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Chapitre 7 · Cours écrit

Variations et courbes représentatives des fonctions

Sur des montagnes russes, le wagon monte quand la pente du rail est positive, et il descend quand elle est négative. Ce que l'on ressent sur le rail est le résultat central de ce chapitre : le signe de la dérivée donne le sens de variation.

Ce lien permet d'étudier une fonction de bout en bout : tableau de variations, extrémums, courbe. Il sert ensuite à trois choses : résoudre des problèmes d'optimisation, établir des inégalités, et comparer deux courbes. Le chapitre commence par les symétries d'une courbe, les fonctions paires et impaires, et il se termine par la méthode de Newton, en Python, pour approcher la solution d'une équation.

Comme à l'épreuve anticipée, tout se fait ici sans calculatrice, sauf ce que l'on confie à Python. Les encadrés « Automatisme » signalent ce qu'il faut savoir faire sans hésiter, en particulier la lecture d'une courbe.

Leçon 1 : Fonctions paires, fonctions impaires

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Fonction paire

Pour la fonction carré, 33 et −3-3 ont la même image, 99 ; de même, 22 et −2-2 ont la même image, 44. Sur la courbe, les points d'abscisses opposées sont à la même hauteur : si l'on plie la feuille le long de l'axe des ordonnées, les deux moitiés de la courbe se superposent.

Définition. Soit ff une fonction définie sur un ensemble DD. On dit que ff est paire si, pour tout xx de DD, −x-x appartient aussi à DD, et f(−x)=f(x)f(-x) = f(x).

Traduction géométrique. Dans un repère orthogonal, la courbe d'une fonction paire est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées, et réciproquement.

1.2 Fonction impaire

Pour la fonction cube, g(2)=8g(2) = 8 et g(−2)=−8g(-2) = -8 : deux nombres opposés ont des images opposées. Sur la courbe, les points d'abscisses opposées sont symétriques par rapport à l'origine : la courbe retombe sur elle-même après un demi-tour autour de l'origine.

Définition. On dit que ff est impaire si, pour tout xx de DD, −x-x appartient aussi à DD, et f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x).

Traduction géométrique. Dans un repère, la courbe d'une fonction impaire est symétrique par rapport à l'origine, et réciproquement.

Conséquence. Si ff est impaire et définie en 00, alors f(0)=−f(0)f(0) = -f(0), donc f(0)=0f(0) = 0.

1.3 Reconnaître par le calcul

On vérifie d'abord que l'ensemble de définition est symétrique par rapport à 00 : si xx en fait partie, −x-x aussi. Puis on calcule f(−x)f(-x), et on compare à f(x)f(x) et à −f(x)-f(x).

Automatisme (puissances de −x-x). Une puissance paire fait disparaître le signe moins, une puissance impaire le garde : (−x)2=x2,(−x)3=−x3,(−x)4=x4,(−x)5=−x5.(-x)^2 = x^2, \quad (-x)^3 = -x^3, \quad (-x)^4 = x^4, \quad (-x)^5 = -x^5.

Exemple 1. Soit f(x)=x4−3x2f(x) = x^4 - 3x^2 sur R\mathbb{R}. L'ensemble R\mathbb{R} est symétrique par rapport à 00, et f(−x)=(−x)4−3(−x)2=x4−3x2=f(x).f(-x) = (-x)^4 - 3(-x)^2 = x^4 - 3x^2 = f(x). La fonction ff est paire.

Exemple 2. Soit g(x)=xx2+1g(x) = \dfrac{x}{x^2 + 1} sur R\mathbb{R}. Alors g(−x)=−x(−x)2+1=−xx2+1=−g(x).g(-x) = \frac{-x}{(-x)^2 + 1} = -\frac{x}{x^2 + 1} = -g(x). La fonction gg est impaire.

Exemple 3 (la valeur absolue). Pour tout réel xx, ∣−x∣=∣x∣\lvert -x \rvert = \lvert x \rvert : la fonction valeur absolue est paire. Sa courbe en V est bien symétrique par rapport à l'axe des ordonnées.

1.4 Ni paire ni impaire

Une fonction peut n'être ni paire ni impaire. Dire que ff est paire, c'est une phrase qui commence par « pour tout xx ». Pour la nier, un seul contre-exemple suffit.

Exemple 4. Soit h(x)=x2+xh(x) = x^2 + x. On a h(1)=2h(1) = 2 et h(−1)=0h(-1) = 0. Comme h(−1)≠h(1)h(-1) \neq h(1), hh n'est pas paire. Comme h(−1)≠−h(1)h(-1) \neq -h(1), hh n'est pas impaire.

Exemple 5. La fonction racine carrée est définie sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Le nombre 44 en fait partie, mais pas −4-4 : cet ensemble n'est pas symétrique par rapport à 00. La fonction n'est ni paire ni impaire.

1.5 À connaître, et à quoi cela sert

Paires Impaires
x↦x2x \mapsto x^2, x↦x4x \mapsto x^4, x↦∣x∣x \mapsto \lvert x \rvert, x↦1x2x \mapsto \dfrac{1}{x^2} x↦xx \mapsto x, x↦x3x \mapsto x^3, x↦1xx \mapsto \dfrac1x

Le vocabulaire vient des exposants : xnx^n est paire si nn est pair, impaire si nn est impair.

