Chapitre 02

Dérivation & étude des fonctions

Dérivabilité, tableaux de dérivées, tangentes, monotonie, extremums, branches infinies et concavité.

Sommaire
  1. I Tableau des dérivées
  2. II Dérivabilité en un point
  3. III Dérivabilité à droite et à gauche
  4. IV Équation de la tangente
  5. V Interprétation géométrique
  6. VI Dérivabilité des fonctions usuelles
  7. VII Opérations sur les fonctions dérivables
  8. VIII Dérivée d'une fonction réciproque
  9. IX Dérivation et monotonie
  10. X Extremums d'une fonction
  11. XI Branches infinies
  12. XII Concavité et point d'inflexion

Tableau des dérivées

1. Fonctions simples

Fonction \( f(x) \)Dérivée \( f'(x) \)
\( a \) (constante)\( 0 \)
\( x \)\( 1 \)
\( ax \)\( a \)
\( x^2 \)\( 2x \)
\( x^n \)\( n \cdot x^{n-1} \)
\( \dfrac{1}{x} \)\( \dfrac{-1}{x^2} \)
\( \sqrt{x} \)\( \dfrac{1}{2\sqrt{x}} \)
\( \ln x \)\( \dfrac{1}{x} \)
\( e^x \)\( e^x \)
\( \sin x \)\( \cos x \)
\( \cos x \)\( -\sin x \)

2. Fonctions composées \( \small{(U' = dU/dx)} \)

Fonction composée \( f(U) \)Dérivée
\( a \cdot U \)\( a \cdot U' \)
\( U^2 \)\( 2U \cdot U' \)
\( U^n \)\( n \cdot U^{n-1} \cdot U' \)
\( \dfrac{1}{U} \)\( \dfrac{-U'}{U^2} \)
\( \sqrt{U} \)\( \dfrac{U'}{2\sqrt{U}} \)
\( \ln(U) \)\( \dfrac{U'}{U} \)
\( e^U \)\( U' \cdot e^U \)
\( \sin(U) \)\( U' \cdot \cos(U) \)
\( \cos(U) \)\( -U' \cdot \sin(U) \)

3. Règles opératoires

OpérationDérivée
\( U + V \)\( U' + V' \)
\( U \times V \)\( U'V + UV' \)
\( \dfrac{U}{V} \)\( \dfrac{U'V - UV'}{V^2} \)

Dérivabilité en un point

Définition

\( f \) est dérivable en \( a \) si et seulement si la limite suivante existe et est finie :

\( \displaystyle\lim_{x\to a} \dfrac{f(x) - f(a)}{x - a} = f'(a) = \ell \in \mathbb{R} \)

Remarque

Le nombre \( f'(a) \) s'appelle le nombre dérivé de \( f \) en \( a \). Géométriquement, c'est la pente de la tangente à la courbe \( (C_f) \) au point \( A(a, f(a)) \).

Dérivabilité à droite & à gauche

Dérivée à droite

\( f \) est dérivable à droite en \( a \) si :

\( \displaystyle\lim_{x\to a^+} \dfrac{f(x) - f(a)}{x - a} = f'_d(a) = \ell \in \mathbb{R} \)

Dérivée à gauche

\( f \) est dérivable à gauche en \( a \) si :

\( \displaystyle\lim_{x\to a^-} \dfrac{f(x) - f(a)}{x - a} = f'_g(a) = \ell \in \mathbb{R} \)

Propriété

\( f \) est dérivable en \( a \) \( \iff \) \( f \) est dérivable à droite et à gauche en \( a \), et \( f'_d(a) = f'_g(a) \).

Équation de la tangente

Équation de la tangente (T)

L'équation de la tangente \( (T) \) à la courbe \( (C_f) \) au point d'abscisse \( a \) est :

\( (T) : y = f'(a)(x - a) + f(a) \)

Cas particulier

Si \( f'(a) = 0 \), la tangente est horizontale : \( (T) : y = f(a) \).

