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Chapitre 11 : Dérivation

PTSI B Lycée Eiffel

21 janvier 2014

Toute littérature dérive du péché.

Charles Baudelaire

Les constantes etexsont dans le métro.

Un opérateur différentiel terroriste monte dans la rame, menaçant de dériver tout le monde. Alors que les constantes paniquent,exse moque de lui : " Vas-y, dérive, je crains rien ». L"opérateur répond alors : " Tremble, misérable exponentielle, je suisd dy»!

Introduction

Pour terminer le premier semestre, deuxième chapître d"analyse de suite après celui sur la conti-

nuité. Les deux chapîtres se ressemblent d"ailleurs beaucoup, dans la mesure où il s"agit ici aussi

principalement de reprendre avec des définitions rigoureuses et un formulaire entièrement démontré

les notions de dérivée et de variations étudiées au lycée. Rien de très nouveaux donc, si ce n"est que

la section des théorèmes classiques va s"enrichir notamment de l"inégalité des accroissements finis,

fondamentales pour l"étude des suites récurrentes que nousaborderons en fin de chapître.

Objectifs du chapitre :

•ne plus hésiter une seconde avant de calculer une dérivée classique (notamment à l"aide de la

formule de la dérivée d"une composée). •maîtriser l"application de l"IAF à l"étude des suites récurrentes.

1 Définitions et formulaire

1.1 Aspect graphique

L"idée cachée derrière le calcul de dérivées, que vous utilisez déjà depuis plusieurs années pour étudier

les variations de fonctions, est en gros le suivant : les seules fonctions dont le sens de variation est

réellement facile à déterminer sont les fonctions affines, pour lesquelles il est simplement donné par

le signe du coefficient directeur de la droite représentant lafonction affine. Pour des fonctions plus

complexes, on va donc chercher à se ramener au cas d"une droite en cherchant, pour chaque point

de la courbe, la droite " la plus proche » de la courbe autour dece point. C"est ainsi qu"est née la

notion de tangente, à laquelle celle de dérivée est intimement liée. Plus précisément :

1 Définition 1.Soitfune fonction définie sur un intervalleIeta?I, letaux d"accroissement de fenaest la fonction définie parτa(h) =f(a+h)-f(a) h.

Remarque1.Le taux d"accroissement n"est pas défini en0. Pourh?= 0,τa(h)représente le coefficient

directeur de la droite passant par les points d"abscisseaeta+hde la courbe représentative def (droite noire dans le graphique ci-dessous, oùa= 1eth= 1.5).

0 1 2 3 4-1-2-3-4

0123
-1 -2 -3 Définition 2.Une fonctionfestdérivableenasi son taux d"accroissement enaadmet une limite quandhtend vers0. On appelle alorsnombre dérivé defenacette limite et on la note f ?(a) = limh→0f(a+h)-f(a) h.

Remarque2.En reprenant l"interprétation géométrique précédente, ladroite tracée se rapproche

quandhtend vers0de la tangente à la courbe représentative defau point de la courbe d"abscisse

a. Le nombre dérivé defenaest donc le coefficient directeur de cette tangente, tracée envert sur

le graphique.

Remarque3.Pour des raisons pratiques, on aura parfois besoin pour certains calculs d"une définition

légèrement différente du nombre dérivé :f?(x) = limy→xf(y)-f(x) y-x, qui est équivalente à la précédénte (en posanth=y-x, on se ramène en effet à notre première définition).

Exemples :

•Considéronsf(a) =a2et calculons à l"aide de cette définition la dérivée (ou plutôt pour

l"instant le nombre dérivé au point d"abscissea) def. Le taux d"accroissement de la fonction carré enavautτa(h) =(a+h)2-a2 h=a2+ 2ha+h2-1h= 2a+h. Ce taux d"accroissement a une limite égale à2aquandhtend vers0, doncfest dérivable enaetf?(a) = 2a(ce qui correspond bien à la formule que vous connaissez).

•Considérons à présentg(a) =⎷

a, le taux d"accroissement degenavautτa(h) =⎷a+h-⎷a h= (⎷a+h-⎷a)(⎷a+h+⎷a) h(⎷a+h+⎷a)=a+h-ah(⎷a+h+⎷a)=1⎷a+h+⎷a. Sia?= 0, ce taux d"ac- croissement a pour limite 1

2⎷a, ce qui correspond une nouvelle fois à une formule bien connue.