Quand une fonction est paire ou impaire, il suffit de l'étudier sur les nombres positifs, puis de compléter par symétrie.

  • Fonction paire : de l'autre côté de 00, le sens de variation s'inverse.
  • Fonction impaire : de l'autre côté de 00, le sens de variation reste le même.

Exemple 6. La fonction inverse est décroissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Comme elle est impaire, elle est aussi décroissante sur ]−∞ ;0[]{-\infty}\,;0[. La fonction carré est croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Comme elle est paire, elle est décroissante sur ]−∞ ;0]]{-\infty}\,;0].

Leçon 2 : Signe de la dérivée et sens de variation

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Le lien entre les deux

Le nombre dérivé f′(a)f'(a) est la pente de la tangente au point d'abscisse aa (chapitre 5). Là où la courbe monte, les tangentes montent : leur pente est positive. Là où elle descend, leur pente est négative.

Théorème (admis). Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle II.

  • ff est croissante sur II si et seulement si f′(x)≥0f'(x) \geq 0 pour tout xx de II.
  • ff est décroissante sur II si et seulement si f′(x)≤0f'(x) \leq 0 pour tout xx de II.

Un sens se comprend bien. Si ff est croissante, tous ses taux de variation sont positifs ou nuls, car f(a+h)−f(a)f(a + h) - f(a) et hh ont le même signe. Le nombre dont ils se rapprochent, f′(a)f'(a), est donc positif ou nul.

La réciproque est admise. C'est elle qui sert : du signe de la dérivée, on déduit le sens de variation.

2.2 Variation stricte

Propriété (admise). Si f′(x)>0f'(x) > 0 pour tout xx de II, sauf peut-être en quelques points isolés où f′f' s'annule, alors ff est strictement croissante sur II. De même, si f′(x)<0f'(x) < 0 sur II avec la même réserve, ff est strictement décroissante sur II.

Exemple 7. Soit f(x)=x3+3x−1f(x) = x^3 + 3x - 1 sur R\mathbb{R}. Alors f′(x)=3x2+3f'(x) = 3x^2 + 3. Un carré est positif, donc f′(x)>0f'(x) > 0 : ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Exemple 8. Soit g(x)=x3g(x) = x^3 sur R\mathbb{R}. Alors g′(x)=3x2g'(x) = 3x^2, positif, et nul seulement en 00 : gg est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Exemple 9. Soit k(x)=1x−xk(x) = \dfrac1x - x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Alors k′(x)=−1x2−1<0k'(x) = -\dfrac{1}{x^2} - 1 < 0 : kk est strictement décroissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

2.3 Fonctions constantes

Caractérisation (admise). Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle II. La fonction ff est constante sur II si et seulement si f′(x)=0f'(x) = 0 pour tout xx de II.

Un sens est connu : la dérivée d'une constante est nulle. L'autre dit qu'une fonction dont toutes les tangentes sont horizontales ne peut pas changer de valeur.

Exemple 10. Soit f(x)=(x+1)2−(x−1)2−4xf(x) = (x + 1)^2 - (x - 1)^2 - 4x sur R\mathbb{R}. Avec la formule du produit, la dérivée de (x+1)2(x + 1)^2 est 2(x+1)2(x + 1), et celle de (x−1)2(x - 1)^2 est 2(x−1)2(x - 1). Donc f′(x)=2(x+1)−2(x−1)−4=0.f'(x) = 2(x + 1) - 2(x - 1) - 4 = 0. La fonction ff est constante sur R\mathbb{R}. Comme f(0)=1−1=0f(0) = 1 - 1 = 0, on a f(x)=0f(x) = 0 pour tout réel xx.

2.4 Le mot « intervalle » compte

Exemple 11. La fonction inverse a pour dérivée f′(x)=−1x2f'(x) = -\dfrac{1}{x^2}, strictement négative sur ]−∞ ;0[]{-\infty}\,;0[ et sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Elle est strictement décroissante sur chacun de ces intervalles. Mais pas sur leur réunion : −1<1-1 < 1, et f(−1)=−1f(-1) = -1 est plus petit que f(1)=1f(1) = 1. Une fonction décroissante inverserait cet ordre.

Exemple 12. Soit ss la fonction qui vaut −1-1 sur ]−∞ ;0[]{-\infty}\,;0[ et 11 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Sa dérivée est nulle sur chacun des deux intervalles, et ss n'est pas constante sur leur réunion.

Le théorème ne s'applique donc jamais à une réunion d'intervalles.

2.5 Lire une courbe

Automatisme (signe et variations à la lecture). Sur une courbe :

  • le signe de ff se lit par rapport à l'axe des abscisses : f(x)>0f(x) > 0 là où la courbe est au-dessus de l'axe, f(x)<0f(x) < 0 là où elle est au-dessous ;
  • les variations de ff se lisent en suivant la courbe de gauche à droite : elle monte ou elle descend ;
  • le signe de f′f' suit les variations de ff, et non le signe de ff.

