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Chapitre 5 · Cours écrit

Dérivation et convexité

En Première, tu as appris à dériver les fonctions de référence, des sommes, des produits et des quotients, puis à lire le sens de variation d'une fonction sur le signe de sa dérivée. Ce chapitre ajoute deux outils. La dérivée d'une fonction composée permet de dériver des fonctions comme x2+9\sqrt{x^2+9} ou e−x2\mathrm{e}^{-x^2}. La dérivée seconde permet d'étudier la convexité d'une fonction : la forme de sa courbe, tournée vers le haut ou vers le bas. La convexité sert ensuite à démontrer des inégalités.

Dans tout le chapitre, II désigne un intervalle de R\mathbb{R} et Cf\mathcal{C}_f la courbe représentative de la fonction ff dans un repère du plan.

Leçon 1 : Rappels sur la dérivation

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Nombre dérivé et tangente

Soit ff une fonction définie sur II et aa un réel de II. Le taux de variation de ff entre aa et a+ha + h (h≠0h \neq 0) est f(a+h)−f(a)h\dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} : c'est la pente de la sécante qui passe par les points d'abscisses aa et a+ha + h. Si ce taux a une limite finie quand hh tend vers 00, ff est dérivable en aa, et cette limite est le nombre dérivé f′(a)f'(a).

Tangente. La tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse aa est la droite qui passe par A(a ;f(a))A\big(a\,;f(a)\big) et qui a pour coefficient directeur f′(a)f'(a). Son équation est y=f(a)+f′(a)(x−a).y = f(a) + f'(a)(x - a).

1.2 Dérivées des fonctions de référence

f(x)f(x) f′(x)f'(x) ff est dérivable sur
kk (constante) 00 R\mathbb{R}
xx 11 R\mathbb{R}
xnx^n (nn entier, n≥1n \geq 1) n xn−1n\,x^{n-1} R\mathbb{R}
1x\dfrac{1}{x} −1x2-\dfrac{1}{x^2} ]−∞ ;0[]-\infty\,;0[ et ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[
1xn=x−n\dfrac{1}{x^n} = x^{-n} (nn entier, n≥1n \geq 1) −nxn+1-\dfrac{n}{x^{n+1}} ]−∞ ;0[]-\infty\,;0[ et ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[
x\sqrt{x} 12x\dfrac{1}{2\sqrt{x}} ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[
ex\mathrm{e}^x ex\mathrm{e}^x R\mathbb{R}

La formule (xn)′=n xn−1(x^n)' = n\,x^{n-1} reste vraie pour tout entier nn négatif, pour x≠0x \neq 0 : par exemple (x−2)′=−2x−3(x^{-2})' = -2x^{-3}. La fonction racine carrée est définie en 00 mais n'y est pas dérivable.

1.3 Règles de calcul

Soient uu et vv deux fonctions dérivables sur II, et kk un réel.

Fonction Dérivée Condition
u+vu + v u′+v′u' + v'
k uk\,u k u′k\,u'
u vu\,v u′ v+u v′u'\,v + u\,v'
1v\dfrac{1}{v} −v′v2-\dfrac{v'}{v^2} vv ne s'annule pas sur II
uv\dfrac{u}{v} u′ v−u v′v2\dfrac{u'\,v - u\,v'}{v^2} vv ne s'annule pas sur II

Avec une fonction affine. Si gg est dérivable, la fonction x↦g(ax+b)x \mapsto g(ax + b) a pour dérivée x↦a g′(ax+b)x \mapsto a\,g'(ax + b). Par exemple, (ekx)′=k ekx\left(\mathrm{e}^{kx}\right)' = k\,\mathrm{e}^{kx} et ((3x−2)5)′=3×5 (3x−2)4=15 (3x−2)4\left((3x - 2)^5\right)' = 3 \times 5\,(3x-2)^4 = 15\,(3x-2)^4.

1.4 Signe de la dérivée et variations

Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle II (propriété de Première) :

  • si f′(x)≥0f'(x) \geq 0 pour tout xx de II, alors ff est croissante sur II ;
  • si f′(x)≤0f'(x) \leq 0 pour tout xx de II, alors ff est décroissante sur II ;
  • si f′(x)=0f'(x) = 0 pour tout xx de II, alors ff est constante sur II.

Si f′f' s'annule en aa en changeant de signe, alors ff admet un extremum local en aa : un maximum si f′f' passe du signe ++ au signe −-, un minimum dans l'autre cas. Dans tous les cas, en un extremum local aa qui n'est pas une borne de II, f′(a)=0f'(a) = 0 : la tangente y est horizontale.

1.5 Deux exemples

Exemple 1. Soit f(x)=(3x−1) e2xf(x) = (3x - 1)\,\mathrm{e}^{2x} sur R\mathbb{R}.

Dérivée. On pose u(x)=3x−1u(x) = 3x - 1 et v(x)=e2xv(x) = \mathrm{e}^{2x} : u′(x)=3u'(x) = 3 et v′(x)=2 e2xv'(x) = 2\,\mathrm{e}^{2x}. Par la règle du produit, f′(x)=3 e2x+(3x−1)×2 e2x=(3+6x−2) e2x=(6x+1) e2x.f'(x) = 3\,\mathrm{e}^{2x} + (3x - 1) \times 2\,\mathrm{e}^{2x} = (3 + 6x - 2)\,\mathrm{e}^{2x} = (6x + 1)\,\mathrm{e}^{2x}.