Par contre,limh→0τ0(h) = +∞, ce qui prouve que la fonction racine carrée n"est pas dérivable en

0. On a tout de même une interprétation graphique intéressante dans ce cas : la courbe repré-

sentative de la fonction racine carrée admet en son point d"abscisse0une tangente verticale. 2 Définition 3.La fonctionfestdérivable à gaucheenasi son taux d"accroissement admet une limite quandhtend vers0-. On note alorsf?g(a) = limh→0-f(a+h)-f(a) h. De même,festdérivable à droiteenasiτa(h)admet une limite en0+et on notef?d(a) = limh→0+f(a+h)-f(a) h.

Remarque4.La fonctionfest dérivable enasi et seulement si elle y est dérivable à gauche et à

droite et quef?d(a) =f?g(a). Définition 4.Dans le cas oùf?g(a)?=f?d(a)(ou si une seule des deux limites existe) on dit que la courbe defadmet une (ou deux)demi-tangente à droite ou à gauche. Siτa(h)admet une limite infinie en0+ou en0-, on dit que la courbe defadmet une demi-tangente verticale au point d"abscissea. Exemple :Considéronsf(x) =|x|eta= 0. On a doncτ0(h) =|h| h. Sih >0,τ0(h) =hh= 1, donc f ?d(0) = 1; mais sih <0,τ0(h) =-h h=-1, doncf?g(h) =-1. La fonction valeur absolue n"est

donc pas dérivable en0, mais y admet à gauche une demi-tangente d"équationy=-x, et à droite

une demi-tangente d"équationy=x(qui sont d"ailleurs confondues avec la courbe).

Définition 5.Une fonctionfestdérivable sur un intervalleIsi elle est dérivable en tout point

deI. On appelle alorsfonction dérivéedefla fonctionf:x?→f?(x). Proposition 1.Soitfune fonction dérivable ena, alors l"équation de la tangente à la courbe représentative defenaesty=f?(a)(x-a) +f(a). Proposition 2.Si une fonctionfest dérivable ena, alorsfest continue ena. Remarque5.La réciproque est fausse! Par exemple la fonction valeur absolue est continue surR mais pas dérivable en0. Démonstration.Sifest dérivable ena, on sait quelimh→0f(a+h)-f(a) h=f?(a). Autrement dit, f(a+h)-f(a) h=0f?(a)+ε(h), aveclimh→0ε(h) = 0. En multipliant tout parh, on obtientf(a+h) =

f(a) +hf?(a) +hε(h). Commelimh→0f(a) +hf?(a) +ε(h) =f(a), on a donclimh→0f(a+h) =f(a), ce

qui prouve quefest continue ena.

Définition 6.On appelledéveloppement limité à l"ordre1defenal"égalitéf(a+h) =0f(a) +hf?(a) +hε(h).

Remarque6.Cette égalité signifie simplement que, lorsquehest proche de0,f(a+h)peut être approché parf(a) +hf?(a), qui n"est autre que la valeur prise par la tangente au point d"abscisse a+h. On parle d"ordre1car on approchefpar une fonction qui est un polynome de degré1. On peut généraliser cette notion en approchant la fonctionfpar un polynome de degré2,3ou plus

(mais il faut alors quefsoit deux, trois fois dérivable, etc). On parle alors de développement limité

à l"ordre2,3, nous reviendrons largement sur ce concept dans un chapîtreultérieur.

1.2 Opérations

Proposition 3.Soientfetgdeux fonctions dérivables enx. Alorsf+gest dérivable enxet (f+g)?(x) =f?(x) +g?(x). Démonstration.En effet, le taux d"accroissement def+genxvaut x(h) =f(x+h) +g(x+h)-f(x)-g(x) h=f(x+h)-f(x)h+g(x+h)-g(x)h. Autrement dit, c"est la somme des taux d"accroissements defet degenx. Sa limite existe donc et est égale à la

somme des limites de ces taux d"accroissement, c"est-à-dire quelimh→0τx(h) =f?(x) +g?(x), d"où la

