f′(4)f'(4).

a) τ(h)=x0+h−x0h\displaystyle \tau(h)=\frac{\sqrt{x_0+h}-\sqrt{x_0}}{h}.
b) On multiplie numérateur et dénominateur par le conjugué x0+h+x0\sqrt{x_0+h}+\sqrt{x_0} :

τ(h)=(x0+h−x0)(x0+h+x0)h(x0+h+x0)=(x0+h)−x0h(x0+h+x0).\tau(h)=\frac{\big(\sqrt{x_0+h}-\sqrt{x_0}\big)\big(\sqrt{x_0+h}+\sqrt{x_0}\big)} {h\big(\sqrt{x_0+h}+\sqrt{x_0}\big)} =\frac{(x_0+h)-x_0}{h\big(\sqrt{x_0+h}+\sqrt{x_0}\big)}.

Le numérateur se simplifie en hh :

τ(h)=hh(x0+h+x0)=1x0+h+x0.\tau(h)=\frac{h}{h\big(\sqrt{x_0+h}+\sqrt{x_0}\big)} =\frac{1}{\sqrt{x_0+h}+\sqrt{x_0}}.

c) On fait h→0h\to 0 ; comme x0+h→x0\sqrt{x_0+h}\to\sqrt{x_0} :

f′(x0)=1x0+x0=12x0.f'(x_0)=\frac{1}{\sqrt{x_0}+\sqrt{x_0}}=\boxed{\frac{1}{2\sqrt{x_0}}}.

d) f′(4)=124=12×2=14\displaystyle f'(4)=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\frac{1}{2\times 2}=\boxed{\frac{1}{4}}.

Exercice 22 — mobile MRUA

Un mobile a pour position y=f(x)=12x2+2xy=f(x)=\tfrac{1}{2}x^2+2x (vitesse initiale 22 m/s, accélération 11 m/s2^2).

  1. Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h).
  2. Développer et simplifier.
  3. En déduire f′(x0)=x0+2f'(x_0)=x_0+2.
  4. Calculer la vitesse instantanée à l'instant t=3t=3 s.

a) τ(h)=[12(x0+h)2+2(x0+h)]−[12x02+2x0]h\displaystyle \tau(h)=\frac{\big[\tfrac12(x_0+h)^2+2(x_0+h)\big] -\big[\tfrac12 x_0^2+2x_0\big]}{h}.
b) On développe le numérateur :

12(x02+2x0h+h2)+2x0+2h−12x02−2x0=x0h+12h2+2h=h(x0+12h+2).\tfrac12\big(x_0^2+2x_0h+h^2\big)+2x_0+2h-\tfrac12 x_0^2-2x_0 =x_0h+\tfrac12 h^2+2h=h\Big(x_0+\tfrac12 h+2\Big).

Après simplification par hh : τ(h)=x0+12h+2\displaystyle \tau(h)=x_0+\tfrac12 h+2.
c) En faisant h→0h\to 0 : f′(x0)=x0+2\displaystyle f'(x_0)=\boxed{x_0+2}.
d) À t=3t=3 s : f′(3)=3+2=5 m/sf'(3)=3+2=\boxed{5\ \text{m/s}}.

Exercice 33 — fonction homographique

Soit f(x)=1x+1f(x)=\dfrac{1}{x+1} avec x0≠−1x_0\neq -1.

  1. Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h).
  2. Réduire le numérateur au même dénominateur.
  3. En déduire f′(x0)=−1(x0+1)2\displaystyle f'(x_0)=-\frac{1}{(x_0+1)^2}.

a) τ(h)=1h(1x0+h+1−1x0+1)\displaystyle \tau(h)=\frac{1}{h}\left(\frac{1}{x_0+h+1}-\frac{1}{x_0+1}\right).
b) On réduit au même dénominateur (x0+h+1)(x0+1)(x_0+h+1)(x_0+1) :

1x0+h+1−1x0+1=(x0+1)−(x0+h+1)(x0+h+1)(x0+1)=−h(x0+h+1)(x0+1).\frac{1}{x_0+h+1}-\frac{1}{x_0+1} =\frac{(x_0+1)-(x_0+h+1)}{(x_0+h+1)(x_0+1)} =\frac{-h}{(x_0+h+1)(x_0+1)}.

