MathématiquesFiche 5 · Dérivation
Mathématiques · Synthèse · Fiche 5

Dérivation

fiche de révision condensée.

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À maîtriser

  • la définition du nombre dérivé (limite du taux d'accroissement) et ses deux lectures : pente de la tangente, vitesse instantanée ;
  • les 17 formules du formulaire de dérivation (puissances, produit, quotient, composées, trigo, log, exp) ;
  • le lien signe de ff' \to variations / extremums, et signe de ff'' \to concavité / inflexion ;
  • l'équation de la tangente en un point et le test de perpendicularité.

1Le nombre dérivé et la fonction dérivée

Définition1.1Taux d'accroissement

Pour ff et x0x_0 fixé, h0h\neq0 :

τ(h)=f(x0+h)f(x0)h\tau(h)=\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}

est la pente de la sécante (AB)(AB), avec A(x0,f(x0))A\big(x_0,f(x_0)\big) et B(x0+h,f(x0+h))B\big(x_0+h,f(x_0+h)\big).

Définition1.2Nombre dérivé

ff est dérivable en x0x_0 si τ(h)\tau(h) admet une limite réelle quand h0h\to0. Cette limite, le nombre dérivé, se note :

  f(x0)=limh0f(x0+h)f(x0)h=limxx0f(x)f(x0)xx0  \boxed{\;f'(x_0)=\lim_{h\to 0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\;}
Propriété1.1Deux lectures de f(x0)f'(x_0)
  • Géométrique : la sécante tend vers la tangente ; f(x0)f'(x_0) en est la pente.
  • Cinématique : si ff est la position, f(x0)f'(x_0) est la vitesse instantanée en x0x_0. (Ex. : f(x)=12x2f(x)=xf(x)=\tfrac12x^2\Rightarrow f'(x)=x ; on retrouve l'accélération a=Δv/Δta=\Delta v/\Delta t.)
AttentionContinuité \neq dérivabilité

Dérivable en x0x_0\Rightarrow continue en x0x_0, mais la réciproque est fausse : f(x)=xf(x)=|x| est continue en 00 mais n'y est pas dérivable (point anguleux, pas de tangente unique). f(x0)f'(x_0) est un nombre ; ff' est une fonction.

2Le formulaire de dérivation

Conventions : aa constante >0>0, CC constante, U,VU,V fonctions de xx, U,VU',V' leurs dérivées.

NoFormuleExemple
1.C=0C'=0y=3y=0y=3\Rightarrow y'=0
2.x=1x'=1y=2xy=2y=2x\Rightarrow y'=2
3.(Un)=n Un1U\big(U^{n}\big)'=n\,U^{n-1}U'y=x4y=4x3y=x^4\Rightarrow y'=4x^3 ; y=xy=12xy=\sqrt{x}\Rightarrow y'=\dfrac{1}{2\sqrt{x}}
4.(U+V)=U+V\big(U+V\big)'=U'+V'y=x2+x3y=2x+13x23y=x^2+\sqrt[3]{x}\Rightarrow y'=2x+\dfrac{1}{3\sqrt[3]{x^2}}
5.(U V)=UV+U V\big(U\,V\big)'=U'V+U\,V'y=xx+1y=x+1+x2x+1y=x\sqrt{x+1}\Rightarrow y'=\sqrt{x+1}+\dfrac{x}{2\sqrt{x+1}}
6.(UV)=UVU VV2\left(\dfrac{U}{V}\right)'=\dfrac{U'V-U\,V'}{V^2}y=x21+x4y=2x(1+x4)4x5(1+x4)2y=\dfrac{x^2}{1+x^4}\Rightarrow y'=\dfrac{2x(1+x^4)-4x^5}{(1+x^4)^2}
7.(sinU)=UcosU\big(\sin U\big)'=U'\cos Uy=sinx2y=2xcosx2y=\sin x^2\Rightarrow y'=2x\cos x^2
8.(cosU)=UsinU\big(\cos U\big)'=-U'\sin Uy=cosx2y=12sinx2y=\cos\dfrac{x}{2}\Rightarrow y'=-\dfrac12\sin\dfrac{x}{2}
9.(tgU)=Ucos2U\big(\operatorname{tg} U\big)'=\dfrac{U'}{\cos^2 U}y=tg2xy=2cos22xy=\operatorname{tg} 2x\Rightarrow y'=\dfrac{2}{\cos^2 2x}
10.(cotgU)=Usin2U\big(\operatorname{cotg} U\big)'=\dfrac{-U'}{\sin^2 U}y=cotgxy=1sin2xy=\operatorname{cotg} x\Rightarrow y'=\dfrac{-1}{\sin^2 x}
11.(arcsinU)=U1U2\big(\arcsin U\big)'=\dfrac{U'}{\sqrt{1-U^2}}y=arcsinxy=11x2y=\arcsin x\Rightarrow y'=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}
12.(arccosU)=U1U2\big(\arccos U\big)'=\dfrac{-U'}{\sqrt{1-U^2}}y=arccosx2y=2x1x4y=\arccos x^2\Rightarrow y'=\dfrac{-2x}{\sqrt{1-x^4}}
13.(arctgU)=U1+U2\big(\operatorname{arctg} U\big)'=\dfrac{U'}{1+U^2}y=arctg2xy=21+4x2y=\operatorname{arctg} 2x\Rightarrow y'=\dfrac{2}{1+4x^2}
14.(arccotgU)=U1+U2\big(\operatorname{arccotg} U\big)'=\dfrac{-U'}{1+U^2}y=arccotgxy=11+x2y=\operatorname{arccotg} x\Rightarrow y'=\dfrac{-1}{1+x^2}
15.(logaU)=UUlna\big(\log_a U\big)'=\dfrac{U'}{U\ln a}y=log10xy=1xln10y=\log_{10} x\Rightarrow y'=\dfrac{1}{x\ln 10}
16.(lnU)=UU\big(\ln U\big)'=\dfrac{U'}{U}y=lnxy=1xy=\ln x\Rightarrow y'=\dfrac{1}{x}
17.(aU)=U aUlna\big(a^{U}\big)'=U'\,a^{U}\ln ay=3xy=3xln3y=3^{x}\Rightarrow y'=3^{x}\ln 3
AttentionPièges classiques
  • (UV)UV\big(UV\big)'\neq U'V' : il faut UV+UVU'V+UV'.
  • Ordre du quotient : UVUVU'V-UV' (jamais UVUVUV'-U'V), puis diviser par V2V^2.
  • Les formules 3, 7 à 17 contiennent toutes UU' (règle de la chaîne) : on dérive la couche externe en gardant l'intérieur, puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur. On répète si l'intérieur est lui-même composé.
ExempleComposée à deux couches

