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Licence 1 · Analyse L1 — Limites, continuité et dérivabilité
Dérivabilité et règles de dérivation
Dérivabilité
1. Définition
est dérivable en si la limite suivante existe et est finie :
Interprétation géométrique : est la pente de la tangente au graphe de au point .
Équation de la tangente en : .
2. Lien dérivabilité — continuité
Toute fonction dérivable en est continue en . La réciproque est fausse : est continue mais non dérivable en .
3. Dérivées usuelles
| Fonction | Dérivée |
4. Règles de dérivation
- Linéarité :
- Produit :
- Quotient :
- Composée (règle de la chaîne) :
- Réciproque : Si est bijective et , alors
5. Théorèmes fondamentaux
Théorème de Rolle : Si est continue sur , dérivable sur , et , alors il existe tel que .
Théorème des accroissements finis (TAF) : Si est continue sur et dérivable sur , alors il existe tel que :
Corollaires du TAF :
- Si sur , alors est constante.
- Si sur , alors est croissante.
- Inégalité des accroissements finis : Si sur , alors .
6. Dérivées d'ordre supérieur
La dérivée -ième de est notée . Une fonction est de classe si existe et est continue.
Formule de Leibniz :
Exercices de la leçon
Exercice 1
Quelle est la dérivée de ?
Corrigé
Par linéarité et la règle : , , . Donc .
Exercice 2
Quelle est la dérivée de ?
Corrigé
Par la règle de la chaîne : avec , . Donc .
Exercice 3
Vrai ou faux : La fonction est dérivable en .
Corrigé
Faux. Le taux d'accroissement à droite vaut et à gauche . Ces limites sont différentes, donc n'est pas dérivable en (point anguleux).
Exercice 4
Dériver .
Corrigé
Règle de la chaîne : .
Exercice 5
Quelle est la dérivée de sur son domaine ?
Corrigé
avec , . Donc .
Exercice 6
Dériver .
Corrigé
Règle du produit avec : .
Exercice 7
Dériver .
Corrigé
Règle du quotient avec : .
Exercice 8
En appliquant le théorème de Rolle à sur , quel est le garanti ?
Corrigé
, est continue et dérivable. Rolle garantit un avec . . Donc .
Exercice 9
Calculer la dérivée de .
Corrigé
Par la formule de la dérivée d'une réciproque : si , alors .
Exercice 10
Vrai ou faux : Si , alors admet un extremum en .
Corrigé
Faux. vérifie mais est un point d'inflexion, pas un extremum. Un extremum implique (condition nécessaire), mais la réciproque est fausse.
Exercice 11
Démontrer l'inégalité pour tout .
Corrigé
Application du TAF :
Soit . est continue sur (ou ) et dérivable, avec .
Par le TAF : il existe entre et tel que , soit .
Donc . Puisque est entre et , on a , donc .
Conclusion : .
Exercice 12
Calculer en termes de et leurs dérivées.
Corrigé
. On dérive à nouveau : . C'est la formule de Leibniz pour : .
Exercice 13
Montrer que si sur , alors est convexe sur .
Corrigé
Preuve :
Soient dans et . Posons .
Par le TAF appliqué sur : pour .
Sur : pour .
Comme et (donc croissante), .
On calcule et on montre que c'est grâce à cette inégalité.
Exercice 14
Quelle est la dérivée -ième de ?
Corrigé
, , etc. Par récurrence : pour tout . L'exponentielle est son propre dérivé d'ordre .
Exercice 15
Vrai ou faux : Si est dérivable sur et bornée, alors est uniformément continue sur .
Corrigé
Vrai. Si , l'inégalité des accroissements finis donne pour tous . On dit que est -lipschitzienne, ce qui implique la continuité uniforme (il suffit de prendre ).
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