Exemple 13. Une fonction ff est définie sur [−4 ;4][-4\,;4]. Sa courbe coupe l'axe des abscisses en −3-3, 00 et 33. Elle monte de (−4 ;−2)(-4\,;-2) à (−2 ;2)(-2\,;2), descend jusqu'à (2 ;−2)(2\,;-2), puis remonte jusqu'à (4 ;2)(4\,;2).

xx −4-4 −3-3 00 33 44
f(x)f(x) −- 00 ++ 00 −- 00 ++
xx −4-4 −2-2 22 44
ff −2-2 ↗\nearrow 22 ↘\searrow −2-2 ↗\nearrow 22

Entre −2-2 et 00, ff est positive, et pourtant elle décroît : f′(x)f'(x) y est négatif. Ne pas confondre le signe de ff et celui de f′f'.

Leçon 3 : Étudier une fonction

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 La méthode

  1. Préciser l'intervalle, et vérifier que ff y est dérivable.
  2. Calculer f′(x)f'(x).
  3. Étudier le signe de f′(x)f'(x) : on factorise, et on réduit au même dénominateur s'il y a une fraction.
  4. Dresser le tableau de variations, avec les images aux valeurs importantes.
  5. Conclure sur les extrémums : la plus grande et la plus petite valeur.

Automatisme (signe d'une expression factorisée). Pour une expression du second degré factorisée a(x−x1)(x−x2)a(x - x_1)(x - x_2), le signe est celui de aa à l'extérieur des racines, et le signe contraire entre les racines (chapitre 1).

3.2 Un polynôme

Exemple 14. Étudions f(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1 sur [−2 ;2][-2\,;2]. C'est un polynôme, donc ff est dérivable, et f′(x)=3x2−3=3(x2−1)=3(x−1)(x+1).f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x^2 - 1) = 3(x - 1)(x + 1). Les racines sont −1-1 et 11, et a=3>0a = 3 > 0 : f′(x)f'(x) est positif à l'extérieur des racines, négatif entre les racines. On calcule f(−2)=−8+6+1=−1f(-2) = -8 + 6 + 1 = -1, f(−1)=−1+3+1=3f(-1) = -1 + 3 + 1 = 3, f(1)=1−3+1=−1f(1) = 1 - 3 + 1 = -1 et f(2)=8−6+1=3f(2) = 8 - 6 + 1 = 3.

xx −2-2 −1-1 11 22
f′(x)f'(x) ++ 00 −- 00 ++
ff −1-1 ↗\nearrow 33 ↘\searrow −1-1 ↗\nearrow 33

Sur [−2 ;2][-2\,;2], le maximum de ff est 33, atteint en −1-1 et en 22. Le minimum est −1-1, atteint en −2-2 et en 11.

Les bornes comptent : le maximum est atteint aussi en 22, et le minimum en −2-2, alors que la dérivée ne s'y annule pas. Sur un intervalle fermé, on compare toujours les valeurs aux bornes.

3.3 Avec une fraction

Exemple 15. Étudions g(x)=x+4xg(x) = x + \dfrac4x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. La fonction est dérivable sur cet intervalle, et g′(x)=1−4x2=x2−4x2=(x−2)(x+2)x2.g'(x) = 1 - \frac{4}{x^2} = \frac{x^2 - 4}{x^2} = \frac{(x - 2)(x + 2)}{x^2}. Sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, x2>0x^2 > 0 et x+2>0x + 2 > 0 : le signe de g′(x)g'(x) est celui de x−2x - 2.

xx 00 22 +∞+\infty
g′(x)g'(x) ∥\Vert −- 00 ++
gg ∥\Vert ↘\searrow 44 ↗\nearrow

Le minimum de gg sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ est g(2)=4g(2) = 4.

La double barre rappelle que gg n'est pas définie en 00. Aucune limite n'est au programme de Première : on laisse vides les cases de +∞+\infty et de la double barre. Le comportement d'une fonction près d'une valeur interdite et vers l'infini sera étudié en Terminale.

Exemple 16 (une valeur interdite au milieu). Soit k(x)=x2x−1k(x) = \dfrac{x^2}{x - 1} sur ]−∞ ;1[]{-\infty}\,;1[ et sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[. La formule du quotient donne k′(x)=2x(x−1)−x2(x−1)2=x2−2x(x−1)2=x(x−2)(x−1)2.k'(x) = \frac{2x(x - 1) - x^2}{(x - 1)^2} = \frac{x^2 - 2x}{(x - 1)^2} = \frac{x(x - 2)}{(x - 1)^2}. Le dénominateur est positif : le signe est celui de x(x−2)x(x - 2). Avec k(0)=0k(0) = 0 et k(2)=4k(2) = 4 :

xx −∞-\infty 00 11 22 +∞+\infty
k′(x)k'(x) ++ 00 −- ∥\Vert −- 00 ++
kk ↗\nearrow 00 ↘\searrow ∥\Vert ↘\searrow 44 ↗\nearrow

3.4 Résoudre à la lecture d'une courbe

Automatisme (résoudre graphiquement). Pour résoudre f(x)=kf(x) = k, on trace la droite horizontale d'équation y=ky = k, et on lit les abscisses des points communs avec la courbe. Pour résoudre f(x)<kf(x) < k, on lit les abscisses des points de la courbe situés strictement au-dessous de cette droite.