Interprétation géométrique

1. Si \( f \) est dérivable en \( a \)

ConditionInterprétation
\( \displaystyle\lim_{x\to a} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = \ell \in \mathbb{R}^* \) \( (C_f) \) admet une tangente au point \( A(a,f(a)) \) d'équation \( (T): y = f'(a)(x-a) + f(a) \)
\( \displaystyle\lim_{x\to a} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = 0 \) \( (C_f) \) admet une tangente horizontale au point \( A(a,f(a)) \)

2. Dérivée à droite / à gauche seulement

ConditionInterprétation
\( f'_d(a) = \ell \in \mathbb{R}^* \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente à droite au point \( A \), d'équation \( y = f'(a)(x-a)+f(a) \) pour \( x \geq a \)
\( f'_g(a) = \ell \in \mathbb{R}^* \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente à gauche au point \( A \), d'équation \( y = f'(a)(x-a)+f(a) \) pour \( x \leq a \)
\( f'_d(a) = 0 \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente horizontale à droite au point \( A \)
\( f'_g(a) = 0 \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente horizontale à gauche au point \( A \)

3. Si \( f \) n'est pas dérivable en \( a \)

ConditionInterprétation
\( \displaystyle\lim_{x\to a^+} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = +\infty \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente verticale dirigée vers le haut au point \( A(a,f(a)) \)
\( \displaystyle\lim_{x\to a^-} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = -\infty \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente verticale dirigée vers le haut au point \( A(a,f(a)) \)
\( \displaystyle\lim_{x\to a^+} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = -\infty \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente verticale dirigée vers le bas au point \( A(a,f(a)) \)
\( \displaystyle\lim_{x\to a^-} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = +\infty \) \( (C_f) \) admet une demi-tangente verticale dirigée vers le bas au point \( A(a,f(a)) \)
Point anguleux

Si \( f \) est dérivable à gauche et à droite en \( a \) mais \( f'_d(a) \neq f'_g(a) \), alors :

  • \( (C_f) \) admet deux demi-tangentes au point \( A(a, f(a)) \).
  • Le point \( A \) est appelé point anguleux.

Dérivabilité des fonctions usuelles

Résultats à connaître
  • Toute fonction polynôme est dérivable sur \( \mathbb{R} \).
  • Toute fonction rationnelle est dérivable sur tout intervalle de son domaine de définition.
  • La fonction \( \sqrt[n]{x} \) est dérivable sur \( ]0, +\infty[ \)   (\( n \in \mathbb{N},\; n \geq 2 \)).
  • Les fonctions \( \sin x \) et \( \cos x \) sont dérivables sur \( \mathbb{R} \).
  • La fonction \( \tan x \) est dérivable sur \( \mathbb{R} \setminus \left\{ \dfrac{\pi}{2} + k\pi,\; k \in \mathbb{Z} \right\} \).

Opérations sur les fonctions dérivables

Propriétés

Si \( f \) et \( g \) sont dérivables sur \( I \), \( k \in \mathbb{R} \) et \( n \in \mathbb{N} \), alors :

  • \( f + g \), \( f \cdot g \), \( k \cdot f \) et \( f^n \) sont dérivables sur \( I \).

Si de plus \( g(x) \neq 0 \) sur \( I \), alors :

  • \( \dfrac{f}{g} \) et \( \dfrac{1}{g} \) sont dérivables sur \( I \).

Dérivée d'une fonction réciproque

En un point

Si \( f \) est dérivable en \( a \) et \( f'(a) \neq 0 \), alors \( f^{-1} \) est dérivable en \( b = f(a) \) et :

\( (f^{-1})'(b) = \dfrac{1}{f'(a)} \)

Sur un intervalle

Si \( f \) est dérivable sur \( I \) et \( f'(x) \neq 0 \) sur \( I \), alors \( f^{-1} \) est dérivable sur \( J = f(I) \) et :

\( (f^{-1})'(x) = \dfrac{1}{f'\!\big(f^{-1}(x)\big)} \)

Dérivation & monotonie

Théorème

Soit \( f \) une fonction dérivable sur un intervalle \( I \) :

Condition sur \( f'(x) \)Conclusion sur \( f \)
\( f'(x) \geq 0 \) sur \( I \)\( f \) est croissante sur \( I \)
\( f'(x) \leq 0 \) sur \( I \)\( f \) est décroissante sur \( I \)
\( f'(x) = 0 \) sur \( I \)\( f \) est constante sur \( I \)
Remarque

Si \( f'(x) > 0 \) sur \( I \) (sauf éventuellement en des points isolés), alors \( f \) est strictement croissante sur \( I \). De même pour \( f'(x) < 0 \) et strictement décroissante.