Donc

τ(h)=1h⋅−h(x0+h+1)(x0+1)=−1(x0+h+1)(x0+1).\tau(h)=\frac{1}{h}\cdot\frac{-h}{(x_0+h+1)(x_0+1)} =\frac{-1}{(x_0+h+1)(x_0+1)}.

c) En faisant h→0h\to 0 (alors x0+h+1→x0+1x_0+h+1\to x_0+1) :

f′(x0)=−1(x0+1)(x0+1)=−1(x0+1)2.f'(x_0)=\frac{-1}{(x_0+1)(x_0+1)}=\boxed{-\frac{1}{(x_0+1)^2}}.
Exercice 44 — valeur absolue, point anguleux

Soit f(x)=∣x∣f(x)=|x| que l'on étudie en x0=0x_0=0.

  1. Calculer le taux d'accroissement τ(h)=f(0+h)−f(0)h\tau(h)=\dfrac{f(0+h)-f(0)}{h} d'abord pour h>0h>0, puis pour h<0h<0.
  2. Que valent les limites de τ(h)\tau(h) à droite (h→0+h\to 0^+) et à gauche (h→0−h\to 0^-) ?
  3. Conclure : ff est-elle dérivable en 00 ? Interpréter géométriquement.

Ici f(0)=0f(0)=0, donc τ(h)=∣0+h∣−∣0∣h=∣h∣h\displaystyle \tau(h)=\frac{|0+h|-|0|}{h}=\frac{|h|}{h}.
a) Selon le signe de hh :

  • si h>0h>0 : ∣h∣=h|h|=h, donc τ(h)=hh=1\displaystyle\tau(h)=\frac{h}{h}=1 ;
  • si h<0h<0 : ∣h∣=−h|h|=-h, donc τ(h)=−hh=−1\displaystyle\tau(h)=\frac{-h}{h}=-1.

b) Les limites latérales sont donc

lim⁡h→0+τ(h)=1etlim⁡h→0−τ(h)=−1.\lim_{h\to 0^+}\tau(h)=1 \qquad\text{et}\qquad \lim_{h\to 0^-}\tau(h)=-1.

c) Les deux limites latérales existent mais sont différentes (1≠−11\neq -1) : la limite lim⁡h→0τ(h)\lim_{h\to 0}\tau(h) n'existe pas. Par conséquent ff n'est pas dérivable en 00. Géométriquement, la courbe présente en OO un point anguleux : elle admet une demi-tangente de pente 11 à droite et une demi-tangente de pente −1-1 à gauche, sans tangente unique.

Exercice 55 — racine décalée

Soit f(x)=x+3f(x)=\sqrt{x+3} avec x0>−3x_0>-3.

  1. a)

    Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h).

    τ(h)=x0+h+3−x0+3h\displaystyle \tau(h)=\frac{\sqrt{x_0+h+3}-\sqrt{x_0+3}}{h}.

  2. b)

    Multiplier par la quantité conjuguée x0+h+3+x0+3\sqrt{x_0+h+3}+\sqrt{x_0+3}.

    En multipliant haut et bas par x0+h+3+x0+3\sqrt{x_0+h+3}+\sqrt{x_0+3} :

    τ(h)=(x0+h+3)−(x0+3)h(x0+h+3+x0+3)=hh(x0+h+3+x0+3)=1x0+h+3+x0+3.\tau(h)=\frac{(x_0+h+3)-(x_0+3)}{h\big(\sqrt{x_0+h+3}+\sqrt{x_0+3}\big)} =\frac{h}{h\big(\sqrt{x_0+h+3}+\sqrt{x_0+3}\big)} =\frac{1}{\sqrt{x_0+h+3}+\sqrt{x_0+3}}.
  3. c)

    En déduire f′(x0)=12x0+3\displaystyle f'(x_0)=\frac{1}{2\sqrt{x_0+3}}.

    Quand h→0h\to 0 : f′(x0)=12x0+3\displaystyle f'(x_0)=\frac{1}{2\sqrt{x_0+3}}.

  4. d)

    Calculer f′(1)f'(1).

    f′(1)=124=14\displaystyle f'(1)=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\boxed{\dfrac{1}{4}}.

Exercice 66 — inverse d'une racine

Soit f(x)=1xf(x)=\dfrac{1}{\sqrt{x}} avec x0>0x_0>0.

  1. a)

    Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) et réduire les deux fractions au même dénominateur.

    τ(h)=1h(1x0+h−1x0)=x0−x0+hh x0 x0+h\displaystyle \tau(h)=\frac{1}{h}\left(\frac{1}{\sqrt{x_0+h}}-\frac{1}{\sqrt{x_0}}\right) =\frac{\sqrt{x_0}-\sqrt{x_0+h}}{h\,\sqrt{x_0}\,\sqrt{x_0+h}}.