formule. 3 Proposition 4.Soientfetgdeux fonctions dérivables enx, alorsfgest dérivable enxet(fg)?(x) = f ?(x)g(x) +f(x)g?(x). Démonstration.Calculons le taux d"accroissement de la fonctionfgenx: x(h) =f(x+h)g(x+h)-f(x)g(x) h=f(x+h)g(x+h)-f(x)g(x+h) +f(x)g(x+h)-f(x)g(x)h= g(x+h)f(x+h)-f(x) h+f(x)g(x+h)-g(x)h. Le premier terme a pour limiteg(x)f?(x)quandh tend vers0(la fonctiongétant dérivable donc continue,g(x+h)tend versg(x)et le reste est le taux d"accroissement defenx), et le second a pour limitef(x)g?(x)puisqu"on reconnait le taux d"accroissement deg. On obtient donc bien la formule attendue. Proposition 5.Soitgune fonction dérivable enx, et ne s"annulant pas enx, alors1gest dérivable enxet?1 g? (x) =-g?(x)g(x)2. Sifest une autre fonction dérivable enx, alorsfgest dérivable enxet ?f g? (x) =f?(x)g(x)-f(x)g?(x)g(x)2.

Démonstration.Le taux d"accroissement de1

genxvautτa(x) =1 g(x+h)-1g(x) h. Il n"est défini que si g(x+h)?= 0, mais on admettra que, sig(x)?= 0(c"est une des hypothèses de la proposition) etgest

continue, alorsgne s"annule pas au voisinage dex. On peut alors réduire au même dénominateur :

x(h) =1 g(x+h)g(x)g(x)-g(x+h)h. On reconnait à droite l"opposé du taux d"accroissement de

g, qui tend donc vers-g?(a), et le dénominateur à gauche tend versg(x)2cargest dérivable donc

continue ena.

La deuxième formule s"obtient en appliquant simplement la formule de dérivation d"un produit àf

et 1 g:?fg? (x) =f?(x)×1g(x)-f(x)×g?(x)g(x)2=f?(x)g(x)-f(x)g?(x)g(x)2. Proposition 6.Soientfetgdeux fonction dérivables respectivement enxet enf(x), alors la composéeg◦fest dérivable enxet(g◦f)?(x) =f?(x).(g?(f(x)).

Démonstration.L"idée est de séparer le taux d"accroissement deg◦fpour faire apparaitre ceux de

get defde la façon suivante :g◦f(y)-g◦f(x) y-x=g◦f(y)-g◦f(x)f(y)-f(x)×f(y)-f(x)y-x. Le premier quotient est le taux d"accroissement degenf(x), il converge donc versg?(f(x)). Le second est le taux d"accroissement defenx, qui converge versx. On en déduit la formule.

Il y a en fait un (gros) problème, c"est que le premier dénominateur à droite peut très bien s"annuler

(quandf(y) =f(x)) et (contrairement à ce qui se passait pour l"inverse) cela peut se produire aussi

près dexque voulu. Une autre façon (correcte, celle-ci) de prouver cette propriété est de passer

par les développements limités à l"ordre1. On sait quef(x+h) =0f(x) +hf?(x) +ε(h), et que

g(y+k) =0g(y) +kg?(y) +η(k). On en déduit queg◦f(x+h) =g(f(x) +hf?(x) +ε(h)). En prenanty=f(x)etk=hf?(x) +ε(h)(ce qui tend bien vers0quandhtend vers0), on a donc

g◦f(x+h) =g(f(x))+(hf?(x)+ε(h))g?(f(x))+η(hf?(x)+ε(h)) =g◦f(x)+hf?(x)g?◦f(x)+α(h)

(tout les termes restants sont des produits dehpar des choses qui tendent vers0). Comme on

sait par ailleurs queg◦f(x+h) =g◦f(x) +h(g◦f)?(x) +α(h), une simple identification donne

(g◦f)?(x) =f?(x)g?◦f(x).

