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Tle complémentaires · Chapitre 3 · Analyse

Dérivation et convexité

30 exercices corrigésCours mis à jour le

Cours

À quoi ça sert ?

Quelles dimensions donner à une boîte pour qu'elle contienne le plus possible ? À quel moment une épidémie progresse-t-elle le plus vite ? La dérivée répond à la première question (on cherche un maximum), la dérivée seconde à la seconde : elle dit si une croissance accélère ou ralentit. Avec ce chapitre, tu sauras :

  • calculer des dérivées, y compris celles de \(x \mapsto g(ax + b)\) ;
  • étudier des variations et résoudre des problèmes d'optimisation ;
  • utiliser la dérivée seconde pour étudier la convexité d'une fonction ;
  • trouver un point d'inflexion et l'interpréter.

1 Rappels : dérivées et tangente

En 1ère, tu as appris à dériver les fonctions usuelles et à combiner ces dérivées.

Dérivées usuelles
\(f(x)\) \(k\) \(x^n\) \(\dfrac{1}{x}\) \(\sqrt{x}\) \(e^x\)
\(f'(x)\) \(0\) \(nx^{n-1}\) \(-\dfrac{1}{x^2}\) \(\dfrac{1}{2\sqrt{x}}\) \(e^x\)

Opérations : \((u + v)' = u' + v'\) ; \((ku)' = ku'\) ; \((uv)' = u'v + uv'\) ; \(\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2}\).

Tangente

La tangente à la courbe de \(f\) au point d'abscisse \(a\) a pour équation \(y = f'(a)(x - a) + f(a)\).

Exemple guidé

\(f(x) = x^3 - 3x^2 + 2\).

Étape 1 — La dérivée. \(f'(x) = 3x^2 - 6x\).

Étape 2 — La tangente en \(1\). \(f(1) = 0\) et \(f'(1) = -3\), donc \(y = -3(x - 1) + 0\), soit \(\boxed{y = -3x + 3}\).

🔍 Vérification : la tangente passe par \((1 \,;\, 0)\) : \(-3 + 3 = 0\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ \((uv)' = u'v'\). ✅ \((uv)' = u'v + uv'\).
  • ❌ Oublier le carré au dénominateur dans \(\left(\dfrac{u}{v}\right)'\).
À toi !

Dérive \(f(x) = x\,e^x\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(f'(x) = 1 \times e^x + x\,e^x = (1 + x)e^x\).

À retenir

Dérivées usuelles et formules des opérations ; tangente \(y = f'(a)(x - a) + f(a)\).

2 Dérivée de x ↦ g(ax + b)

Beaucoup de modèles contiennent une expression comme \(e^{-0{,}5t}\) ou \((2x - 1)^3\) : on dérive une fonction « décalée et étirée ».

Propriété

Si \(g\) est dérivable, la fonction \(f : x \mapsto g(ax + b)\) est dérivable et \[f'(x) = a \times g'(ax + b).\] En particulier : \(\left(e^{ax + b}\right)' = a\,e^{ax + b}\) et \(\left((ax + b)^n\right)' = na(ax + b)^{n-1}\).

Exemple guidé

Étape 1 — Une exponentielle. \(f(x) = e^{-0{,}5x}\) : ici \(a = -0{,}5\), donc \(f'(x) = -0{,}5\,e^{-0{,}5x}\).

Étape 2 — Une puissance. \(g(x) = (2x - 1)^3\) : \(g'(x) = 3 \times 2 \times (2x - 1)^2 = 6(2x - 1)^2\).

🔍 Vérification : en \(x = 1\), \(g(x) = (2x - 1)^3\) vaut \(1\) et le taux \(\dfrac{g(1{,}001) - g(1)}{0{,}001} \approx 6{,}01\), proche de \(g'(1) = 6\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ \(\left(e^{3x}\right)' = e^{3x}\). ✅ Il faut multiplier par \(3\) : \(3e^{3x}\).
  • ❌ \(\left((5 - 2x)^4\right)' = 4(5 - 2x)^3\). ✅ On multiplie aussi par \(a = -2\) : \(-8(5 - 2x)^3\).
À toi !

Dérive \(f(x) = \sqrt{4x + 1}\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(f'(x) = 4 \times \dfrac{1}{2\sqrt{4x + 1}} = \dfrac{2}{\sqrt{4x + 1}}\).

À retenir

\(\left(g(ax + b)\right)' = a\,g'(ax + b)\) ; on n'oublie pas le facteur \(a\).

3 Variations et optimisation

Le signe de la dérivée donne le sens de variation ; un changement de signe signale un maximum ou un minimum.