y=sin2(x+1)y=\sin^2\big(\sqrt{x}+1\big) : carré (externe) puis sinus (interne).

y=2sin(x+1)×cos(x+1)×12x=12xsin(2(x+1)).y'=2\sin\big(\sqrt{x}+1\big)\times\cos\big(\sqrt{x}+1\big)\times\frac{1}{2\sqrt{x}} =\frac{1}{2\sqrt{x}}\sin\big(2(\sqrt{x}+1)\big).

3Signe de ff'f' et de ff''f” : variations, extremums, concavité

Propriété3.1Signe de ff' \Rightarrow variations et extremums
  • f(x)>0ff'(x)>0\Rightarrow f croissante ; f(x)<0ff'(x)<0\Rightarrow f décroissante.
  • f(x)=0f'(x)=0 en changeant de signe \Rightarrow extremum local : maximum si ++\to-, minimum si +-\to+.

Figure 1 : tableau de variation type — maximum en x0x_0, minimum en x1x_1.

Attentionf=0f'=0 ne suffit pas

Si ff' s'annule sans changer de signe, il n'y a pas d'extremum (juste une tangente horizontale : point d'inflexion à tangente horizontale). Ex. : f(x)=3x33x2+x+1f(x)=(3x1)20f(x)=3x^3-3x^2+x+1\Rightarrow f'(x)=(3x-1)^2\geq0 partout : ff est croissante sur R\mathbb{R}, sans extremum bien que f(13)=0f'(\tfrac13)=0.

Définition3.1Dérivée seconde

f(x)=(f(x))f''(x)=\big(f'(x)\big)' : la dérivée de la dérivée.

Propriété3.2Signe de ff'' \Rightarrow concavité et inflexion
  • f(x)>0f''(x)>0\Rightarrow concavité vers le haut (bol \smallsmile).
  • f(x)<0f''(x)<0\Rightarrow concavité vers le bas (cloche \smallfrown).
  • Point d'inflexion en x0x_0 \iff f(x0)f''(x_0) change de signe et f(x0)f'(x_0) existe.

Figure 2 : les trois cas de concavité selon le signe de ff''.

Comment faireLire un graphe de ff sans calcul
  • ff monte f>0\Rightarrow f'>0 ; ff descend f<0\Rightarrow f'<0 ; sommet/creux f=0\Rightarrow f'=0.
  • courbe en « bol » f>0\Rightarrow f''>0 ; courbe en « cloche » f<0\Rightarrow f''<0.
  • la courbe de ff' coupe l'axe des xx là où ff a un extremum.