Variations. Comme e2x>0\mathrm{e}^{2x} > 0, f′(x)f'(x) a le signe de 6x+16x + 1 : négatif si x<−16x < -\frac16, positif si x>−16x > -\frac16.

xx −∞-\infty −16-\frac16 +∞+\infty
f′(x)f'(x) −- 00 ++
ff décroissante −32 e−1/3-\frac32\,\mathrm{e}^{-1/3} croissante

ff admet un minimum en −16-\frac16 : f ⁣(−16)=(−12−1)e−1/3=−32 e−1/3≈−1,075f\!\left(-\frac16\right) = \left(-\frac12 - 1\right)\mathrm{e}^{-1/3} = -\frac32\,\mathrm{e}^{-1/3} \approx -1{,}075.

Tangente en 00. f(0)=−1f(0) = -1 et f′(0)=1f'(0) = 1, donc la tangente a pour équation y=−1+1×(x−0)y = -1 + 1 \times (x - 0), soit y=x−1y = x - 1.

Exemple 2. Soit g(x)=x−1x+2g(x) = \dfrac{x - 1}{x + 2} sur ]−2 ;+∞[]-2\,;+\infty[. Par la règle du quotient, avec u(x)=x−1u(x) = x - 1 et v(x)=x+2v(x) = x + 2 : g′(x)=1×(x+2)−(x−1)×1(x+2)2=3(x+2)2>0.g'(x) = \frac{1 \times (x + 2) - (x - 1) \times 1}{(x + 2)^2} = \frac{3}{(x + 2)^2} > 0. La fonction gg est strictement croissante sur ]−2 ;+∞[]-2\,;+\infty[.

1.6 Un peu d'histoire

Le programme le rappelle : le calcul différentiel s'est développé au XVIIe siècle, en même temps que la physique mathématique. Fermat, Huygens, Pascal et Barrow étudient le problème des tangentes, et reconnaissent qu'il est l'inverse du problème des aires. Les travaux de Newton et de Leibniz révèlent ensuite deux visions et deux pratiques différentes de ce calcul. Il faudra attendre la notion de limite pour lui donner des fondements solides.

Leçon 2 : Composée de deux fonctions

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Définition

Pour calculer x2+1\sqrt{x^2 + 1}, on fait deux étapes : on calcule d'abord x2+1x^2 + 1, puis on prend la racine carrée du résultat. On enchaîne deux fonctions.

Définition. Soit uu une fonction définie sur un intervalle II et vv une fonction définie sur un intervalle JJ, telles que u(x)u(x) appartienne à JJ pour tout xx de II. La composée de uu suivie de vv est la fonction notée v∘uv \circ u (on lit « vv rond uu »), définie sur II par (v∘u)(x)=v(u(x)).(v \circ u)(x) = v\big(u(x)\big).

On l'écrit aussi sous forme d'une chaîne : x  →  u    u(x)  →  v    v(u(x))x \;\xrightarrow{\;u\;}\; u(x) \;\xrightarrow{\;v\;}\; v\big(u(x)\big). On applique d'abord uu, puis vv : dans l'écriture v∘uv \circ u, la première fonction appliquée est celle de droite.

Exemple 3. Soit u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1 sur R\mathbb{R} et v(X)=Xv(X) = \sqrt{X} sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Pour tout réel xx, u(x)=x2+1≥1≥0u(x) = x^2 + 1 \geq 1 \geq 0 : la composée v∘uv \circ u est définie sur R\mathbb{R} et (v∘u)(x)=x2+1.(v \circ u)(x) = \sqrt{x^2 + 1}. Par exemple, (v∘u)(2)=v(5)=5(v \circ u)(2) = v(5) = \sqrt5.

2.2 L'ordre compte

Avec les mêmes fonctions, on peut aussi appliquer vv d'abord, puis uu. Pour x≥0x \geq 0 : (u∘v)(x)=u(x)=(x)2+1=x+1.(u \circ v)(x) = u\big(\sqrt{x}\big) = \left(\sqrt{x}\right)^2 + 1 = x + 1. Ainsi (u∘v)(2)=3(u \circ v)(2) = 3, alors que (v∘u)(2)=5≈2,236(v \circ u)(2) = \sqrt5 \approx 2{,}236. En général, v∘uv \circ u et u∘vu \circ v sont deux fonctions différentes.

2.3 Reconnaître une composée

Pour dériver ou pour chercher une limite, on doit savoir écrire une fonction comme une composée.

Fonction Intérieur u(x)u(x) Extérieur v(X)v(X)
e−x2\mathrm{e}^{-x^2} −x2-x^2 eX\mathrm{e}^X
(3x−1)5(3x - 1)^5 3x−13x - 1 X5X^5
1x2+4\dfrac{1}{x^2 + 4} x2+4x^2 + 4 1X\dfrac1X
6−2x\sqrt{6 - 2x} 6−2x6 - 2x X\sqrt{X}
e1/x\mathrm{e}^{1/x} 1x\dfrac1x eX\mathrm{e}^X

Méthode. On se demande quelle est la dernière opération effectuée quand on calcule f(x)f(x) à partir de xx : c'est la fonction extérieure vv. Ce qui est « à l'intérieur » est u(x)u(x).

2.4 Ensemble de définition

Pour que v(u(x))v\big(u(x)\big) existe, il faut que u(x)u(x) existe et que u(x)u(x) appartienne à l'ensemble de définition de vv.

Exemple 4. f(x)=6−2xf(x) = \sqrt{6 - 2x}. La racine carrée n'est définie que pour un nombre positif ou nul : il faut 6−2x≥06 - 2x \geq 0, c'est-à-dire x≤3x \leq 3. Donc ff est définie sur ]−∞ ;3]]-\infty\,;3].

Exemple 5. g(x)=1x2−4g(x) = \dfrac{1}{x^2 - 4}. Il faut x2−4≠0x^2 - 4 \neq 0, c'est-à-dire x≠2x \neq 2 et x≠−2x \neq -2. Donc gg est définie sur R∖{−2 ;2}\mathbb{R} \setminus \{-2\,;2\}.