  2. b)

    Faire apparaître la quantité conjuguée x0+x0+h\sqrt{x_0}+\sqrt{x_0+h} pour lever l'indétermination.

    On multiplie haut et bas par x0+x0+h\sqrt{x_0}+\sqrt{x_0+h} ; le numérateur devient x0−(x0+h)=−hx_0-(x_0+h)=-h :

    τ(h)=−hh x0 x0+h (x0+x0+h)=−1x0 x0+h (x0+x0+h).\tau(h)=\frac{-h}{h\,\sqrt{x_0}\,\sqrt{x_0+h}\,\big(\sqrt{x_0}+\sqrt{x_0+h}\big)} =\frac{-1}{\sqrt{x_0}\,\sqrt{x_0+h}\,\big(\sqrt{x_0}+\sqrt{x_0+h}\big)}.
  3. c)

    En déduire f′(x0)=−12x0x0\displaystyle f'(x_0)=-\frac{1}{2x_0\sqrt{x_0}}.

    Quand h→0h\to 0, le dénominateur tend vers x0⋅x0⋅2x0=2x0x0\sqrt{x_0}\cdot\sqrt{x_0}\cdot 2\sqrt{x_0}=2x_0\sqrt{x_0}, d'où f′(x0)=−12x0x0\displaystyle f'(x_0)=\boxed{-\dfrac{1}{2x_0\sqrt{x_0}}}.

Exercice 77 — raccord de deux morceaux

Soit ff définie par f(x)=x2f(x)=x^2 si x≤1x\leq 1 et f(x)=2x−1f(x)=2x-1 si x>1x>1. On étudie la dérivabilité en x0=1x_0=1.

  1. a)

    Vérifier que ff est continue en 11.

    À gauche x2→1x^2\to 1, à droite 2x−1→12x-1\to 1, et f(1)=1f(1)=1 : ff est continue en 11.

  2. b)

    Calculer la limite de τ(h)\tau(h) pour h<0h<0 (dérivée à gauche).

    Pour h<0h<0 on a 1+h<11+h<1, donc f(1+h)=(1+h)2f(1+h)=(1+h)^2 : τ(h)=(1+h)2−1h=2h+h2h=2+h →h→0− 2\displaystyle\tau(h)=\frac{(1+h)^2-1}{h}=\frac{2h+h^2}{h}=2+h \ \xrightarrow[h\to 0^-]{}\ 2.

  3. c)

    Calculer la limite de τ(h)\tau(h) pour h>0h>0 (dérivée à droite).

    Pour h>0h>0 on a 1+h>11+h>1, donc f(1+h)=2(1+h)−1=1+2hf(1+h)=2(1+h)-1=1+2h : τ(h)=(1+2h)−1h=2hh=2 →h→0+ 2\displaystyle\tau(h)=\frac{(1+2h)-1}{h}=\frac{2h}{h}=2\ \xrightarrow[h\to 0^+]{}\ 2.

  4. d)

    Conclure : ff est-elle dérivable en 11 ? Si oui, donner f′(1)f'(1).

    Les deux dérivées latérales sont égales à 22 : ff est dérivable en 11, avec f′(1)=2\boxed{f'(1)=2} (raccord lisse, tangente unique).

Exercice 88 — tangente verticale

Soit f(x)=xf(x)=\sqrt{x} que l'on étudie en x0=0x_0=0.

  1. a)

    Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h) pour h>0h>0 et le simplifier.

    f(0)=0f(0)=0, donc pour h>0h>0 : τ(h)=h−0h=hh=1h\displaystyle\tau(h)=\frac{\sqrt{h}-0}{h}=\frac{\sqrt{h}}{h}=\frac{1}{\sqrt{h}}.

  2. b)

    Déterminer la limite de τ(h)\tau(h) quand h→0+h\to 0^+.

    Quand h→0+h\to 0^+, h→0+\sqrt{h}\to 0^+ donc lim⁡h→0+1h=+∞\displaystyle\lim_{h\to 0^+}\frac{1}{\sqrt{h}}=+\infty.

  3. c)

    ff est-elle dérivable en 00 ? Interpréter géométriquement.

    La limite n'est pas un nombre réel (+∞+\infty) : ff n'est pas dérivable en 00. Géométriquement, la courbe admet en OO une tangente verticale.