Exemple 17. Sur la courbe de la fonction ff de l'exemple 14, sur [−2 ;2][-2\,;2] :

  • f(x)=3f(x) = 3 a pour solutions −1-1 et 22 ;
  • f(x)<3f(x) < 3 a pour ensemble de solutions [−2 ;−1[ ∪ ]−1 ;2[[-2\,;-1[\ \cup\ ]{-1}\,;2[. En −1-1 et en 22, la courbe touche la droite : l'inégalité stricte exclut ces deux nombres ;
  • f(x)=−1f(x) = -1 a pour solutions −2-2 et 11.

Leçon 4 : Extrémum et tangente horizontale

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Extrémum local

Définitions. Soit ff une fonction définie sur un intervalle II, et aa un nombre de II.

  • ff admet un maximum local en aa s'il existe un intervalle ouvert contenant aa, inclus dans II, sur lequel f(a)f(a) est la plus grande valeur de ff.
  • ff admet un minimum local en aa s'il existe un intervalle ouvert contenant aa, inclus dans II, sur lequel f(a)f(a) est la plus petite valeur de ff.

Un maximum ou un minimum s'appelle un extrémum. « Local » veut dire : autour de aa, pas forcément partout.

Exemple 18. Pour f(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1 sur R\mathbb{R}, f(−1)=3f(-1) = 3 est un maximum local, puisque f(x)≤3f(x) \leq 3 pour xx assez proche de −1-1. Mais f(3)=19f(3) = 19 : sur R\mathbb{R}, 33 n'est pas la plus grande valeur de ff.

4.2 Nombre dérivé en un extrémum

Propriété. Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle ouvert II, et aa un nombre de II. Si ff admet un extrémum local en aa, alors f′(a)=0f'(a) = 0 : la tangente au point d'abscisse aa est horizontale.

Pourquoi. Prenons un maximum local en aa. Un peu à gauche de aa, f(x)≤f(a)f(x) \leq f(a) et x−a<0x - a < 0 : le taux de variation entre aa et xx est positif ou nul. Un peu à droite, il est négatif ou nul. Or tous ces taux se rapprochent du même nombre, f′(a)f'(a). Ce nombre est à la fois positif ou nul, et négatif ou nul : il vaut 00.

4.3 La réciproque est fausse

La fonction cube fournit le contre-exemple. Pour f(x)=x3f(x) = x^3, on a f′(0)=0f'(0) = 0 : la tangente à l'origine est horizontale. Mais ff est strictement croissante sur R\mathbb{R} (exemple 8) : elle n'a pas d'extrémum en 00. La courbe traverse sa tangente.

Avec le vocabulaire de la logique :

  • « extrémum local en aa » implique « f′(a)=0f'(a) = 0 » : c'est vrai. La condition f′(a)=0f'(a) = 0 est nécessaire ;
  • « f′(a)=0f'(a) = 0 » n'implique pas « extrémum local en aa » : la réciproque est fausse. La condition n'est pas suffisante.

4.4 Une condition suffisante

Propriété. Soit ff dérivable sur un intervalle ouvert II, et aa un nombre de II. Si f′f' s'annule en aa en changeant de signe, alors ff admet un extrémum local en aa :

  • si f′f' passe de ++ à −-, c'est un maximum local ;
  • si f′f' passe de −- à ++, c'est un minimum local.

Si f′f' s'annule en aa sans changer de signe, il n'y a pas d'extrémum en aa : ff continue dans le même sens.

Exemple 19. Soit f(x)=x4−2x2f(x) = x^4 - 2x^2 sur R\mathbb{R}. Alors f′(x)=4x3−4x=4x(x−1)(x+1).f'(x) = 4x^3 - 4x = 4x(x - 1)(x + 1).

xx −∞-\infty −1-1 00 11 +∞+\infty
f′(x)f'(x) −- 00 ++ 00 −- 00 ++
ff ↘\searrow −1-1 ↗\nearrow 00 ↘\searrow −1-1 ↗\nearrow

La fonction admet un minimum local égal à −1-1, en −1-1 et en 11, et un maximum local égal à 00, en 00. Elle est paire (leçon 1), et le tableau le confirme.

Exemple 20. Soit g(x)=x3−3x2+3xg(x) = x^3 - 3x^2 + 3x sur R\mathbb{R}. Alors g′(x)=3x2−6x+3=3(x−1)2g'(x) = 3x^2 - 6x + 3 = 3(x - 1)^2. La dérivée s'annule en 11 sans changer de signe : gg est strictement croissante, et elle n'a pas d'extrémum en 11.

4.5 Deux cas à part

À la borne d'un intervalle. Sur [0 ;1][0\,;1], la fonction f(x)=xf(x) = x a un minimum en 00, alors que f′(0)=1f'(0) = 1. C'est pourquoi la propriété demande un intervalle ouvert.