Exemple 6. h(x)=x2−2x+5h(x) = \sqrt{x^2 - 2x + 5}. Sous forme canonique, x2−2x+5=(x−1)2+4≥4>0x^2 - 2x + 5 = (x - 1)^2 + 4 \geq 4 > 0 pour tout réel xx. Donc hh est définie sur R\mathbb{R}.

2.5 Lien avec les limites

Au chapitre 4, tu as calculé des limites de fonctions composées en posant X=u(x)X = u(x) : on cherche la limite de XX, puis celle de v(X)v(X). C'est exactement la décomposition v∘uv \circ u. Par exemple, pour e−x2\mathrm{e}^{-x^2} en +∞+\infty : X=−x2→−∞X = -x^2 \to -\infty, et eX→0\mathrm{e}^X \to 0, donc lim⁡x→+∞e−x2=0\lim\limits_{x\to+\infty} \mathrm{e}^{-x^2} = 0.

Leçon 3 : Dérivée d'une fonction composée

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Le théorème

Théorème (admis). Soit uu une fonction dérivable sur un intervalle II, et vv une fonction dérivable sur un intervalle JJ, telles que u(x)u(x) appartienne à JJ pour tout xx de II. Alors v∘uv \circ u est dérivable sur II et (v∘u)′=(v′∘u)×u′,c’est-aˋ-dire(v∘u)′(x)=v′(u(x))×u′(x).(v \circ u)' = (v' \circ u) \times u', \qquad\text{c'est-à-dire}\qquad (v \circ u)'(x) = v'\big(u(x)\big) \times u'(x).

Bien lire la formule. On dérive la fonction extérieure vv en gardant l'intérieur u(x)u(x), puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur, u′(x)u'(x).

On retrouve la règle de Première. Si u(x)=ax+bu(x) = ax + b, alors u′(x)=au'(x) = a et la formule donne (v(ax+b))′=a v′(ax+b)\big(v(ax + b)\big)' = a\,v'(ax + b).

3.2 Trois formules à connaître

Soit uu une fonction dérivable sur II.

Fonction Dérivée Condition
eu\mathrm{e}^{u} u′ euu'\,\mathrm{e}^{u}
unu^n (nn entier, n≥1n \geq 1) n u′ un−1n\,u'\,u^{n-1}
unu^n (nn entier, n≤−1n \leq -1) n u′ un−1n\,u'\,u^{n-1} uu ne s'annule pas sur II
u\sqrt{u} u′2u\dfrac{u'}{2\sqrt{u}} u(x)>0u(x) > 0 pour tout xx de II

Elles viennent toutes du théorème. Par exemple, pour u\sqrt{u} : la fonction extérieure est v(X)=Xv(X) = \sqrt{X}, de dérivée v′(X)=12Xv'(X) = \dfrac{1}{2\sqrt X}, donc (u)′=12u×u′\left(\sqrt{u}\right)' = \dfrac{1}{2\sqrt{u}} \times u'. Le cas n=−1n = -1 redonne la règle de Première (1u)′=−u′u2\left(\dfrac1u\right)' = -\dfrac{u'}{u^2}.

3.3 Exemples

Exemple 7. f(x)=e−x2f(x) = \mathrm{e}^{-x^2} sur R\mathbb{R}. On pose u(x)=−x2u(x) = -x^2, donc u′(x)=−2xu'(x) = -2x : f′(x)=−2x e−x2.f'(x) = -2x\,\mathrm{e}^{-x^2}.

Exemple 8. g(x)=(x2−3x)4g(x) = \left(x^2 - 3x\right)^4 sur R\mathbb{R}. On pose u(x)=x2−3xu(x) = x^2 - 3x, donc u′(x)=2x−3u'(x) = 2x - 3 : g′(x)=4 (2x−3)(x2−3x)3.g'(x) = 4\,(2x - 3)\left(x^2 - 3x\right)^3.

Exemple 9. h(x)=x2+9h(x) = \sqrt{x^2 + 9} sur R\mathbb{R}. Pour tout réel xx, x2+9>0x^2 + 9 > 0. On pose u(x)=x2+9u(x) = x^2 + 9, donc u′(x)=2xu'(x) = 2x : h′(x)=2x2x2+9=xx2+9.h'(x) = \frac{2x}{2\sqrt{x^2 + 9}} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + 9}}. Tangente au point d'abscisse 44. h(4)=25=5h(4) = \sqrt{25} = 5 et h′(4)=45h'(4) = \dfrac45. La tangente a pour équation y=5+45(x−4)y = 5 + \dfrac45(x - 4), soit y=0,8 x+1,8y = 0{,}8\,x + 1{,}8.

Exemple 10. k(x)=1(x2+1)2=(x2+1)−2k(x) = \dfrac{1}{\left(x^2 + 1\right)^2} = \left(x^2 + 1\right)^{-2} sur R\mathbb{R}. On pose u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1, qui ne s'annule pas, et on applique la formule avec n=−2n = -2 : k′(x)=−2×2x×(x2+1)−3=−4x(x2+1)3.k'(x) = -2 \times 2x \times \left(x^2 + 1\right)^{-3} = -\frac{4x}{\left(x^2 + 1\right)^3}.

3.4 Deux pièges

  • Oublier de multiplier par u′u'. La dérivée de ex2\mathrm{e}^{x^2} n'est pas ex2\mathrm{e}^{x^2}, mais 2x ex22x\,\mathrm{e}^{x^2}. La dérivée de x2+9\sqrt{x^2 + 9} n'est pas 12x2+9\dfrac{1}{2\sqrt{x^2 + 9}}.
  • Se tromper d'extérieur. (ex)2\left(\mathrm{e}^x\right)^2 et ex2\mathrm{e}^{x^2} sont deux fonctions différentes. Pour la première, l'extérieur est X2X^2 : sa dérivée est 2 ex×ex=2 e2x2\,\mathrm{e}^x \times \mathrm{e}^x = 2\,\mathrm{e}^{2x}.