Exercice 99 — déterminer deux paramètres

Soit ff définie par f(x)=x2+1f(x)=x^2+1 si x≤2x\leq 2 et f(x)=ax+bf(x)=ax+b si x>2x>2. On cherche aa et bb pour que ff soit dérivable en x0=2x_0=2.

  1. a)

    Écrire la condition de continuité en 22.

    À gauche f(2)=22+1=5f(2)=2^2+1=5 ; à droite la limite est 2a+b2a+b. Continuité : 2a+b=5\boxed{2a+b=5}.

  2. b)

    Calculer la dérivée à gauche f′(2−)f'(2^-) par la définition.

    Pour h<0h<0, f(2+h)=(2+h)2+1f(2+h)=(2+h)^2+1 : τ(h)=[(2+h)2+1]−5h=4h+h2h=4+h →h→0− f′(2−)=4\displaystyle\tau(h)=\frac{\big[(2+h)^2+1\big]-5}{h}=\frac{4h+h^2}{h}=4+h \ \xrightarrow[h\to 0^-]{}\ f'(2^-)=4.

  3. c)

    En déduire la valeur de aa.

    À droite, f(2+h)=a(2+h)+bf(2+h)=a(2+h)+b donne τ(h)=ahh=a\displaystyle\tau(h)=\frac{ah}{h}=a, donc f′(2+)=af'(2^+)=a. La dérivabilité impose f′(2−)=f′(2+)f'(2^-)=f'(2^+), d'où a=4\boxed{a=4}.

  4. d)

    En déduire alors la valeur de bb.

    En reportant dans 2a+b=52a+b=5 : 8+b=58+b=5, donc b=−3\boxed{b=-3} (le morceau de droite est y=4x−3y=4x-3).

Exercice 1010 — fonction homographique

Soit f(x)=xx+1f(x)=\dfrac{x}{x+1} avec x0≠−1x_0\neq -1.

  1. a)

    Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h).

    τ(h)=1h(x0+hx0+h+1−x0x0+1)\displaystyle\tau(h)=\frac{1}{h}\left(\frac{x_0+h}{x_0+h+1}-\frac{x_0}{x_0+1}\right).

  2. b)

    Réduire au même dénominateur et simplifier par hh.

    Au même dénominateur (x0+h+1)(x0+1)(x_0+h+1)(x_0+1), le numérateur vaut

    (x0+h)(x0+1)−x0(x0+h+1)=x02+x0+hx0+h−x02−hx0−x0=h.(x_0+h)(x_0+1)-x_0(x_0+h+1)=x_0^2+x_0+hx_0+h-x_0^2-hx_0-x_0=h.

    Donc τ(h)=1h⋅h(x0+h+1)(x0+1)=1(x0+h+1)(x0+1)\displaystyle\tau(h)=\frac{1}{h}\cdot\frac{h}{(x_0+h+1)(x_0+1)} =\frac{1}{(x_0+h+1)(x_0+1)}.

  3. c)

    En déduire f′(x0)=1(x0+1)2\displaystyle f'(x_0)=\frac{1}{(x_0+1)^2}.

    Quand h→0h\to 0 : f′(x0)=1(x0+1)2\displaystyle f'(x_0)=\boxed{\dfrac{1}{(x_0+1)^2}}.

Exercice 1111 — dérivable malgré un changement de forme

Soit f(x)=x ∣x∣f(x)=x\,|x| que l'on étudie en x0=0x_0=0.

  1. a)

    Montrer que τ(h)=f(0+h)−f(0)h=∣h∣\tau(h)=\dfrac{f(0+h)-f(0)}{h}=|h|.

    f(0)=0f(0)=0, donc τ(h)=h ∣h∣−0h=∣h∣\displaystyle\tau(h)=\frac{h\,|h|-0}{h}=|h|.

  2. b)

    Déterminer les limites de τ(h)\tau(h) à droite et à gauche de 00.

    lim⁡h→0+∣h∣=0\displaystyle\lim_{h\to 0^+}|h|=0 et lim⁡h→0−∣h∣=0\displaystyle\lim_{h\to 0^-}|h|=0 : les deux limites latérales valent 00.

  3. c)

    Conclure : ff est-elle dérivable en 00 ? Si oui, donner f′(0)f'(0).

    Les limites latérales existent et sont égales : lim⁡h→0τ(h)=0\lim_{h\to 0}\tau(h)=0 existe, donc ff est dérivable en 00 avec f′(0)=0\boxed{f'(0)=0}. Contrairement à ∣x∣|x|, la fonction x∣x∣x|x| admet en OO une tangente horizontale unique.