Là où la fonction n'est pas dérivable. La fonction valeur absolue a un minimum en 00, mais pas de nombre dérivé en 00 (chapitre 6). La courbe y a une pointe, et non une tangente horizontale.

Leçon 5 : Second degré et dérivation

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Variations et extrémum

Soit f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c, avec a≠0a \neq 0. La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R}, et f′(x)=2ax+b.f'(x) = 2ax + b. C'est une fonction affine, qui s'annule en −b2a-\dfrac{b}{2a}.

Si a>0a > 0 : f′f' est négative, puis positive. La fonction ff est décroissante, puis croissante.

xx −∞-\infty −b2a-\dfrac{b}{2a} +∞+\infty
f′(x)f'(x) −- 00 ++
ff ↘\searrow minimum ↗\nearrow

Si a<0a < 0 : f′f' est positive, puis négative. La fonction ff est croissante, puis décroissante.

xx −∞-\infty −b2a-\dfrac{b}{2a} +∞+\infty
f′(x)f'(x) ++ 00 −-
ff ↗\nearrow maximum ↘\searrow

Dans les deux cas, l'extrémum vaut f ⁣(−b2a)f\!\left(-\dfrac{b}{2a}\right).

Allure. La courbe est une parabole, tournée vers le haut si a>0a > 0, et vers le bas si a<0a < 0. Le signe du coefficient de x2x^2 donne donc l'allure de la courbe.

Exemple 21. Soit f(x)=2x2−8x+3f(x) = 2x^2 - 8x + 3. Alors f′(x)=4x−8f'(x) = 4x - 8, nulle en 22. Comme a=2>0a = 2 > 0, ff admet un minimum, égal à f(2)=8−16+3=−5f(2) = 8 - 16 + 3 = -5.

Exemple 22. Soit g(x)=−x2+6x−5g(x) = -x^2 + 6x - 5. Alors g′(x)=−2x+6g'(x) = -2x + 6, nulle en 33. Comme a=−1<0a = -1 < 0, gg admet un maximum, égal à g(3)=−9+18−5=4g(3) = -9 + 18 - 5 = 4.

5.2 Le lien avec la forme canonique

Au chapitre 1, on a écrit f(x)=a(x−α)2+βf(x) = a(x - \alpha)^2 + \beta, et on a lu l'extrémum β\beta, atteint en α\alpha. Pour la fonction de l'exemple 21, f(x)=2(x−2)2−5f(x) = 2(x - 2)^2 - 5 : on lit α=2\alpha = 2 et β=−5\beta = -5.

La dérivée donne les mêmes nombres : α=−b2aetβ=f(α).\alpha = -\frac{b}{2a} \quad \text{et} \quad \beta = f(\alpha).

Si la forme canonique est donnée, on lit. Sinon, la dérivée est souvent plus rapide.

5.3 En contexte

Exemple 23 (un ballon de rugby). La hauteur d'un ballon, en mètres, est modélisée par h(x)=−0,02x2+0,8xh(x) = -0{,}02x^2 + 0{,}8x, où xx est la distance parcourue au sol, en mètres, avec 0≤x≤400 \leq x \leq 40. Alors h′(x)=−0,04x+0,8h'(x) = -0{,}04x + 0{,}8, nulle pour x=20x = 20. Comme a<0a < 0, c'est un maximum, et h(20)=−8+16=8h(20) = -8 + 16 = 8. Le ballon monte à 88 mètres de hauteur, à 2020 mètres du joueur. Il retombe à 4040 mètres, car h(40)=0h(40) = 0.

Leçon 6 : Résoudre un problème d'optimisation

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 La méthode

  1. Choisir la variable, et préciser son intervalle.
  2. Exprimer la grandeur à optimiser en fonction de cette variable.
  3. Étudier ses variations.
  4. Répondre à la question par une phrase, avec les unités.

6.2 Une barquette

Exemple 24. Un traiteur fabrique des barquettes à partir de plaques de carton carrées de 3030 centimètres de côté. Il découpe à chaque coin un carré de côté xx, puis il replie les bords. Quelle valeur de xx donne le plus grand volume ?

Variable. Le fond est un carré de côté 30−2x30 - 2x, et la hauteur vaut xx. Il faut x>0x > 0 et 2x<302x < 30, donc xx appartient à ]0 ;15[]0\,;15[.

Expression. Le volume, en centimètres cubes, est V(x)=x(30−2x)2=4x3−120x2+900x.V(x) = x(30 - 2x)^2 = 4x^3 - 120x^2 + 900x. On développe, car on sait dériver un polynôme.

Variations. On a V′(x)=12x2−240x+900=12(x2−20x+75)V'(x) = 12x^2 - 240x + 900 = 12(x^2 - 20x + 75). Les racines de x2−20x+75x^2 - 20x + 75 sont 55 et 1515 : leur somme vaut 2020, et leur produit 7575. Donc V′(x)=12(x−5)(x−15)V'(x) = 12(x - 5)(x - 15). Sur ]0 ;15[]0\,;15[, x−15<0x - 15 < 0 :

xx 00 55 1515
V′(x)V'(x) ++ 00 −-
VV ↗\nearrow 2 0002\,000 ↘\searrow

Réponse. V(5)=5×202=2 000V(5) = 5 \times 20^2 = 2\,000. Il faut découper des carrés de 55 centimètres de côté. La barquette a un fond de 2020 centimètres de côté, 55 centimètres de hauteur, et un volume de 2 0002\,000 centimètres cubes, soit 22 litres.