4L'équation de la tangente

Propriété4.1Tangente en x0x_0

Si ff est dérivable en x0x_0, la tangente à la courbe en P0(x0,f(x0))P_0\big(x_0,f(x_0)\big) a pour équation

  y=(xx0)f(x0)+f(x0)  \boxed{\;y=(x-x_0)\,f'(x_0)+f(x_0)\;}

(f(x0)f'(x_0) = pente, f(x0)f(x_0) = ordonnée du point de contact).

RemarqueCas particuliers
  • f(x0)=0f'(x_0)=0\Rightarrow tangente horizontale : y=f(x0)y=f(x_0).
  • deux droites de pentes m1,m2m_1,m_2 sont perpendiculaires m1×m2=1\iff m_1\times m_2=-1.
ExempleTangente et perpendicularité

Pour f(x)=x3lnx+2f(x)=x-3\ln|x+2| (donc f(x)=13x+2=x1x+2f'(x)=1-\dfrac{3}{x+2}=\dfrac{x-1}{x+2}) :

  • en x=1x=1 : f(1)=0f'(1)=0\Rightarrow tangente horizontale y=13ln3y=1-3\ln3 (minimum) ;
  • en x=0x=0 : f(0)=12f'(0)=-\tfrac12, tangente y=12x3ln2y=-\tfrac12x-3\ln2, perpendiculaire à y=2x+1y=2x+1 car 2×(12)=12\times(-\tfrac12)=-1.

5Méthode : étudier une fonction complète

Comment faireMarche à suivre
  1. domaine de définition DfD_f ;
  2. calculer f(x)f'(x) (formulaire) ;
  3. résoudre f(x)=0f'(x)=0, étudier le signe de ff' \Rightarrow tableau de variation ;
  4. calculer f(x)f''(x), étudier son signe \Rightarrow concavité, inflexions ;
  5. tangentes remarquables : y=(xx0)f(x0)+f(x0)y=(x-x_0)f'(x_0)+f(x_0).
ExempleApplication à f(x)=x3lnx+2f(x)=x-3\ln|x+2|
ÉtapeRésultat
DomaineDf=R{2}D_f=\mathbb{R}\setminus\{-2\}
Dérivéef(x)=13x+2=x1x+2f'(x)=1-\dfrac{3}{x+2}=\dfrac{x-1}{x+2}
Signe / variationsf>0f'>0 sur ];2[]-\infty;-2[, f<0f'<0 sur ]2;1[]-2;1[, f>0f'>0 sur ]1;+[]1;+\infty[
Extremumminimum local en x=1x=1 : f(1)=13ln3f(1)=1-3\ln3
Dérivée secondef(x)=3(x+2)2>0f''(x)=\dfrac{3}{(x+2)^2}>0 partout : concavité vers le haut, pas d'inflexion
Tangente notablehorizontale en x=1x=1 : y=13ln3y=1-3\ln3

6Mémo

MémoL'essentiel de la dérivation

Définition :

f(x0)=limh0f(x0+h)f(x0)h(pente de la tangente, vitesse instantaneˊe).f'(x_0)=\lim_{h\to 0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}\qquad\text{(pente de la tangente, vitesse instantanée)}.

Règles :

(C)=0,(x)=1,(Un)=nUn1U,(U+V)=U+V,(C)'=0,\quad (x)'=1,\quad (U^n)'=nU^{n-1}U',\quad (U+V)'=U'+V',
(UV)=UV+UV,(UV)=UVUVV2,(UV)'=U'V+UV',\qquad \left(\frac{U}{V}\right)'=\frac{U'V-UV'}{V^2},
(sinU)=UcosU,(cosU)=UsinU,(lnU)=UU,(aU)=UaUlna.(\sin U)'=U'\cos U,\quad (\cos U)'=-U'\sin U,\quad (\ln U)'=\frac{U'}{U},\quad (a^U)'=U'a^U\ln a.

Tangente en x0x_0 : y=(xx0)f(x0)+f(x0)\;y=(x-x_0)f'(x_0)+f(x_0).

Tableau récapitulatif des cas :

SigneConclusion
f>0f'>0ff croissante
f<0f'<0ff décroissante
f=0f'=0 en changeant de signeextremum local (max si ++\to-, min si +-\to+)
f=0f'=0 sans changer de signepas d'extremum (tangente horizontale, inflexion possible)
f>0f''>0concavité vers le haut (\smallsmile)
f<0f''<0concavité vers le bas (\smallfrown)
f=0f''=0 en changeant de signepoint d'inflexion

Fin de la fiche de révision — Fiche 5 : Dérivation.