📐Dérivation et convexité

Cours de mathématiques · Terminale

Rappels de dérivation, dérivée d'une fonction composée (g∘u)′=u′×g′(u)(g \circ u)' = u' \times g'(u), dérivée seconde, convexité et concavité, points d'inflexion et position relative courbe/tangente.

Ce que tu vas savoir faire

  • ✓Calculer des dérivées (fonctions usuelles, opérations).
  • ✓Dériver une fonction composée avec la formule (g∘u)′=u′×g′(u)(g \circ u)' = u' \times g'(u).
  • ✓Calculer et interpréter la dérivée seconde f′′f''.
  • ✓Déterminer la convexité ou la concavité d'une fonction à partir du signe de f′′f''.
  • ✓Repérer un point d'inflexion et la position de la courbe par rapport à ses tangentes.

Rappels : dérivées usuelles et opérations

Règle

On rappelle les dérivées de référence :

(xn)′=n xn−1,(1x)′=−1x2,(x)′=12x,(x^n)' = n\,x^{n-1}, \qquad \Big(\dfrac{1}{x}\Big)' = -\dfrac{1}{x^2}, \qquad (\sqrt{x})' = \dfrac{1}{2\sqrt{x}}, (ex)′=ex,(ln⁡x)′=1x,(sin⁡x)′=cos⁡x,(cos⁡x)′=−sin⁡x.(e^x)' = e^x, \qquad (\ln x)' = \dfrac{1}{x}, \qquad (\sin x)' = \cos x, \qquad (\cos x)' = -\sin x.

Et les opérations (uu, vv dérivables) :

(u+v)′=u′+v′,(k u)′=k u′,(uv)′=u′v+uv′,(u + v)' = u' + v', \qquad (k\,u)' = k\,u', \qquad (uv)' = u'v + uv', (uv)′=u′v−uv′v2(v≠0).\Big(\dfrac{u}{v}\Big)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2} \quad (v \neq 0).

Méthode

Pour dériver une expression :

  1. Identifie la structure (somme, produit, quotient).
  2. Applique la formule d'opération correspondante.
  3. Remplace chaque u′u', v′v' par la dérivée usuelle.
  4. Simplifie le résultat.
Exemple

Dérivons f(x)=(2x+1)(x2−3)f(x) = (2x + 1)(x^2 - 3) avec la formule du produit.

Posons u=2x+1u = 2x + 1 (donc u′=2u' = 2) et v=x2−3v = x^2 - 3 (donc v′=2xv' = 2x).

f′=u′v+uv′=2(x2−3)+(2x+1)(2x)=2x2−6+4x2+2x=6x2+2x−6.f' = u'v + uv' = 2(x^2 - 3) + (2x + 1)(2x) = 2x^2 - 6 + 4x^2 + 2x = 6x^2 + 2x - 6.

Astuce

Pour le quotient, mémorise « haut prime bas moins haut bas prime, le tout sur bas au carré » : u′v−uv′v2\dfrac{u'v - uv'}{v^2}. L'ordre des termes au numérateur est crucial (signe moins).

Dérivée d'une fonction composée

Règle

Soit uu une fonction dérivable et gg une fonction dérivable. La composée g∘u:x↦g(u(x))g \circ u : x \mapsto g\big(u(x)\big) est dérivable et :

(g∘u)′(x)=u′(x)×g′(u(x)).(g \circ u)'(x) = u'(x) \times g'\big(u(x)\big).

On dérive « la fonction du dessus » prise en uu, puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur u′u'. Cas particuliers très fréquents :

(eu)′=u′ eu,(ln⁡u)′=u′u,(un)′=n u′ u n−1,(u)′=u′2u.\big(e^{u}\big)' = u'\,e^{u}, \qquad \big(\ln u\big)' = \dfrac{u'}{u}, \qquad \big(u^n\big)' = n\,u'\,u^{\,n-1}, \qquad \big(\sqrt{u}\big)' = \dfrac{u'}{2\sqrt{u}}.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Imagine deux engrenages emboîtés : quand xx avance d'un petit pas hh, l'intérieur uu se déplace de Δu≈u′(x) h\Delta u \approx u'(x)\,h, puis gg réagit à ce déplacement de Δg≈g′(u) Δu\Delta g \approx g'(u)\,\Delta u. En enchaînant, Δg≈g′(u)×u′(x)×h\Delta g \approx g'(u)\times u'(x)\times h, donc le taux de variation Δgh≈u′(x)×g′(u(x))\dfrac{\Delta g}{h} \approx u'(x)\times g'\big(u(x)\big). Les deux « vitesses » se multiplient : c'est exactement (g∘u)′=u′×g′(u)(g\circ u)' = u'\times g'(u), et c'est pour cela qu'oublier le facteur u′u' revient à oublier un des deux engrenages.