Propriétés

Sur un intervalle,

  • si \(f' > 0\) (sauf en des points isolés), \(f\) est strictement croissante ; si \(f' < 0\), elle est strictement décroissante ;
  • si \(f'\) s'annule en changeant de signe en \(a\), \(f\) admet un extremum en \(a\) (maximum si \(f'\) passe de \(+\) à \(-\)).
Méthode — optimiser

Exprimer la grandeur à optimiser en fonction d'une seule variable, préciser l'intervalle, dériver, étudier le signe de la dérivée, conclure avec le tableau de variations.

Exemple guidé — la boîte

Dans un carton carré de \(30\) cm de côté, on découpe un carré de côté \(x\) à chaque coin, puis on replie les bords. Quelle valeur de \(x\) donne le plus grand volume ?

Étape 1 — La fonction. Le fond est un carré de côté \(30 - 2x\) et la hauteur vaut \(x\) : \(V(x) = x(30 - 2x)^2\), pour \(x \in [0 \,;\, 15]\).

Étape 2 — La dérivée. Produit : \(V'(x) = (30 - 2x)^2 + x \times 2 \times (-2)(30 - 2x) = (30 - 2x)(30 - 6x)\).

Étape 3 — Le signe. Sur \([0 \,;\, 15]\), \(30 - 2x \geqslant 0\) ; \(30 - 6x\) est positif avant \(5\), négatif après. \(V\) croît sur \([0 \,;\, 5]\) puis décroît.

Conclusion : volume maximal pour \(\boxed{x = 5 \text{ cm}}\) : \(V(5) = 5 \times 20^2 = 2\,000\) cm³.

🔍 Vérification : \(V(4) = 4 \times 22^2 = 1\,936\) et \(V(6) = 6 \times 18^2 = 1\,944\), tous deux inférieurs à \(2\,000\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Oublier l'intervalle d'étude. ✅ Ici, \(x\) ne peut pas dépasser \(15\) cm.
  • ❌ Donner la valeur de \(x\) sans le maximum (ou l'inverse). ✅ On répond à la question posée, avec les deux si besoin.
À toi !

Étudie les variations de \(f(x) = x^2 - 6x + 5\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(f'(x) = 2x - 6\) : \(f\) décroît sur \(]-\infty \,;\, 3]\), croît sur \([3 \,;\, +\infty[\), minimum \(f(3) = -4\).

À retenir

Signe de \(f'\) → variations ; changement de signe de \(f'\) → extremum ; optimiser = une variable, un intervalle, une dérivée, un tableau.

4 Dérivée seconde et convexité

Deux fonctions peuvent croître toutes les deux, l'une de plus en plus vite, l'autre de moins en moins vite. La dérivée seconde fait la différence.

Définitions
  • la dérivée seconde \(f''\) est la dérivée de \(f'\) ;
  • \(f\) est convexe sur un intervalle si sa courbe est située au-dessus de ses tangentes (elle « tourne vers le haut ») ; elle est concave si sa courbe est en dessous de ses tangentes.
Propriété (admise)

Sur un intervalle,

  • \(f\) est convexe si, et seulement si, \(f'\) est croissante, c'est-à-dire si \(f'' \geqslant 0\) ;
  • \(f\) est concave si, et seulement si, \(f'\) est décroissante, c'est-à-dire si \(f'' \leqslant 0\).

Une fonction convexe a aussi sa courbe en dessous de ses cordes (les segments qui joignent deux de ses points).

Exemples de référence

\(x \mapsto x^2\) et \(x \mapsto e^x\) sont convexes sur \(\mathbb{R}\) ; \(x \mapsto \sqrt{x}\) est concave sur \([0 \,;\, +\infty[\) ; \(x \mapsto x^3\) est concave sur \(]-\infty \,;\, 0]\) et convexe sur \([0 \,;\, +\infty[\).

Ouvrir dans le traceur

Survole la courbe pour lire ses coordonnées. Clique ou touche le graphique pour zoomer et le déplacer.

Exemple guidé

\(f(x) = x^3 - 3x^2 + 2\).

Étape 1 — La dérivée seconde. \(f'(x) = 3x^2 - 6x\), donc \(f''(x) = 6x - 6\).

Étape 2 — Le signe. \(f''(x) \leqslant 0\) pour \(x \leqslant 1\) et \(f''(x) \geqslant 0\) pour \(x \geqslant 1\).

Conclusion : \(f\) est concave sur \(]-\infty \,;\, 1]\) et convexe sur \([1 \,;\, +\infty[\).

🔍 Vérification : la pente \(f'\) décroît jusqu'à \(f'(1) = -3\), puis augmente ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ « Convexe » veut dire « croissante ». ✅ Une fonction peut être décroissante et convexe, comme \(x \mapsto e^{-x}\).
  • ❌ Étudier le signe de \(f'\) pour la convexité. ✅ C'est le signe de \(f''\).
À toi !