Exercice 1212 — racine d'une fonction affine

Soit f(x)=2x+1f(x)=\sqrt{2x+1} avec x0>−12x_0>-\tfrac{1}{2}.

  1. a)

    Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h).

    τ(h)=2(x0+h)+1−2x0+1h=2x0+2h+1−2x0+1h\displaystyle\tau(h)=\frac{\sqrt{2(x_0+h)+1}-\sqrt{2x_0+1}}{h} =\frac{\sqrt{2x_0+2h+1}-\sqrt{2x_0+1}}{h}.

  2. b)

    Multiplier par la quantité conjuguée.

    En multipliant par le conjugué 2x0+2h+1+2x0+1\sqrt{2x_0+2h+1}+\sqrt{2x_0+1}, le numérateur devient (2x0+2h+1)−(2x0+1)=2h(2x_0+2h+1)-(2x_0+1)=2h :

    τ(h)=2hh(2x0+2h+1+2x0+1)=22x0+2h+1+2x0+1.\tau(h)=\frac{2h}{h\big(\sqrt{2x_0+2h+1}+\sqrt{2x_0+1}\big)} =\frac{2}{\sqrt{2x_0+2h+1}+\sqrt{2x_0+1}}.
  3. c)

    En déduire f′(x0)=12x0+1\displaystyle f'(x_0)=\frac{1}{\sqrt{2x_0+1}}.

    Quand h→0h\to 0 : f′(x0)=222x0+1=12x0+1\displaystyle f'(x_0)=\frac{2}{2\sqrt{2x_0+1}} =\boxed{\dfrac{1}{\sqrt{2x_0+1}}}.

Exercice 1313 — projectile

La hauteur (en mètres) d'un projectile au temps xx (en secondes) est y=f(x)=−5x2+20xy=f(x)=-5x^2+20x.

  1. a)

    Calculer la vitesse instantanée f′(x0)f'(x_0) par la définition.

    Numérateur : −5[(x0+h)2−x02]+20h=−5(2x0h+h2)+20h=h(−10x0−5h+20)-5\big[(x_0+h)^2-x_0^2\big]+20h=-5(2x_0h+h^2)+20h =h(-10x_0-5h+20). D'où τ(h)=−10x0−5h+20 →h→0 f′(x0)=−10x0+20\displaystyle\tau(h)=-10x_0-5h+20\ \xrightarrow[h\to 0]{}\ \boxed{f'(x_0)=-10x_0+20}.

  2. b)

    À quel instant la vitesse s'annule-t-elle ?

    f′(x0)=0 ⟺ −10x0+20=0 ⟺ x0=2 sf'(x_0)=0\iff -10x_0+20=0\iff x_0=\boxed{2\ \text{s}}.

  3. c)

    En déduire la hauteur maximale atteinte.

    La hauteur est maximale à cet instant (vitesse nulle au sommet) : f(2)=−5×4+20×2=−20+40=20 mf(2)=-5\times 4+20\times 2=-20+40=\boxed{20\ \text{m}}.

Exercice 1414 — inverse d'un carré

Soit f(x)=1x2f(x)=\dfrac{1}{x^2} avec x0≠0x_0\neq 0.

  1. a)

    Écrire le taux d'accroissement τ(h)\tau(h).

    τ(h)=1h(1(x0+h)2−1x02)\displaystyle\tau(h)=\frac{1}{h}\left(\frac{1}{(x_0+h)^2}-\frac{1}{x_0^2}\right).

  2. b)

    Réduire au même dénominateur et simplifier par hh.

    Au même dénominateur x02(x0+h)2x_0^2(x_0+h)^2, le numérateur vaut x02−(x0+h)2=−(2x0h+h2)=−h(2x0+h)x_0^2-(x_0+h)^2=-(2x_0h+h^2)=-h(2x_0+h), donc

    τ(h)=1h⋅−h(2x0+h)x02(x0+h)2=−(2x0+h)x02(x0+h)2.\tau(h)=\frac{1}{h}\cdot\frac{-h(2x_0+h)}{x_0^2(x_0+h)^2} =\frac{-(2x_0+h)}{x_0^2(x_0+h)^2}.
  3. c)

    En déduire f′(x0)=−2x03\displaystyle f'(x_0)=-\frac{2}{x_0^{3}}.

    Quand h→0h\to 0 : f′(x0)=−2x0x02⋅x02=−2x03\displaystyle f'(x_0)=\frac{-2x_0}{x_0^2\cdot x_0^2} =\boxed{-\dfrac{2}{x_0^{3}}}.