3.5 Pour comprendre la formule (hors attendus du programme)

Le programme ne demande pas de démontrer cette formule. Voici l'idée. Pour xx proche de aa, avec u(x)≠u(a)u(x) \neq u(a), on écrit le taux de variation de v∘uv \circ u en deux morceaux : v(u(x))−v(u(a))x−a=v(u(x))−v(u(a))u(x)−u(a)×u(x)−u(a)x−a.\frac{v\big(u(x)\big) - v\big(u(a)\big)}{x - a} = \frac{v\big(u(x)\big) - v\big(u(a)\big)}{u(x) - u(a)} \times \frac{u(x) - u(a)}{x - a}. Quand xx tend vers aa, u(x)u(x) tend vers u(a)u(a) (on l'admet ici, le chapitre 7 y reviendra). Le premier facteur tend alors vers v′(u(a))v'\big(u(a)\big) et le second vers u′(a)u'(a).

Leçon 4 : Étude complète d'une fonction

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 La méthode

Le programme demande de savoir « calculer la fonction dérivée, déterminer les limites et étudier les variations d'une fonction construite simplement à partir des fonctions de référence ». On procède en six étapes.

  1. Ensemble de définition (avec la leçon 2 pour une composée).
  2. Limites aux bornes de l'ensemble de définition (chapitre 4), et asymptotes éventuelles.
  3. Dérivée, mise si possible sous forme factorisée.
  4. Signe de la dérivée, avec un tableau de signes si nécessaire.
  5. Tableau de variations complet : signe de f′f', flèches, limites et valeurs des extremums.
  6. Allure de la courbe, à partir du tableau.

4.2 Un exemple avec une racine carrée

Exemple 11. Soit f(x)=x3−xf(x) = x\sqrt{3 - x}.

1. Ensemble de définition. Il faut 3−x≥03 - x \geq 0, soit x≤3x \leq 3 : ff est définie sur ]−∞ ;3]]-\infty\,;3]. Elle est dérivable sur ]−∞ ;3[]-\infty\,;3[, où 3−x>03 - x > 0.

2. Limite en −∞-\infty. Quand x→−∞x \to -\infty, 3−x→+∞3 - x \to +\infty, donc 3−x→+∞\sqrt{3 - x} \to +\infty (composition). Par produit, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\lim\limits_{x\to-\infty} f(x) = -\infty. En l'autre borne, f(3)=3×0=0f(3) = 3 \times 0 = 0.

3. Dérivée. On dérive le produit, avec (3−x)′=−123−x\left(\sqrt{3 - x}\right)' = \dfrac{-1}{2\sqrt{3 - x}} : pour x<3x < 3, f′(x)=3−x+x×−123−x=2(3−x)−x23−x=6−3x23−x=3(2−x)23−x.f'(x) = \sqrt{3 - x} + x \times \frac{-1}{2\sqrt{3 - x}} = \frac{2(3 - x) - x}{2\sqrt{3 - x}} = \frac{6 - 3x}{2\sqrt{3 - x}} = \frac{3(2 - x)}{2\sqrt{3 - x}}.

4. Signe. Le dénominateur est strictement positif : f′(x)f'(x) a le signe de 2−x2 - x, positif sur ]−∞ ;2[]-\infty\,;2[, négatif sur ]2 ;3[]2\,;3[.

5. Tableau de variations. f(2)=21=2f(2) = 2\sqrt{1} = 2.

xx −∞-\infty 22 33
f′(x)f'(x) ++ 00 −-
ff −∞-\infty croissante 22 décroissante 00

6. Courbe. Elle vient de −∞-\infty, passe par l'origine (f(0)=0f(0) = 0), monte jusqu'au point (2 ;2)(2\,;2), où la tangente est horizontale, puis redescend jusqu'au point (3 ;0)(3\,;0). Quelques valeurs : f(−2)=−25≈−4,47f(-2) = -2\sqrt5 \approx -4{,}47, f(−1)=−2f(-1) = -2, f(1)=2≈1,41f(1) = \sqrt2 \approx 1{,}41.

4.3 Un exemple avec l'exponentielle

Exemple 12. Soit f(x)=e−x2f(x) = \mathrm{e}^{-x^2} sur R\mathbb{R}.

  • Limites. Quand x→+∞x \to +\infty ou x→−∞x \to -\infty, −x2→−∞-x^2 \to -\infty, et eX→0\mathrm{e}^X \to 0 quand X→−∞X \to -\infty. Donc ff tend vers 00 en +∞+\infty et en −∞-\infty : l'axe des abscisses est asymptote horizontale des deux côtés.
  • Dérivée (exemple 7) : f′(x)=−2x e−x2f'(x) = -2x\,\mathrm{e}^{-x^2}, du signe de −2x-2x.
  • Variations. ff est croissante sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0], décroissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, et son maximum est f(0)=1f(0) = 1.

La courbe a la forme d'une cloche, symétrique par rapport à l'axe des ordonnées, car f(−x)=f(x)f(-x) = f(x). On la retrouvera à la leçon 7.

Leçon 5 : Dérivée seconde et convexité

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Dérivée seconde

Définition. Soit ff une fonction dérivable sur II. Si sa dérivée f′f' est elle-même dérivable sur II, la dérivée de f′f' s'appelle la dérivée seconde de ff. On la note f′′f'' (on lit « ff seconde ») : f′′=(f′)′f'' = (f')'. On dit alors que ff est deux fois dérivable sur II.

Exemple 13. f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2 : f′(x)=3x2−6xf'(x) = 3x^2 - 6x et f′′(x)=6x−6f''(x) = 6x - 6.