Proposition 7.Soitfune fonction dérivable et bijective sur un intervalleI, à valeurs dansJ. Alors

f -1est dérivable en tout pointy?Jtel quef?(f-1(y))?= 0, et dans ce cas(f-1)?(y) =1 f?(f-1(y)). 4

Remarque7.Les images des valeurs où la dérivée defs"annule, qui sont donc les points où la

fonction réciproque n"est pas dérivable, correspondent enfait à des endroits où la courbe def-1

admet des tangentes verticales (ce qui se comprend graphiquement puisqu"une tangente horizontale

pourfdevient après symétrie par rapport à la droite d"équationy=xune tangente verticale pour

f -1). Démonstration.Soity?Jetx=f-1(y). La taux d"accroissement def-1enyestτy(h) = f -1(y+h)-f-1(y) h=f-1(y+h)-xh. La fonctionfétant bijective deIsurJ,y+hadmet un unique antécédentbsurI. On a doncf(b) =y+het par ailleursf(x) =y, donch= (y+h)-y= f(b)-f(x)etτy(h) =b-x f(b)-f(x). En posanth?=b-x, on aτy(h) =h?f(x+h?)-f(x), avech? qui tend vers0quandhtend vers0car la fonctionf-1est continue, doncb=f-1(y+h)tend vers f -1(y) =x. On reconnait donc la limite quandhtend vers0de l"inverse du taux d"accroissement defenx. Sif?(x)?= 0, on a donclimh→0τy(h) =1 f?(x)=1f?(f-1(y)). Sif?(x) = 0, la limite deτy(h) est infinie, on a donc une tangente verticale.

1.3 Dérivées de fonctions usuelles

Nous ne reviendrons sur ce sujet déjà abordé en début d"année. Rappelons simplement qu"une

bonne maîtrise de la formule de dérivation d"une réciproquepermet de retrouver très rapidement

les dérivées des fonctions trigonométriques réciproques.Naturellement, toutes ces dérivées classiques

sont à connaître sur le bout des doigts et peuvent être invoquées sans justification dans les exercices.

Dernière chose à ne pas oublier : la plupart des fonction usuelles sont dérivables sur leur ensemble

de définition, aux exceptions suivantes près :

•la fonction valeur absolue en0.

•la fonction racine carrée en0.

•les fonctionsarccosetarcsinen-1et en1.

À l"exception de la valeur absolue, tous les exemples cités donnent des tangentes verticales qui

correspondent à des tangentes horizontales de la fonction réciproque.

2 Dérivées successives

Définition 7.Soitfune fonction dérivable sur un intervalleI, et telle quef?est elle-même dérivable

surI, alors la dérivée def?est appeléedérivée secondede la fonctionf, et notéef??. On note

de mêmef???la dérivée tierce def(sous réserve d"existence), puis plus généralementf(n)la dérivée

n-ième de la fonctionf. Définition 8.Une fonction estde classeDksur un intervalleIsi elle estkfois dérivable surI. Elle estde classeCksurIsi de plus sa dérivéek-èmef(k)est continue surI. Remarque8.Une fonctionDksurIest forcémentCk-1surIpuisqu"une fonction dérivable est nécessairement continue. Une fonctionCkest bien entenduDk. On a donc les implications suivantes : C k? Dk? Ck-1? Dk-1? ··· ? C1? D1? C0(cette dernière catégorie contenant simplement les fonctions continues).

Définition 9.Une fonction estde classeC∞sur un intervalleIsi elle y est dérivablekfois pour

tout entierk.

Remarque9.Toutes ses dérivées sont alors continues (puisqu"on peut toujours dériver une fois de

plus), ce qui justifie qu"on ne distingue pasD∞etC∞.

Théorème 1.Toutes les fonctions usuelles sont de classeC∞sur tous les intervalles où elles sont

dérivables. 5 Théorème 2.Sifetgsont deux fonctions de classeCksur un intervalleI, leurs somme, produit, quotient (signe s"annule pas), composée sont elle-mêmes de classeCk.

Proposition 8.Formule de Leibniz.

Sifetgsont de classeDnsurI, alors(fg)(n)=n?

k=0? n k? f (k)g(n-k).

Démonstration.Ce résultat nous rappelle étrangement la formule du binôme de Newton. Il se dé-

montre exactement de la même façon (on ne le fera donc pas). Exemple :Appliquée pourn= 4, la formule donne par exemple(fg)(4)=f(4)+ 4f???g?+ 6f??g??+

4f?g???+g(4).

3 Théorème des accroissements finis et applications

3.1 Énoncés.

Proposition 9.Soitfune fonction dérivable sur un segment[a;b]etx?]a;b[. Sixest un point en lequelfatteint un extremum local, alorsf?(x) = 0.