6.3 Un parc à chiens

Exemple 25. Une commune installe un parc à chiens rectangulaire de 7272 mètres carrés le long d'un mur. Seuls trois côtés sont à clôturer. Quelles dimensions demandent le moins de clôture ?

Variable. Soit x>0x > 0 la largeur, perpendiculaire au mur, en mètres. La longueur est 72x\dfrac{72}{x}.

Expression. La longueur de clôture est L(x)=2x+72xL(x) = 2x + \dfrac{72}{x}.

Variations. L′(x)=2−72x2=2(x2−36)x2=2(x−6)(x+6)x2.L'(x) = 2 - \frac{72}{x^2} = \frac{2(x^2 - 36)}{x^2} = \frac{2(x - 6)(x + 6)}{x^2}. Sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, le signe est celui de x−6x - 6.

xx 00 66 +∞+\infty
L′(x)L'(x) ∥\Vert −- 00 ++
LL ∥\Vert ↘\searrow 2424 ↗\nearrow

Réponse. L(6)=12+12=24L(6) = 12 + 12 = 24. Un parc de 66 mètres sur 1212 demande le moins de clôture : 2424 mètres.

6.4 Attention à l'intervalle

La solution dépend de l'intervalle. Si le terrain impose une largeur d'au moins 88 mètres, LL est croissante sur [8 ;+∞[[8\,;+\infty[ : le minimum est atteint en 88, et non en 66. On a L(8)=16+9=25L(8) = 16 + 9 = 25 : il faut un mètre de clôture de plus. C'est pourquoi on précise l'intervalle dès la première étape, et on regarde aussi ce qui se passe aux bornes.

Leçon 7 : Établir une inégalité

Voir la vidéo de la leçon 7

7.1 Utiliser un extrémum

Essayer quelques valeurs ne prouve rien : un intervalle contient une infinité de nombres. La dérivation donne une méthode sûre.

Propriété. Si ff admet un minimum mm sur un intervalle II, alors f(x)≥mf(x) \geq m pour tout xx de II. Si ff admet un maximum MM sur II, alors f(x)≤Mf(x) \leq M pour tout xx de II.

Exemple 26. Montrons que, pour tout x>0x > 0, x+1x≥2x + \dfrac1x \geq 2. Soit f(x)=x+1xf(x) = x + \dfrac1x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Alors f′(x)=1−1x2=(x−1)(x+1)x2,f'(x) = 1 - \frac{1}{x^2} = \frac{(x - 1)(x + 1)}{x^2}, dont le signe est celui de x−1x - 1. La fonction ff est décroissante sur ]0 ;1]]0\,;1], puis croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[. Son minimum est f(1)=2f(1) = 2. Donc f(x)≥2f(x) \geq 2 pour tout x>0x > 0, avec égalité seulement en 11.

Exemple 27 (un encadrement). Reprenons g(x)=x+4xg(x) = x + \dfrac4x de l'exemple 15, sur [1 ;4][1\,;4]. La fonction décroît de g(1)=5g(1) = 5 à g(2)=4g(2) = 4, puis croît jusqu'à g(4)=5g(4) = 5. Donc, pour tout xx de [1 ;4][1\,;4], 4≤g(x)≤54 \leq g(x) \leq 5.

7.2 Étudier une différence

Pour comparer deux expressions A(x)A(x) et B(x)B(x) sur un intervalle II, on pose d(x)=A(x)−B(x)d(x) = A(x) - B(x), et on étudie les variations de dd sur II. Si le minimum de dd est positif ou nul, alors d(x)≥0d(x) \geq 0 pour tout xx de II, donc A(x)≥B(x)A(x) \geq B(x).

Exemple 28. Montrons que, pour tout x≥0x \geq 0, x3+2≥3xx^3 + 2 \geq 3x. Soit d(x)=x3−3x+2d(x) = x^3 - 3x + 2 sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Alors d′(x)=3(x−1)(x+1)d'(x) = 3(x - 1)(x + 1), et x+1>0x + 1 > 0 sur cet intervalle.

xx 00 11 +∞+\infty
d′(x)d'(x) −- 00 ++
dd 22 ↘\searrow 00 ↗\nearrow

Le minimum de dd est d(1)=0d(1) = 0. Donc d(x)≥0d(x) \geq 0 pour tout x≥0x \geq 0.

L'intervalle compte. L'inégalité est fausse pour x=−3x = -3 : x3+2=−25x^3 + 2 = -25 et 3x=−93x = -9, et −25<−9-25 < -9.

7.3 L'approximation de la racine carrée

Au chapitre 5, on a écrit 1+h≈1+0,5h\sqrt{1 + h} \approx 1 + 0{,}5h. Avec x=1+hx = 1 + h, cela donne, près de 11, x≈1+x2\sqrt{x} \approx \dfrac{1 + x}{2}. Cette approximation est-elle trop grande ou trop petite ?