Exemple 14. g(x)=x exg(x) = x\,\mathrm{e}^x : g′(x)=ex+x ex=(x+1) exg'(x) = \mathrm{e}^x + x\,\mathrm{e}^x = (x + 1)\,\mathrm{e}^x, puis g′′(x)=ex+(x+1) ex=(x+2) exg''(x) = \mathrm{e}^x + (x + 1)\,\mathrm{e}^x = (x + 2)\,\mathrm{e}^x.

Interprétation. f′(x)f'(x) est la pente de la tangente ; f′′(x)f''(x) indique comment cette pente varie. En physique, si d(t)d(t) est la distance parcourue au temps tt, d′(t)d'(t) est la vitesse et d′′(t)d''(t) l'accélération.

5.2 Fonction convexe, fonction concave

Une sécante à la courbe Cf\mathcal{C}_f est une droite qui passe par deux points AA et BB de la courbe.

Définition (programme). Soit ff une fonction définie sur un intervalle II.

  • ff est convexe sur II si, pour tous points AA et BB de Cf\mathcal{C}_f d'abscisses dans II, la portion de courbe comprise entre AA et BB est située en dessous du segment [AB][AB].
  • ff est concave sur II si cette portion de courbe est toujours située au-dessus du segment [AB][AB].

Avec des calculs : si a<ba < b sont deux réels de II, la sécante passant par A(a ;f(a))A\big(a\,;f(a)\big) et B(b ;f(b))B\big(b\,;f(b)\big) a pour équation y=f(a)+f(b)−f(a)b−a(x−a)y = f(a) + \dfrac{f(b) - f(a)}{b - a}(x - a). Dire que ff est convexe, c'est dire que, pour tous a<ba < b de II et tout xx de [a ;b][a\,;b], f(x)≤f(a)+f(b)−f(a)b−a(x−a).f(x) \leq f(a) + \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(x - a).

Image mentale. Une courbe convexe est « tournée vers le haut », comme un bol ; une courbe concave est « tournée vers le bas », comme un dôme. Une fonction ff est concave sur II si et seulement si −f-f est convexe sur II.

5.3 La fonction carré est convexe

Exemple 15. Soient a<ba < b deux réels, A(a ;a2)A(a\,;a^2) et B(b ;b2)B(b\,;b^2). La pente de la sécante (AB)(AB) vaut b2−a2b−a=a+b\dfrac{b^2 - a^2}{b - a} = a + b, et son équation est y=a2+(a+b)(x−a)y = a^2 + (a + b)(x - a), soit y=(a+b)x−aby = (a + b)x - ab. Alors, pour tout réel xx : x2−((a+b)x−ab)=x2−(a+b)x+ab=(x−a)(x−b).x^2 - \big((a + b)x - ab\big) = x^2 - (a+b)x + ab = (x - a)(x - b). Si a≤x≤ba \leq x \leq b, on a x−a≥0x - a \geq 0 et x−b≤0x - b \leq 0, donc (x−a)(x−b)≤0(x - a)(x - b) \leq 0 : la courbe est sous la sécante entre AA et BB. La fonction carré est convexe sur R\mathbb{R}.

Par exemple, pour a=−1a = -1 et b=2b = 2, la sécante a pour équation y=x+2y = x + 2, et x2≤x+2x^2 \leq x + 2 pour tout xx de [−1 ;2][-1\,;2].

Exemple 16 (la racine carrée). Entre O(0 ;0)O(0\,;0) et B(4 ;2)B(4\,;2), la sécante a pour équation y=x2y = \dfrac{x}{2}. Pour 0≤x≤40 \leq x \leq 4 : x≥x2  ⟺  x≥x24\sqrt{x} \geq \dfrac{x}{2} \iff x \geq \dfrac{x^2}{4} (les deux membres sont positifs)   ⟺  x(4−x)≥0\iff x(4 - x) \geq 0, ce qui est vrai. La courbe est au-dessus de cette sécante : c'est ce qu'on attend d'une fonction concave. On le démontrera pour toutes les sécantes à la leçon 6.

5.4 Les fonctions de référence

On lit sur leurs courbes, et on justifiera à la leçon 6 :

Fonction Convexe sur Concave sur
x↦x2x \mapsto x^2 R\mathbb{R}
x↦exx \mapsto \mathrm{e}^x R\mathbb{R}
x↦xx \mapsto \sqrt{x} [0 ;+∞[[0\,;+\infty[
x↦1xx \mapsto \dfrac1x ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ ]−∞ ;0[]-\infty\,;0[
x↦x3x \mapsto x^3 [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ ]−∞ ;0]]-\infty\,;0]
x↦ax+bx \mapsto ax + b R\mathbb{R} R\mathbb{R}

Une fonction affine est à la fois convexe et concave : sa courbe est confondue avec ses sécantes.

Leçon 6 : Convexité et dérivées

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Les caractérisations (admises)

Théorème (équivalence admise par le programme). Soit ff une fonction deux fois dérivable sur un intervalle II. Les quatre propositions suivantes sont équivalentes :

  1. ff est convexe sur II ;
  2. la courbe Cf\mathcal{C}_f est située au-dessus de chacune de ses tangentes sur II ;
  3. la dérivée f′f' est croissante sur II ;
  4. la dérivée seconde f′′f'' est positive sur II : f′′(x)≥0f''(x) \geq 0 pour tout xx de II.

De même, ff est concave sur II si et seulement si Cf\mathcal{C}_f est en dessous de ses tangentes, si et seulement si f′f' est décroissante sur II, si et seulement si f′′≤0f'' \leq 0 sur II.

Pourquoi c'est naturel. Sur une courbe convexe, quand on avance de gauche à droite, la pente des tangentes augmente : f′f' croît. Et f′f' croissante, c'est f′′≥0f'' \geq 0 (signe de la dérivée et variations, appliqué à f′f').

En pratique, on étudie la convexité avec le signe de f′′f''.

