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Licence 1 · Analyse L1 — Limites, continuité et dérivabilité

Dérivabilité et règles de dérivation

Dérivabilité

1. Définition

ff est dérivable en aa si la limite suivante existe et est finie :

f(a)=limh0f(a+h)f(a)h=limxaf(x)f(a)xaf'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h) - f(a)}{h} = \lim_{x \to a} \frac{f(x) - f(a)}{x - a}

Interprétation géométrique : f(a)f'(a) est la pente de la tangente au graphe de ff au point (a,f(a))(a, f(a)).

Équation de la tangente en aa : y=f(a)+f(a)(xa)y = f(a) + f'(a)(x-a).

2. Lien dérivabilité — continuité

Toute fonction dérivable en aa est continue en aa. La réciproque est fausse : x|x| est continue mais non dérivable en 00.

3. Dérivées usuelles


FonctionDérivée
|----------|---------|







xnx^nnxn1nx^{n-1}
exe^xexe^x
lnx\ln x1/x1/x
sinx\sin xcosx\cos x
cosx\cos xsinx-\sin x
tanx\tan x1/cos2x=1+tan2x1/\cos^2 x = 1 + \tan^2 x
xαx^\alphaαxα1\alpha x^{\alpha-1}

4. Règles de dérivation

- Linéarité : (αf+βg)=αf+βg(\alpha f + \beta g)' = \alpha f' + \beta g'
- Produit : (fg)=fg+fg(fg)' = f'g + fg'
- Quotient : (f/g)=fgfgg2(f/g)' = \frac{f'g - fg'}{g^2}
- Composée (règle de la chaîne) : (gf)(x)=g(f(x))f(x)(g \circ f)'(x) = g'(f(x))\cdot f'(x)
- Réciproque : Si ff est bijective et f(a)0f'(a)\neq 0, alors (f1)(f(a))=1f(a)(f^{-1})'(f(a)) = \frac{1}{f'(a)}

5. Théorèmes fondamentaux

Théorème de Rolle : Si ff est continue sur [a,b][a,b], dérivable sur ]a,b[]a,b[, et f(a)=f(b)f(a)=f(b), alors il existe c]a,b[c\in]a,b[ tel que f(c)=0f'(c)=0.

Théorème des accroissements finis (TAF) : Si ff est continue sur [a,b][a,b] et dérivable sur ]a,b[]a,b[, alors il existe c]a,b[c\in]a,b[ tel que :

f(b)f(a)=f(c)(ba)f(b) - f(a) = f'(c)(b-a)

Corollaires du TAF :
- Si f=0f'=0 sur ]a,b[]a,b[, alors ff est constante.
- Si f0f'\geq 0 sur ]a,b[]a,b[, alors ff est croissante.
- Inégalité des accroissements finis : Si fM|f'|\leq M sur ]a,b[]a,b[, alors f(b)f(a)Mba|f(b)-f(a)|\leq M|b-a|.

6. Dérivées d'ordre supérieur

La dérivée nn-ième de ff est notée f(n)f^{(n)}. Une fonction est de classe CnC^n si f(n)f^{(n)} existe et est continue.

Formule de Leibniz : (fg)(n)=k=0n(nk)f(k)g(nk)(fg)^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} f^{(k)} g^{(n-k)}

Exercices de la leçon

Exercice 1

Quelle est la dérivée de f(x)=x34x+2f(x) = x^3 - 4x + 2 ?

Corrigé

Par linéarité et la règle d/dx(xn)=nxn1d/dx(x^n)=nx^{n-1} : (x3)=3x2(x^3)' = 3x^2, (4x)=4(-4x)' = -4, (2)=0(2)'=0. Donc f(x)=3x24f'(x) = 3x^2 - 4.

Exercice 2

Quelle est la dérivée de g(x)=e2xg(x) = e^{2x} ?

Corrigé

Par la règle de la chaîne : (eu)=ueu(e^{u})' = u' e^u avec u=2xu=2x, u=2u'=2. Donc g(x)=2e2xg'(x) = 2e^{2x}.

Exercice 3

Vrai ou faux : La fonction f(x)=xf(x)=|x| est dérivable en 00.

Corrigé

Faux. Le taux d'accroissement à droite vaut limh0+h/h=1\lim_{h\to 0^+}|h|/h=1 et à gauche limh0h/h=1\lim_{h\to 0^-}|h|/h=-1. Ces limites sont différentes, donc ff n'est pas dérivable en 00 (point anguleux).

Exercice 4

Dériver h(x)=sin(x2)h(x) = \sin(x^2).

Corrigé

Règle de la chaîne : h(x)=cos(x2)(x2)=cos(x2)2x=2xcos(x2)h'(x) = \cos(x^2) \cdot (x^2)' = \cos(x^2)\cdot 2x = 2x\cos(x^2).

Exercice 5

Quelle est la dérivée de f(x)=ln(3x+1)f(x) = \ln(3x+1) sur son domaine ?

Corrigé

(lnu)=u/u(\ln u)' = u'/u avec u=3x+1u=3x+1, u=3u'=3. Donc f(x)=3/(3x+1)f'(x) = 3/(3x+1).

Exercice 6

Dériver f(x)=xexf(x) = x e^x.

Corrigé

Règle du produit (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv' avec u=x,u=1,v=ex,v=exu=x, u'=1, v=e^x, v'=e^x : f(x)=1ex+xex=(1+x)exf'(x) = 1\cdot e^x + x\cdot e^x = (1+x)e^x.

Exercice 7

Dériver g(x)=x2+1x1g(x) = \frac{x^2+1}{x-1}.

