Mathématiques : 1Bac SM

Séance 11-2-1 : Dérivabilité d'une fonction numérique - Partie 2 (Cours)

 

 

Professeur : Mr CHEDDADI Haitam

 

Sommaire

 

V- Applications de la dérivation

5-1/ Monotonie d’une fonction numérique

5-2/ Extrema d'une fonction dérivable sur un intervalle

VI- Dérivées successives

VII- L'équation différentielle

 


V- Applications de la dérivation

 

5-1/ Monotonie d’une fonction numérique

Proposition

Soit f une fonction dérivable sur un intervalle I de ℝ.

- Si la fonction f est constante sur I, alors : ∀x∈I f'x=0

- Si la fonction f est croissante sur I, alors : ∀x∈I f'x≥0

- Si la fonction f est décroissante sur I, alors : ∀x∈I f'x≤0

 

 

Proposition

Soit f une fonction dérivable sur un intervalle I de ℝ.

- Si f' est positive sur I et ne s'y annule qu'en un nombre fini de points, alors la fonction f est strictement croissante sur I.

- Si f' est négative sur I et ne s'y annule qu'en un nombre fini de points, alors la fonction f est strictement décroissante sur /.

- Si f' est nulle sur I, alors la fonction f est constante sur I.

Remarques

- Les résultats de la proposition précédente ne sont valables que sur un intervalle.

- La fonction dérivée est un outil puissant pour étudier la monotonie d'une fonction numérique.

Pour étudier la monotonie d'une fonction f dérivable sur un intervalle de ℝ, on calcule la fonction dérivée f' puis on détermine son signe et on utilise la proposition précédente.

 

 

Applications
  1. En utilisant la fonction dérivée, étudier les variations de la fonction f dans chacun des cas suivantes :
1 fx=x+2x-12 fx=x2-x+4x-13 fx=x2-2x 4 fx=cos2x+15 fx=1x+126 fx=xxx+1

 

 

5-2/ Extrema d'une fonction dérivable sur un intervalle

Proposition

Soit f une fonction dérivable sur un intervalle ouvert I et a un élément de I.

Si f admet un extremum local au point a, alors : f'a=0

 

 

Remarques

- La réciproque de la proposition précédente est évidemment fausse comme le montre l'exemple classique fx=x3 sur ℝ. Pour cet exemple, on a f'0=0 mais f ne présente pas un extremum en 0 :

La condition f'a=0 est donc nécessaire mais pas suffisante pour que la fonction f présente un extremum un point a d'un intervalle ouvert I.

- Si f admet un extremum local au point a, alors la tangente à la courbe Cf au point Aa;fa est horizontale.

 

 

Proposition

Soit f une fonction dérivable sur un intervalle ouvert I et a un élément de I.

Si f' s’annule en a en changeant de signe, alors f admet un extremum en a.

 

 

Applications
  1. Déterminer les extrema de chacune des fonctions suivantes :

1 fx=4x3-x2-12 fx=x2+2x-33 fx=x2-4x2+1

 

VI- Dérivées successives

 

Définition

Soit f une fonction dérivable sur un intervalle I de ℝ.

On dit que la fonction f est deux fois dérivable sur I si f est dérivable sur / et f' dérivable sur I.

La dérivée de la fonction I s'appelle la dérivée seconde de f est notée f".

Plus généralement, on définit par récurrence la dérivée nième de la fonction f, notée fn, comme suit :

- On pose : f0=f

- Pour n≥1, on dit que f est n fois dérivable sur I si elle est n-1 fois dérivable sur I et si fn-1 est dérivable sur I. On pose alors : fn=fn-1'.

 

 

Applications

On considère la fonction f définie sur ℝ-1 par : fx=1x-1

  1. a- Calculer f'x et f"x pour tout x∈ℝ-1
  1. b- Montrer que : ∀x∈ℝ-1 ∀n∈ℕ*  fnx=-1n.n!x-1n+1

Soit x∈ℝ.

  1. Montrer par récurrence que : ∀n∈ℕ*  sinnx=sinx+nπ2

 

VII- L'équation différentielle

 

Définition

Soit ω un nombre réel non nul.

L'équation y"+ω2y=0 où l'inconnue est une fonction y telle que y" est sa dérivée seconde est appelée équation différentielle.

Toute fonction f deux fois dérivable sur ℝ et vérifiant f"x+ω2fx=0 pour tout x∈ℝ est appelée solution de l'équation différentielle .

 

 

Proposition

Soit ω un nombre réel non nul.

La solution générale de l'équation différentielle y"+ω2y=0 est l'ensemble des fonctions y définies sur ℝ par yx=αcosωx+βsinωx où α;β∈ℝ2.

 

 

Proposition

Soit ω un nombre réel non nul et x0;y0;y1∈ℝ3.

Alors l'équation différentielle y"+ω2y=0 possède une solution unique f vérifiant les conditions : fx0=y0 et f'x0=y1.

Remarques

- Dans le cas où ω=0, l'équation différentielle y"+ω2y=0 devient y"=0. Dans ce cas, la solution générale de l'équation y"=0 est donnée par yx=ax+b où a;b∈ℝ2.

- La solution générale de l'équation différentielle y"+ω2y=0 peut encore s'écrire sous la forme yx=λcosωx+φ ou yx=λsinωx+φ avec λ;φ∈ℝ2.

 

 

Applications
  1. Résoudre les équations différentielles suivantes :

1 y"+3y=02 y"+9y=03 y"+5y=0

  1. Déterminer la solution G de l'équation différentielle y"+16y=0 telle que Gπ4=0 et G'π4=-1.