6.2 Démonstration du programme

Propriété. Si f′′f'' est positive sur II, alors la courbe représentative de ff est au-dessus de ses tangentes.

Démonstration. Soit aa un réel de II. La tangente TaT_a à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse aa a pour équation y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a). On étudie l'écart entre la courbe et la tangente : g(x)=f(x)−(f(a)+f′(a)(x−a)),x∈I.g(x) = f(x) - \big(f(a) + f'(a)(x - a)\big), \qquad x \in I.

  1. La fonction gg est dérivable sur II et g′(x)=f′(x)−f′(a)g'(x) = f'(x) - f'(a) (car f(a)f(a) et f′(a)f'(a) sont des constantes).
  2. Comme f′′≥0f'' \geq 0 sur II, la fonction f′f' est croissante sur II. Donc :
    • si x≤ax \leq a, alors f′(x)≤f′(a)f'(x) \leq f'(a), donc g′(x)≤0g'(x) \leq 0 ;
    • si x≥ax \geq a, alors f′(x)≥f′(a)f'(x) \geq f'(a), donc g′(x)≥0g'(x) \geq 0.
  3. La fonction gg est donc décroissante sur I∩ ]−∞ ;a]I \cap\, ]-\infty\,;a] et croissante sur I∩[a ;+∞[I \cap [a\,;+\infty[. Elle atteint son minimum en aa, et ce minimum vaut g(a)=f(a)−f(a)−0=0g(a) = f(a) - f(a) - 0 = 0.
xx aa
g′(x)g'(x) −- 00 ++
gg décroissante 00 croissante
  1. Donc g(x)≥0g(x) \geq 0 pour tout xx de II, c'est-à-dire f(x)≥f(a)+f′(a)(x−a)f(x) \geq f(a) + f'(a)(x - a) : la courbe est au-dessus de sa tangente TaT_a. Comme aa est quelconque, elle est au-dessus de toutes ses tangentes.

De même, si f′′≤0f'' \leq 0 sur II, la courbe est en dessous de ses tangentes (on applique le résultat à −f-f).

6.3 Étudier la convexité d'une fonction

Exemple 17 (l'exponentielle). (ex)′′=ex>0(\mathrm{e}^x)'' = \mathrm{e}^x > 0 pour tout réel xx : la fonction exponentielle est convexe sur R\mathbb{R}. Sa courbe est au-dessus de toutes ses tangentes.

Exemple 18 (la racine carrée). Sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, la dérivée f′(x)=12xf'(x) = \dfrac{1}{2\sqrt x} est décroissante : quand xx augmente, x\sqrt x augmente, donc 12x\dfrac{1}{2\sqrt x} diminue. La fonction racine carrée est donc concave sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Par le calcul, avec f′(x)=12×1xf'(x) = \dfrac12 \times \dfrac{1}{\sqrt x} et la règle (1u)′=−u′u2\left(\dfrac1u\right)' = -\dfrac{u'}{u^2} : f′′(x)=12×(−12xx)=−14xx<0.f''(x) = \frac12 \times \left(-\frac{\frac{1}{2\sqrt x}}{x}\right) = -\frac{1}{4x\sqrt{x}} < 0.

Exemple 19. f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2 (exemple 13) : f′′(x)=6x−6=6(x−1)f''(x) = 6x - 6 = 6(x - 1).

xx −∞-\infty 11 +∞+\infty
f′′(x)f''(x) −- 00 ++
convexité de ff concave convexe

ff est concave sur ]−∞ ;1]]-\infty\,;1] et convexe sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Exemple 20. g(x)=x exg(x) = x\,\mathrm{e}^x (exemple 14) : g′′(x)=(x+2) exg''(x) = (x + 2)\,\mathrm{e}^x, du signe de x+2x + 2. La fonction gg est concave sur ]−∞ ;−2]]-\infty\,;-2] et convexe sur [−2 ;+∞[[-2\,;+\infty[.

Méthode. Pour étudier la convexité de ff sur II : on calcule f′′(x)f''(x), on étudie son signe, et on conclut : convexe là où f′′≥0f'' \geq 0, concave là où f′′≤0f'' \leq 0.

Leçon 7 : Point d'inflexion

Voir la vidéo de la leçon 7

7.1 Définition

Définition. Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle II, et AA le point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse aa, où aa est un réel de II qui n'est pas une borne de II. On dit que AA est un point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f si la courbe traverse sa tangente en AA.

En un point d'inflexion, la fonction change de convexité : elle passe de concave à convexe, ou de convexe à concave.

7.2 Avec la dérivée seconde

Propriété. Soit ff deux fois dérivable sur II. Si f′′f'' s'annule en aa en changeant de signe, alors le point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse aa est un point d'inflexion.

Exemple 21. f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2. D'après l'exemple 19, f′′f'' s'annule en 11 en changeant de signe : le point A(1 ;0)A(1\,;0) est un point d'inflexion (f(1)=1−3+2=0f(1) = 1 - 3 + 2 = 0).

Vérifions que la courbe traverse sa tangente. f′(1)=3−6=−3f'(1) = 3 - 6 = -3, donc la tangente en AA a pour équation y=−3(x−1)y = -3(x - 1), soit y=−3x+3y = -3x + 3. L'écart vaut f(x)−(−3x+3)=x3−3x2+3x−1=(x−1)3,f(x) - (-3x + 3) = x^3 - 3x^2 + 3x - 1 = (x - 1)^3, négatif si x<1x < 1 (courbe sous la tangente) et positif si x>1x > 1 (courbe au-dessus) : la courbe traverse bien sa tangente en AA.