Exemple 29. Soit d(x)=1+x2−xd(x) = \dfrac{1 + x}{2} - \sqrt{x} sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Alors d′(x)=12−12x=x−12x.d'(x) = \frac12 - \frac{1}{2\sqrt{x}} = \frac{\sqrt{x} - 1}{2\sqrt{x}}. Le signe est celui de x−1\sqrt{x} - 1 : négatif sur ]0 ;1[]0\,;1[, positif sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[. Le minimum de dd est d(1)=0d(1) = 0, donc d(x)≥0d(x) \geq 0. En 00 aussi, 0=0≤12\sqrt{0} = 0 \leq \dfrac12. Ainsi, pour tout x≥0x \geq 0, x≤1+x2.\sqrt{x} \leq \frac{1 + x}{2}. L'approximation linéaire de la racine carrée en 11 est toujours un peu trop grande.

Leçon 8 : Position relative de deux courbes

Voir la vidéo de la leçon 8

8.1 La méthode

Sur un intervalle II, la courbe de ff est au-dessus de la courbe de gg si et seulement si f(x)≥g(x)f(x) \geq g(x) pour tout xx de II, c'est-à-dire si f(x)−g(x)≥0f(x) - g(x) \geq 0.

  1. Former la différence d(x)=f(x)−g(x)d(x) = f(x) - g(x).
  2. Étudier son signe : on factorise, ou on étudie ses variations.
  3. Conclure : là où d(x)>0d(x) > 0, la courbe de ff est au-dessus ; là où d(x)<0d(x) < 0, elle est au-dessous ; là où d(x)=0d(x) = 0, les courbes ont un point commun.

Exemple 30. Comparons les courbes de f(x)=x3f(x) = x^3 et g(x)=x2g(x) = x^2. On a d(x)=x3−x2=x2(x−1)d(x) = x^3 - x^2 = x^2(x - 1).

xx −∞-\infty 00 11 +∞+\infty
x2x^2 ++ 00 ++ ++
x−1x - 1 −- −- 00 ++
d(x)d(x) −- 00 −- 00 ++

Sur ]−∞ ;1[]{-\infty}\,;1[, la courbe de ff est au-dessous de celle de gg ; sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[, elle est au-dessus. Les points communs sont O(0 ;0)O(0\,;0) et A(1 ;1)A(1\,;1).

8.2 Recette et coût

Exemple 31. Un atelier fabrique des sacs en toile. Pour qq centaines de sacs, avec 0≤q≤100 \leq q \leq 10, sa recette est R(q)=24qR(q) = 24q et son coût C(q)=q3−8q2+23q+8C(q) = q^3 - 8q^2 + 23q + 8, en centaines d'euros. On a R(q)−C(q)=−q3+8q2+q−8=−(q−1)(q+1)(q−8).R(q) - C(q) = -q^3 + 8q^2 + q - 8 = -(q - 1)(q + 1)(q - 8). Sur [0 ;10][0\,;10], q+1>0q + 1 > 0. Un tableau de signes donne :

qq 00 11 88 1010
R(q)−C(q)R(q) - C(q) −- 00 ++ 00 −-

La courbe de la recette est au-dessus de celle du coût entre 11 et 88 : l'atelier réalise un bénéfice s'il vend entre 100100 et 800800 sacs.

8.3 Une courbe et sa tangente

La méthode est la même, avec pour gg la fonction affine de la tangente.

Exemple 32. La tangente à la courbe de la fonction inverse au point d'abscisse 11 a pour équation y=−x+2y = -x + 2. Sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, d(x)=1x+x−2=1+x2−2xx=(x−1)2x≥0.d(x) = \frac1x + x - 2 = \frac{1 + x^2 - 2x}{x} = \frac{(x - 1)^2}{x} \geq 0. La courbe est au-dessus de sa tangente, et elle ne la touche qu'au point d'abscisse 11. C'est l'inégalité de l'exemple 26.

Exemple 33. La tangente à la courbe de la fonction cube au point d'abscisse 11 a pour équation y=3x−2y = 3x - 2. On a d(x)=x3−3x+2=(x−1)2(x+2).d(x) = x^3 - 3x + 2 = (x - 1)^2(x + 2). Le signe est celui de x+2x + 2. La courbe est au-dessus de sa tangente sur ]−2 ;+∞[]{-2}\,;+\infty[, et au-dessous sur ]−∞ ;−2[]{-\infty}\,;-2[. La tangente recoupe la courbe au point d'abscisse −2-2, de coordonnées (−2 ;−8)(-2\,;-8).

Si l'on ne sait pas factoriser la différence, on étudie ses variations, comme à la leçon 7.

Leçon 9 : Méthode de Newton en Python

Voir la vidéo de la leçon 9

9.1 L'idée

On veut résoudre f(x)=0f(x) = 0, lorsqu'aucune formule n'est disponible. L'idée de Newton : on remplace la courbe par sa tangente, car on sait où une droite coupe l'axe des abscisses.