Extremums d'une fonction

Condition d'extremum

\( f' \) s'annule en \( a \) et change de signe en \( a \) \( \iff \) \( f \) admet un extremum en \( a \).

Minimum local

Si \( f' \) passe du signe \( - \) au signe \( + \) en \( a \) :

\( x \)\( a \)
\( f'(x) \)0+
\( f \)\( b \)

\( b = f(a) \) est la valeur minimale de la fonction \( f \)

Maximum local

Si \( f' \) passe du signe \( + \) au signe \( - \) en \( a \) :

\( x \)\( a \)
\( f'(x) \)+0
\( f \)\( b \)

\( b = f(a) \) est la valeur maximale de la fonction \( f \)

Branches infinies

1. Asymptote horizontale

Définition

Si \( \displaystyle\lim_{x\to\pm\infty} f(x) = a \), alors la droite \( (\Delta) : y = a \) est une asymptote horizontale à \( (C_f) \) au voisinage de \( \pm\infty \).

\( (\Delta) \) est parallèle à l'axe des abscisses.

2. Asymptote verticale

Définition

Si \( \displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = \pm\infty \), alors la droite \( (\Delta) : x = a \) est une asymptote verticale à \( (C_f) \).

\( (\Delta) \) est parallèle à l'axe des ordonnées.

3. Asymptote oblique

Définition

Si \( \displaystyle\lim_{x\to\pm\infty} [f(x) - (ax + b)] = 0 \), alors la droite \( (D) : y = ax + b \) est une asymptote oblique à \( (C_f) \) au voisinage de \( \pm\infty \).

4. Branches paraboliques

Méthode : calculer \( \displaystyle\lim_{x\to\pm\infty} \dfrac{f(x)}{x} \)
Cas 1 : \( \displaystyle\lim \dfrac{f(x)}{x} = a \neq 0 \)

On calcule ensuite \( \displaystyle\lim [f(x) - ax] \) :

  • Si \( = b \) → asymptote oblique \( y = ax + b \)
  • Si \( = \pm\infty \) → branche parabolique de direction \( y = ax \)
Cas 2 : \( \displaystyle\lim \dfrac{f(x)}{x} = \pm\infty \)

\( (C_f) \) admet une branche parabolique de direction celle de l'axe des ordonnées.

Cas 3 : \( \displaystyle\lim \dfrac{f(x)}{x} = 0 \)

\( (C_f) \) admet une branche parabolique de direction celle de l'axe des abscisses.

Rappel : \( \displaystyle\lim f(x) = a \)

Asymptote horizontale \( y = a \) (pas besoin de calculer \( f(x)/x \)).

Concavité & point d'inflexion

Convexe

Une fonction est convexe sur un intervalle \( I \) si sa courbe est entièrement située au-dessus de chacune de ses tangentes.

\( \forall x \in I, \quad f''(x) \geq 0 \)

Concave

Une fonction est concave sur un intervalle \( I \) si sa courbe est entièrement située au-dessous de chacune de ses tangentes.

\( \forall x \in I, \quad f''(x) \leq 0 \)

Point d'inflexion

Un point d'inflexion de la courbe \( (C_f) \) est un point où la courbe change de concavité.

  • Si \( f'' \) s'annule en \( x_0 \) et change de signe en \( x_0 \), alors \( (C_f) \) admet un point d'inflexion d'abscisse \( x_0 \).
  • Si \( f' \) s'annule en \( x_0 \) sans changer de signe, alors \( (C_f) \) admet un point d'inflexion d'abscisse \( x_0 \). (cas particulier)
En résumé
Condition sur \( f''(x) \)Conclusion
\( f''(x) \geq 0 \)\( (C_f) \) est convexe (courbe au-dessus des tangentes)
\( f''(x) \leq 0 \)\( (C_f) \) est concave (courbe au-dessous des tangentes)
\( f'' \) change de signe en \( x_0 \)Point d'inflexion en \( x_0 \)