7.3 Un piège : f′′(a)=0f''(a) = 0 ne suffit pas

Pour f(x)=x4f(x) = x^4, f′′(x)=12x2f''(x) = 12x^2, qui s'annule en 00. Mais f′′(x)≥0f''(x) \geq 0 pour tout réel xx : f′′f'' ne change pas de signe. La fonction est convexe sur R\mathbb{R}, sa courbe reste au-dessus de sa tangente en 00 (l'axe des abscisses) : l'origine n'est pas un point d'inflexion.

7.4 Exemple : la courbe en cloche

Exemple 22. f(x)=e−x2f(x) = \mathrm{e}^{-x^2} (exemple 12). On dérive f′(x)=−2x e−x2f'(x) = -2x\,\mathrm{e}^{-x^2} comme un produit : f′′(x)=−2 e−x2+(−2x)(−2x) e−x2=(4x2−2)e−x2.f''(x) = -2\,\mathrm{e}^{-x^2} + (-2x)(-2x)\,\mathrm{e}^{-x^2} = \left(4x^2 - 2\right)\mathrm{e}^{-x^2}. Comme e−x2>0\mathrm{e}^{-x^2} > 0, f′′(x)f''(x) a le signe de 4x2−2=2(2x2−1)4x^2 - 2 = 2\left(2x^2 - 1\right), qui s'annule en −22-\dfrac{\sqrt2}{2} et 22\dfrac{\sqrt2}{2} en changeant de signe.

xx −∞-\infty −22-\frac{\sqrt2}{2} 22\frac{\sqrt2}{2} +∞+\infty
f′′(x)f''(x) ++ 00 −- 00 ++
convexité de ff convexe concave convexe

La courbe a deux points d'inflexion, d'abscisses ±22≈±0,707\pm\dfrac{\sqrt2}{2} \approx \pm 0{,}707 et d'ordonnée e−1/2≈0,607\mathrm{e}^{-1/2} \approx 0{,}607. Le « dôme » de la cloche est concave ; ses deux « pieds » sont convexes.

7.5 Lire la convexité sur les courbes de ff, f′f' et f′′f''

On regarde la courbe de… ff est convexe là où… Point d'inflexion là où…
ff la courbe est sous ses sécantes, au-dessus de ses tangentes la courbe traverse sa tangente
f′f' f′f' est croissante f′f' change de sens de variation (extremum de f′f')
f′′f'' la courbe de f′′f'' est au-dessus de l'axe des abscisses la courbe de f′′f'' traverse l'axe des abscisses

Attention aux confusions. Sur la courbe de f′f', le signe de f′f' donne les variations de ff, et les variations de f′f' donnent la convexité de ff. Ce sont deux lectures différentes.

Exemple 23. Pour f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2 : la courbe de f′(x)=3x2−6xf'(x) = 3x^2 - 6x est une parabole dont le sommet a pour abscisse 11 ; f′f' est décroissante puis croissante, donc ff est concave puis convexe. La courbe de f′′(x)=6x−6f''(x) = 6x - 6 est une droite qui coupe l'axe des abscisses en 11. Les trois lectures donnent le même point d'inflexion, d'abscisse 11.

7.6 Esquisser une courbe à partir de tableaux

Le programme demande d'esquisser l'allure de la courbe de ff à partir des tableaux de variations de ff, de f′f' ou de f′′f''. On combine deux informations : le sens de variation de ff (signe de f′f') et sa convexité (variations de f′f' ou signe de f′′f'').

Exemple 24. Une fonction ff est croissante sur R\mathbb{R}, et f′f' est croissante sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] puis décroissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Alors ff est convexe sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et concave sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ : la courbe monte toujours, d'abord de plus en plus vite, puis de moins en moins vite. Le point d'abscisse 00 est un point d'inflexion, là où la pente est la plus forte. C'est l'allure d'une courbe en « S ».

7.7 En contexte : le moment où la croissance est la plus rapide

Au lycée, la nouvelle d'un concert gratuit se répand parmi les 12001200 élèves. Le nombre d'élèves au courant, tt heures après l'annonce, est modélisé par R(t)=12001+e3−t,t≥0.R(t) = \frac{1200}{1 + \mathrm{e}^{3 - t}}, \qquad t \geq 0.

  • R(0)=12001+e3≈57R(0) = \dfrac{1200}{1 + \mathrm{e}^3} \approx 57, et lim⁡t→+∞R(t)=1200\lim\limits_{t\to+\infty} R(t) = 1200, car e3−t→0\mathrm{e}^{3 - t} \to 0.
  • On peut calculer R′(t)=1200 e3−t(1+e3−t)2>0R'(t) = \dfrac{1200\,\mathrm{e}^{3 - t}}{\left(1 + \mathrm{e}^{3 - t}\right)^2} > 0 et R′′(t)=1200 e3−t(e3−t−1)(1+e3−t)3R''(t) = \dfrac{1200\,\mathrm{e}^{3 - t}\left(\mathrm{e}^{3 - t} - 1\right)}{\left(1 + \mathrm{e}^{3 - t}\right)^3}.
  • R′′(t)R''(t) a le signe de e3−t−1\mathrm{e}^{3 - t} - 1, positif si t<3t < 3 et négatif si t>3t > 3 (la fonction exponentielle est strictement croissante et e0=1\mathrm{e}^0 = 1). La fonction RR est convexe sur [0 ;3][0\,;3] et concave sur [3 ;+∞[[3\,;+\infty[ : le point (3 ;600)(3\,;600) est un point d'inflexion.

Interprétation. R′(t)R'(t) est la vitesse de propagation, en élèves par heure. Elle augmente tant que RR est convexe et diminue ensuite : elle est maximale au point d'inflexion, au bout de 33 heures, où elle vaut R′(3)=12004=300R'(3) = \dfrac{1200}{4} = 300 élèves par heure.

Leçon 8 : Démontrer des inégalités par la convexité

Voir la vidéo de la leçon 8

8.1 Le principe

La convexité donne des inégalités « gratuites ».