\(f''(x) = 2x - 4\). Sur quel intervalle \(f\) est-elle convexe ?

Voir la réponseMasquer la réponse

\(f''(x) \geqslant 0\) pour \(x \geqslant 2\) : \(f\) est convexe sur \([2 \,;\, +\infty[\) (et concave sur \(]-\infty \,;\, 2]\)).

À retenir

Convexe ⟺ \(f'\) croissante ⟺ \(f'' \geqslant 0\) ⟺ courbe au-dessus de ses tangentes ; concave : le contraire.

5 Point d'inflexion

Le point où la courbe passe de « tourner vers le bas » à « tourner vers le haut » a une signification forte dans les modèles.

Définition

Un point d'inflexion est un point où la courbe traverse sa tangente : la fonction change de convexité.

Propriété

Si \(f''\) s'annule en changeant de signe en \(a\), le point de la courbe d'abscisse \(a\) est un point d'inflexion. En ce point, \(f'\) atteint un extremum : la croissance est la plus rapide (ou la plus lente).

Ouvrir dans le traceur

Survole la courbe pour lire ses coordonnées. Clique ou touche le graphique pour zoomer et le déplacer.

Exemple guidé — une épidémie

Le nombre de malades (en milliers) est modélisé par \(N(t) = -t^3 + 9t^2\), pour \(t \in [0 \,;\, 6]\) (en semaines).

Étape 1 — Les dérivées. \(N'(t) = -3t^2 + 18t\) (vitesse de propagation) et \(N''(t) = -6t + 18\).

Étape 2 — Le signe de \(N''\). \(N''(t) \geqslant 0\) pour \(t \leqslant 3\) et \(N''(t) \leqslant 0\) pour \(t \geqslant 3\) : changement de signe en \(3\).

Conclusion : point d'inflexion en \(t = 3\). C'est le moment où l'épidémie progresse le plus vite : \(N'(3) = 27\) milliers de malades par semaine. Après, elle progresse encore, mais de moins en moins vite.

🔍 Vérification : \(N'(2) = 24\) et \(N'(4) = 24\), tous deux inférieurs à \(N'(3) = 27\) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ « \(f''(a) = 0\), donc point d'inflexion. » ✅ Il faut que \(f''\) change de signe : pour \(f(x) = x^4\), \(f''(0) = 0\) mais \(f\) est convexe partout.
  • ❌ Confondre le maximum de \(N\) et le maximum de \(N'\). ✅ Le point d'inflexion est le maximum de la vitesse, pas de la quantité.
À toi !

Trouve le point d'inflexion de \(f(x) = x^3 - 6x^2 + 1\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(f''(x) = 6x - 12\) change de signe en \(2\) ; \(f(2) = 8 - 24 + 1 = -15\) : point d'inflexion \((2 \,;\, -15)\).

À retenir

Point d'inflexion ⟺ \(f''\) s'annule en changeant de signe ; la courbe traverse sa tangente ; la vitesse \(f'\) y est extrémale.


Questions fréquentes

Comment trouver l'équation d'une tangente ?

La tangente à la courbe de \(f\) au point d'abscisse \(a\) a pour équation \(y = f'(a)(x - a) + f(a)\). Il suffit de calculer \(f(a)\) et \(f'(a)\), puis de développer.

Voir dans le cours : 1. Rappels : dérivées et tangente

Comment dériver une fonction de la forme g(ax + b) ?

On dérive \(g\), on remplace \(x\) par \(ax + b\), puis on multiplie par \(a\) : \(\left(g(ax + b)\right)' = a\,g'(ax + b)\). Par exemple, la dérivée de \(e^{5x + 1}\) est \(5e^{5x + 1}\).

Voir dans le cours : 2. Dérivée de x ↦ g(ax + b)

Comment résoudre un problème d'optimisation ?

On exprime la grandeur à rendre maximale ou minimale en fonction d'une seule variable, on précise l'intervalle, puis on étudie le signe de la dérivée. Le tableau de variations donne la valeur qui réalise l'optimum.

Voir dans le cours : 3. Variations et optimisation

Que veut dire qu'une fonction est convexe ?

Sa courbe est au-dessus de toutes ses tangentes : elle « tourne vers le haut ». C'est le cas quand la dérivée seconde est positive, c'est-à-dire quand la dérivée est croissante.

Voir dans le cours : 4. Dérivée seconde et convexité

À quoi correspond un point d'inflexion dans un problème concret ?

C'est le moment où la vitesse d'évolution est la plus grande (ou la plus petite) : par exemple le pic d'une épidémie, quand le nombre de malades augmente le plus vite. Après ce point, la grandeur continue d'augmenter, mais de moins en moins vite.

Voir dans le cours : 5. Point d'inflexion

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