Méthode

Pour dériver une composée g(u(x))g\big(u(x)\big) :

  1. Identifie la fonction « intérieure » uu et la fonction « extérieure » gg.
  2. Calcule u′u'.
  3. Calcule g′g', puis remplace son argument par uu.
  4. Multiplie : (g∘u)′=u′×g′(u)(g \circ u)' = u' \times g'(u).
Exemple

Dérivons f(x)=e2xf(x) = e^{2x}.

Ici u(x)=2xu(x) = 2x (donc u′(x)=2u'(x) = 2) et g(t)=etg(t) = e^{t} (donc g′(t)=etg'(t) = e^{t}).

f′(x)=u′(x) eu(x)=2 e2xf'(x) = u'(x)\,e^{u(x)} = 2\,e^{2x}.

Donc (e2x)′=2 e2x\big(e^{2x}\big)' = 2\,e^{2x}. De même (e−3x)′=−3 e−3x\big(e^{-3x}\big)' = -3\,e^{-3x} et ((x2+1)5)′=5×2x×(x2+1)4=10x (x2+1)4\big((x^2 + 1)^5\big)' = 5 \times 2x \times (x^2+1)^4 = 10x\,(x^2+1)^4.

Astuce

Réflexe « pelures d'oignon » : on dérive de l'extérieur vers l'intérieur, et on n'oublie jamais de multiplier par la dérivée de l'intérieur u′u'. Oublier u′u' est l'erreur numéro un.

Dérivée seconde

Règle

Si la dérivée f′f' d'une fonction ff est elle-même dérivable, sa dérivée s'appelle la dérivée seconde de ff, notée f′′f'' :

f′′=(f′)′.f'' = (f')'.

La dérivée seconde mesure la « variation de la pente ». Elle sert à étudier la convexité de ff (section suivante).

En physique, si f(t)f(t) est une position, alors f′(t)f'(t) est la vitesse et f′′(t)f''(t) est l'accélération.

Méthode

Pour calculer f′′f'' :

  1. Calcule d'abord f′f'.
  2. Dérive à nouveau f′f' pour obtenir f′′=(f′)′f'' = (f')'.
  3. Simplifie.
Exemple

Soit f(x)=x3f(x) = x^3.

f′(x)=3x2f'(x) = 3x^2, puis f′′(x)=(3x2)′=6xf''(x) = (3x^2)' = 6x.

Autre exemple : f(x)=e2xf(x) = e^{2x} donne f′(x)=2e2xf'(x) = 2e^{2x}, puis f′′(x)=(2e2x)′=2×2e2x=4e2xf''(x) = (2e^{2x})' = 2 \times 2e^{2x} = 4e^{2x}.

Astuce

f′′f'' = « dérivée de la dérivée ». Si f′f' est la vitesse, f′′f'' est l'accélération : c'est la variation de la pente de la courbe.

Convexité et concavité

Règle

Soit ff deux fois dérivable sur un intervalle II.

• ff est convexe sur II lorsque f′′(x)≥0f''(x) \geq 0 pour tout x∈Ix \in I. La courbe « tourne sa concavité vers le haut » (en forme de cuvette ⌣\smile) et est située au-dessus de chacune de ses tangentes.

• ff est concave sur II lorsque f′′(x)≤0f''(x) \leq 0 pour tout x∈Ix \in I. La courbe est en forme de dôme ⌢\frown et se trouve en dessous de chacune de ses tangentes.

Exemples : x↦x2x \mapsto x^2 est convexe sur R\mathbb{R} (f′′=2>0f'' = 2 > 0) ; x↦exx \mapsto e^x est convexe sur R\mathbb{R} (f′′=ex>0f'' = e^x > 0) ; x↦ln⁡xx \mapsto \ln x est concave sur  ]0 ; +∞[\,]0\,;\,+\infty[ (f′′=−1x2<0f'' = -\frac{1}{x^2} < 0).

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Dire f′′≥0f''\geq 0, c'est dire que la pente f′f' augmente quand on avance. Or la tangente en aa garde, elle, une pente fixe égale à f′(a)f'(a). Juste avant aa, la courbe montait moins vite que cette pente ; juste après, elle monte plus vite : des deux côtés, la courbe « décolle » vers le haut de sa tangente et reste donc au-dessus (cuvette ⌣\smile). C'est l'inverse pour une fonction concave, dont la pente diminue : la courbe passe alors en dessous de chaque tangente.

Méthode

Pour étudier la convexité de ff :

  1. Calcule f′′f''.
  2. Étudie le signe de f′′f'' sur II.
  3. Là où f′′≥0f'' \geq 0 : ff convexe ; là où f′′≤0f'' \leq 0 : ff concave.
Exemple

Soit f(x)=x3f(x) = x^3. On a f′′(x)=6xf''(x) = 6x.