  • Avec une tangente. Si ff est convexe sur II et aa est un réel de II, alors, pour tout xx de II, f(x)≥f(a)+f′(a)(x−a)f(x) \geq f(a) + f'(a)(x - a). Si ff est concave, l'inégalité est dans l'autre sens.
  • Avec une sécante. Si ff est convexe sur [a ;b][a\,;b], alors, pour tout xx de [a ;b][a\,;b], f(x)≤f(a)+f(b)−f(a)b−a(x−a)f(x) \leq f(a) + \dfrac{f(b) - f(a)}{b - a}(x - a). Si ff est concave, l'inégalité est dans l'autre sens.

Méthode. On choisit la fonction, on justifie sa convexité ou sa concavité (signe de f′′f''), on écrit l'équation de la tangente ou de la sécante qui convient, et on conclut.

8.2 Avec une tangente

Exemple 25 : ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1 pour tout réel xx. La fonction exponentielle est convexe sur R\mathbb{R} (exemple 17). Sa tangente au point d'abscisse 00 a pour équation y=e0+e0(x−0)y = \mathrm{e}^0 + \mathrm{e}^0(x - 0), soit y=x+1y = x + 1. La courbe est au-dessus de cette tangente, donc ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1 pour tout réel xx.

Au chapitre 4, cette inégalité a été démontrée en étudiant la fonction x↦ex−x−1x \mapsto \mathrm{e}^x - x - 1. La convexité la donne en une ligne.

Exemple 26 : x≤x+12\sqrt{x} \leq \dfrac{x + 1}{2} pour tout x≥0x \geq 0. La fonction racine carrée est concave sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ (exemple 18). Sa tangente au point d'abscisse 11 a pour équation y=1+12(x−1)y = 1 + \dfrac12(x - 1), soit y=x+12y = \dfrac{x + 1}{2}. La courbe est en dessous de cette tangente, donc x≤x+12\sqrt{x} \leq \dfrac{x + 1}{2} pour tout x>0x > 0 ; c'est vrai aussi pour x=0x = 0.

Par exemple, 1,1≤1,05\sqrt{1{,}1} \leq 1{,}05 (la calculatrice donne 1,1≈1,0488\sqrt{1{,}1} \approx 1{,}0488).

8.3 Avec une sécante

Exemple 27 : ex≤1+(e−1) x\mathrm{e}^x \leq 1 + (\mathrm{e} - 1)\,x pour tout xx de [0 ;1][0\,;1]. La fonction exponentielle est convexe. La sécante passant par A(0 ;1)A(0\,;1) et B(1 ;e)B(1\,;\mathrm{e}) a pour pente e−11−0=e−1\dfrac{\mathrm{e} - 1}{1 - 0} = \mathrm{e} - 1, et pour équation y=1+(e−1) xy = 1 + (\mathrm{e} - 1)\,x. Sur [0 ;1][0\,;1], la courbe est sous la sécante, d'où l'inégalité.

8.4 Encadrer un nombre

Exemple 28. Pour x=0,5x = 0{,}5, les exemples 25 et 27 donnent 1,5≤e0,5≤1+0,5(e−1)=1+e2≈1,859.1{,}5 \leq \mathrm{e}^{0{,}5} \leq 1 + 0{,}5(\mathrm{e} - 1) = \frac{1 + \mathrm{e}}{2} \approx 1{,}859. La calculatrice donne e0,5≈1,649\mathrm{e}^{0{,}5} \approx 1{,}649. Pour x=0,1x = 0{,}1 : 1,1≤e0,1≤1+0,1(e−1)≈1,1721{,}1 \leq \mathrm{e}^{0{,}1} \leq 1 + 0{,}1(\mathrm{e} - 1) \approx 1{,}172, avec e0,1≈1,105\mathrm{e}^{0{,}1} \approx 1{,}105. Plus xx est proche de 00, plus la tangente donne une bonne valeur approchée.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Les dérivées de référence et les règles de Première : (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv', (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}, et la tangente y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a). Le signe de f′f' donne les variations de ff.
  2. La composée v∘uv \circ u est définie par (v∘u)(x)=v(u(x))(v \circ u)(x) = v\big(u(x)\big) : on applique uu, puis vv. En général, v∘u≠u∘vv \circ u \neq u \circ v. Elle est définie là où u(x)u(x) est dans l'ensemble de définition de vv.
  3. (v∘u)′=(v′∘u)×u′(v \circ u)' = (v' \circ u) \times u' : on dérive l'extérieur en gardant l'intérieur, puis on multiplie par u′u'. En particulier (eu)′=u′ eu\left(\mathrm{e}^u\right)' = u'\,\mathrm{e}^u, (un)′=n u′ un−1\left(u^n\right)' = n\,u'\,u^{n-1} et (u)′=u′2u\left(\sqrt u\right)' = \frac{u'}{2\sqrt u}.
  4. Une étude complète : ensemble de définition, limites, dérivée factorisée, signe, tableau de variations, courbe.
  5. ff est convexe sur II si sa courbe est sous ses sécantes, concave si elle est au-dessus. Pour ff deux fois dérivable, convexe équivaut à : courbe au-dessus de ses tangentes, f′f' croissante, f′′≥0f'' \geq 0 (admis). Démontré : si f′′≥0f'' \geq 0, la courbe est au-dessus de ses tangentes.
  6. Un point d'inflexion est un point où la courbe traverse sa tangente : la convexité y change. Si f′′f'' s'annule en changeant de signe, il y a un point d'inflexion ; f′′(a)=0f''(a) = 0 seul ne suffit pas.
  7. Pour démontrer une inégalité, on utilise la position d'une courbe convexe (ou concave) par rapport à ses tangentes et à ses sécantes. Exemples : ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1, x≤x+12\sqrt{x} \leq \frac{x + 1}{2}.
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