Corrigé

Règle du quotient (u/v)=(uvuv)/v2(u/v)'=(u'v-uv')/v^2 avec u=x2+1,u=2x,v=x1,v=1u=x^2+1, u'=2x, v=x-1, v'=1 : g=2x(x1)(x2+1)1(x1)2=2x22xx21(x1)2=x22x1(x1)2g'=\frac{2x(x-1)-(x^2+1)\cdot 1}{(x-1)^2}=\frac{2x^2-2x-x^2-1}{(x-1)^2}=\frac{x^2-2x-1}{(x-1)^2}.

Exercice 8

En appliquant le théorème de Rolle à f(x)=x24f(x)=x^2-4 sur [2,2][-2,2], quel est le cc garanti ?

Corrigé

f(2)=0=f(2)f(-2)=0=f(2), ff est continue et dérivable. Rolle garantit un cc avec f(c)=0f'(c)=0. f(x)=2x=0x=0f'(x)=2x=0 \Rightarrow x=0. Donc c=0]2,2[c=0\in]-2,2[.

Exercice 9

Calculer la dérivée de f(x)=arctan(x)f(x) = \arctan(x).

Corrigé

Par la formule de la dérivée d'une réciproque : si tan(y)=x\tan(y)=x, alors (arctan)(x)=1/tan(y)=1/(1+tan2y)=1/(1+x2)(\arctan)'(x) = 1/\tan'(y) = 1/(1+\tan^2 y) = 1/(1+x^2).

Exercice 10

Vrai ou faux : Si f(a)=0f'(a)=0, alors ff admet un extremum en aa.

Corrigé

Faux. f(x)=x3f(x)=x^3 vérifie f(0)=0f'(0)=0 mais 00 est un point d'inflexion, pas un extremum. Un extremum implique f=0f'=0 (condition nécessaire), mais la réciproque est fausse.

Exercice 11

Démontrer l'inégalité ex1xex|e^x - 1| \leq |x|e^{|x|} pour tout xRx\in\mathbb{R}.

Corrigé

Application du TAF :

Soit f(t)=etf(t) = e^t. ff est continue sur [0,x][0,x] (ou [x,0][x,0]) et dérivable, avec f(t)=etf'(t)=e^t.

Par le TAF : il existe cc entre 00 et xx tel que exe0=ec(x0)e^x - e^0 = e^c(x-0), soit ex1=xece^x - 1 = xe^c.

Donc ex1=xec|e^x-1| = |x|\cdot e^c. Puisque cc est entre 00 et xx, on a cxc \leq |x|, donc ecexe^c \leq e^{|x|}.

Conclusion : ex1xex|e^x - 1| \leq |x| e^{|x|}. \square

Exercice 12

Calculer (fg)(fg)'' en termes de f,gf,g et leurs dérivées.

Corrigé

(fg)=fg+fg(fg)' = f'g + fg'. On dérive à nouveau : (fg)=(fg+fg)=fg+fg+fg+fg=fg+2fg+fg(fg)'' = (f'g+fg')' = f''g + f'g' + f'g' + fg'' = f''g + 2f'g' + fg''. C'est la formule de Leibniz pour n=2n=2 : (20)f(0)g(2)+(21)f(1)g(1)+(22)f(2)g(0)\binom{2}{0}f^{(0)}g^{(2)}+\binom{2}{1}f^{(1)}g^{(1)}+\binom{2}{2}f^{(2)}g^{(0)}.

Exercice 13

Montrer que si f>0f''>0 sur ]a,b[]a,b[, alors ff est convexe sur ]a,b[]a,b[.

Corrigé

Preuve :

Soient x1<x2x_1 < x_2 dans ]a,b[]a,b[ et t[0,1]t\in[0,1]. Posons x=(1t)x1+tx2x = (1-t)x_1+tx_2.

Par le TAF appliqué sur [x1,x][x_1,x] : f(x)f(x1)=f(c1)(xx1)f(x)-f(x_1) = f'(c_1)(x-x_1) pour c1]x1,x[c_1\in]x_1,x[.
Sur [x,x2][x,x_2] : f(x2)f(x)=f(c2)(x2x)f(x_2)-f(x) = f'(c_2)(x_2-x) pour c2]x,x2[c_2\in]x,x_2[.

Comme c1<c2c_1 < c_2 et f>0f''>0 (donc ff' croissante), f(c1)f(c2)f'(c_1)\leq f'(c_2).

On calcule (1t)f(x1)+tf(x2)f(x)(1-t)f(x_1)+tf(x_2)-f(x) et on montre que c'est 0\geq 0 grâce à cette inégalité. \square

Exercice 14

Quelle est la dérivée nn-ième de f(x)=exf(x) = e^x ?

Corrigé

f=exf'=e^x, f=exf''=e^x, etc. Par récurrence : f(n)=exf^{(n)}=e^x pour tout n0n\geq 0. L'exponentielle est son propre dérivé d'ordre nn.

Exercice 15

Vrai ou faux : Si ff est dérivable sur ]a,b[]a,b[ et ff' bornée, alors ff est uniformément continue sur ]a,b[]a,b[.

Corrigé

Vrai. Si fM|f'|\leq M, l'inégalité des accroissements finis donne f(x)f(y)Mxy|f(x)-f(y)|\leq M|x-y| pour tous x,y]a,b[x,y\in]a,b[. On dit que ff est MM-lipschitzienne, ce qui implique la continuité uniforme (il suffit de prendre δ=ε/M\delta=\varepsilon/M).

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