Démonstration.Supposons par exemple qu"il s"agisse d"un maximum (l"autrecas est très similaire).

Le taux d"accroissement defenxvautτx(h) =f(x+h)-f(x) h. On a au voisinage dex,f(x+h)? f(x)puisquef(x)est un maximum local. On en déduit que?h <0(et tel quex+happartienne au

voisinage en question),τx(h)?0, doncf?(x) = limh→0-τx(h)?0. Mais de même?h >0,τx(h)?0,

doncf?(x) = limh→0-τx(h)?0. Finalement, on a nécessairementf?(x) = 0.

Théorème 3.Théorème de Rolle.

Soitfune fonction dérivable sur un intervalle[a;b], et telle quef(a) =f(b), alors?c?]a;b[,f?(c) = 0.

Démonstration.Commençons par éliminer le cas où la fonctionfest constante sur[a;b]puisque

dans ce cas la dérivée defest nulle, donc le théorème est manifestement vérifié. La fonctionfétant dérivable, elle est continue sur[a;b], donc y atteint un maximumMet un minimumm. Si on supposefnon constante, l"un des deux, par exempleM(dans l"autre cas, la

démonstration est similaire), est distinct def(a) =f(b), donc atteint en un réelc?]a;b[. D"après la

propriété précédente,f?(c) = 0. Théorème 4.Théorème des accroissements finis. Soitfune fonction dérivable sur un intervalle[a;b], alors?c?]a;b[,f?(c) =f(b)-f(a) b-a.

Remarque10.Autrement dit, il existe un point où la tangente est parallèle à la droite passant par

les points(a;f(a))et(b;f(b)). 6

0 1 2 3-1-2-3

012345678910

-1 -2 -3 -4 -5

Démonstration.Le principe est de se ramener au théorème précédent. Définissons une deuxième

fonctiongparg(x) =f(b)-f(a) b-ax-f(x)(ce qui correspond à l"écart entre la courbe représentative

defet la droite passant par les points(a,f(a))et(b,f(b)), à une constante près). Cette fonction est

dérivable sur[a;b]puisquefl"est et vérifieg(b)-g(a) =f(b)-f(a) b-ab-f(b)-f(b)-f(a)b-aa+f(a) = f(b)-f(a) b-a(b-a)-f(b) +f(a) = 0, c"est-à-dire queg(b) =g(a). on peut donc appliquer le théorème de Rolle à la fonctiong:?c?]a;b[,g?(c) = 0. Or,g?(c) =f(b)-f(a) b-a-f?(c), donc on a f ?(c) =f(b)-f(a) b-a, ce qu"on cherchait à prouver.

Remarque11.Ce théorème un peu étrange sert très peu en tant que tel, mais ses applications fon-

damentales en font un des piliers de l"analyse mathématique. C"est notamment à l"aide du théorème

des accroissements finis qu"on démontre le lien entre signe de la dérivée et variations d"une fonction,

ce que nous allons faire tout de suite. Théorème 5.Soitfune fonction dérivable sur un intervalleI, alorsfest croissante surIsi et

seulement sif?est positive surI, etfest décroissante surIsi et seulement sif?est négative surI.

Démonstration.Supposonsfcroissante surI, et soita?I, considérons le taux d"accroissement de fena:τa(h) =f(a+h)-f(a) h. Ce taux d"accroissement est toujours positif, puisque numérateur

et dénominateur sont négatifs quandhest négatif, et positifs sinon; donc par passage à la limite

f

?(a)?0. Réciproquement, sif?(x)?0surI, on a d"après le théorème des accroissements finis, si

x < y,f(y)-f(x) y-x=f?(c)?0, doncf(y)-f(x)?0, ce qui prouve quefest croissante surI. La preuve dans le cas de la décroissance est très similaire.

Théorème 6.Soitfune fonction dérivable sur un intervalleI, alors sif?est strictement positive

surI, sauf éventuellement en un nombre fini de points où elle s"annule, la fonctionfest strictement

croissante surI. De même, sif?est strictement négative surI, sauf éventuellement en un nombre

fini de points où elle s"annule,fest strictement décroissante surI.

Ce deuxième résultat, plus subtil que le précédent, ne sera pas prouvé. Remarquons qu"il n"y a ici

qu"une seule implication, une fonction peut être strictement monotone mais avoir une dérivée qui

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