• Pour x<0x < 0 : f′′(x)=6x<0f''(x) = 6x < 0, donc ff est concave sur  ]−∞ ; 0]\,]-\infty\,;\,0].

• Pour x>0x > 0 : f′′(x)=6x>0f''(x) = 6x > 0, donc ff est convexe sur [0 ; +∞[[0\,;\,+\infty[.

La convexité change de nature en x=0x = 0.

Astuce

Moyen mnémotechnique : conVexe = en forme de Vallée (⌣\smile, au-dessus des tangentes). Le signe de f′′f'' (≥0\geq 0 convexe, ≤0\leq 0 concave) suffit à conclure.

Point d'inflexion

Règle

Un point d'inflexion est un point de la courbe où la fonction change de convexité (elle passe de convexe à concave ou inversement).

Concrètement, aa est l'abscisse d'un point d'inflexion lorsque f′′f'' s'annule en changeant de signe en aa.

En un point d'inflexion, la tangente traverse la courbe : elle passe d'un côté de la courbe à l'autre.

Attention : il ne suffit pas que f′′(a)=0f''(a) = 0 ; il faut bien un changement de signe de f′′f''. Par exemple, pour f(x)=x4f(x) = x^4, f′′(x)=12x2≥0f''(x) = 12x^2 \geq 0 s'annule en 00 mais ne change pas de signe : x=0x = 0 n'est pas un point d'inflexion.

Méthode

Pour trouver les points d'inflexion de ff :

  1. Calcule f′′f''.
  2. Résous f′′(x)=0f''(x) = 0.
  3. Pour chaque solution aa, vérifie que f′′f'' change de signe en aa.
  4. Si oui, le point (a ; f(a))\big(a\,;\,f(a)\big) est un point d'inflexion.
Exemple

Soit f(x)=x3f(x) = x^3, avec f′′(x)=6xf''(x) = 6x.

f′′(x)=0⇔x=0f''(x) = 0 \Leftrightarrow x = 0. Et f′′f'' change de signe en 00 (négatif avant, positif après).

Donc le point (0 ; f(0))=(0 ; 0)\big(0\,;\,f(0)\big) = (0\,;\,0) est un point d'inflexion de la courbe.

Astuce

Point d'inflexion ≠\neq simplement « f′′(a)=0f''(a) = 0 ». La condition décisive est le changement de signe de f′′f''. Contre-exemple à retenir : x4x^4 en 00.

Position de la courbe par rapport à une tangente

Règle

La convexité contrôle la position de la courbe par rapport à ses tangentes :

• Si ff est convexe sur II, sa courbe est au-dessus de chacune de ses tangentes sur II.

• Si ff est concave sur II, sa courbe est en dessous de chacune de ses tangentes.

Pour le démontrer rigoureusement, on étudie le signe de la différence d(x)=f(x)−T(x)d(x) = f(x) - T(x), où T(x)=f′(a)(x−a)+f(a)T(x) = f'(a)(x - a) + f(a) est la tangente en aa. Si d(x)≥0d(x) \geq 0, la courbe est au-dessus ; si d(x)≤0d(x) \leq 0, en dessous.

Méthode

Pour situer la courbe par rapport à la tangente TT en aa :

  1. Écris l'équation de la tangente T(x)=f′(a)(x−a)+f(a)T(x) = f'(a)(x - a) + f(a).
  2. Forme la différence d(x)=f(x)−T(x)d(x) = f(x) - T(x).
  3. Étudie le signe de d(x)d(x) : positif ⇒\Rightarrow courbe au-dessus ; négatif ⇒\Rightarrow courbe en dessous.
  4. Relie au signe de f′′f'' pour confirmer (convexe/concave).
Exemple

Soit f(x)=x2f(x) = x^2, convexe sur R\mathbb{R} (f′′=2>0f'' = 2 > 0). Tangente en a=1a = 1 : f(1)=1f(1) = 1, f′(1)=2f'(1) = 2, donc T(x)=2(x−1)+1=2x−1T(x) = 2(x - 1) + 1 = 2x - 1.

d(x)=x2−(2x−1)=x2−2x+1=(x−1)2≥0d(x) = x^2 - (2x - 1) = x^2 - 2x + 1 = (x - 1)^2 \geq 0.

La différence est toujours positive : la courbe est bien au-dessus de sa tangente (cohérent avec la convexité).

Astuce

Mémo visuel : convexe = courbe au-dessus de ses tangentes (cuvette ⌣\smile), concave = courbe en dessous (dôme ⌢\frown). Le signe de d(x)=f(x)−T(x)d(x) = f(x) - T(x) le confirme par le calcul.

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