On part d'un nombre x0x_0. La tangente au point d'abscisse x0x_0 coupe l'axe en un nombre x1x_1. La tangente au point d'abscisse x1x_1 le coupe en x2x_2, et ainsi de suite.

9.2 La formule

La tangente au point d'abscisse aa a pour équation y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a). Elle coupe l'axe des abscisses là où y=0y = 0. Si f′(a)≠0f'(a) \neq 0, cela donne x=a−f(a)f′(a)x = a - \dfrac{f(a)}{f'(a)}. On obtient une suite définie par son premier terme et la relation xn+1=xn−f(xn)f′(xn).x_{n + 1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)}.

Exemple 34. Pour f(x)=x2−2f(x) = x^2 - 2, on a f′(x)=2xf'(x) = 2x. La solution positive de f(x)=0f(x) = 0 est 2\sqrt2. Avec x0=2x_0 = 2 : x1=2−24=1,5,x2=1,5−0,253=1712≈1,4167.x_1 = 2 - \frac24 = 1{,}5, \qquad x_2 = 1{,}5 - \frac{0{,}25}{3} = \frac{17}{12} \approx 1{,}4167.

9.3 Le programme

def f(x):
    return x**2 - 2

def df(x):
    return 2*x

def newton(x0, n):
    liste = [x0]
    x = x0
    for k in range(n):
        x = x - f(x) / df(x)
        liste.append(x)
    return liste

En langage naturel, l'instruction de la boucle s'écrit x←x−f(x)f′(x)x \leftarrow x - \dfrac{f(x)}{f'(x)}. Chaque tâche a sa fonction : pour changer d'équation, on ne modifie que f et df.

Étape Valeur renvoyée par newton(2, 5) Décimales justes
00 2
11 1.5 aucune
22 1.4166666666666667 22
33 1.4142156862745099 55
44 1.4142135623746899 1111
55 1.4142135623730951 toutes celles affichées

La convergence est très rapide : le nombre de décimales justes double à peu près à chaque étape.

9.4 Une équation sans formule

Exemple 35. Soit f(x)=x3+x−1f(x) = x^3 + x - 1. Sa dérivée, f′(x)=3x2+1f'(x) = 3x^2 + 1, est strictement positive : ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}. Sur sa courbe, on voit qu'elle coupe l'axe des abscisses une seule fois, entre 00 et 11. Avec f et df adaptées, newton(1, 4) renvoie [1, 0.75, 0.686046511627907, 0.6823395825973142, 0.6823278039465127]. La solution vaut environ 0,68230{,}6823.

9.5 Des cas favorables

La méthode n'est pas magique. Si la tangente est horizontale, elle ne coupe pas l'axe : la formule diviserait par zéro. Si le point de départ est mal choisi, les nombres obtenus peuvent s'éloigner de la solution.

On se limite donc à des cas favorables : ff est strictement monotone autour de la solution, sa dérivée ne s'y annule pas, et on part assez près. Un calcul numérique donne une très bonne valeur approchée, mais il ne démontre rien sur la solution.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Parité : ff est paire si f(−x)=f(x)f(-x) = f(x) pour tout xx, courbe symétrique par rapport à l'axe des ordonnées ; impaire si f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x) pour tout xx, courbe symétrique par rapport à l'origine. Un contre-exemple suffit à le nier.
  2. Sens de variation : sur un intervalle, ff est croissante si et seulement si f′≥0f' \geq 0, décroissante si et seulement si f′≤0f' \leq 0, constante si et seulement si f′=0f' = 0. Jamais sur une réunion d'intervalles.
  3. Étude d'une fonction : intervalle, dérivée, signe, tableau de variations, extrémums. Sur un intervalle fermé, on compare les valeurs aux bornes.
  4. Extrémum : sur un intervalle ouvert, un extrémum local en aa implique f′(a)=0f'(a) = 0 et une tangente horizontale. La réciproque est fausse (x↦x3x \mapsto x^3 en 00). Ce qui suffit, c'est que f′f' s'annule en changeant de signe.
  5. Second degré : f′(x)=2ax+bf'(x) = 2ax + b, extrémum en −b2a-\dfrac{b}{2a} ; minimum et courbe tournée vers le haut si a>0a > 0, maximum et courbe tournée vers le bas si a<0a < 0.
  6. Optimisation : variable et intervalle, expression, variations, réponse par une phrase.
  7. Inégalité : on étudie un minimum ou un maximum, souvent celui d'une différence, sur l'intervalle donné.
  8. Position relative : signe de f(x)−g(x)f(x) - g(x). Une courbe peut rester d'un côté de sa tangente, ou la traverser.
  9. Newton : xn+1=xn−f(xn)f′(xn)x_{n + 1} = x_n - \dfrac{f(x_n)}{f'(x_n)}, dans des cas favorables.

Rituel d'automatismes

Douze questions à réponses courtes, sans calculatrice, à faire en dix minutes environ : six sur ce chapitre, six sur des automatismes déjà travaillés. C'est le format de la première partie de l'épreuve anticipée. Télécharger le rituel du chapitre 7 (PDF, avec son corrigé).

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