Ce cours de dérivation et étude des fonctions 2ème Bac (PC et SVT) explique pas à pas le nombre dérivé, la tangente, les extremums, la dérivée seconde et l’étude complète d’une fonction, avec des exemples résolus et des exercices corrigés. Retrouve d’autres cours dans 2Bac PC-SVT.
Cours de dérivation et étude des fonctions 2ème Bac
Dérivation et étude des fonctions
Cours complet, expliqué pas à pas, avec des exemples résolus et des exercices corrigés.
à maîtriser
1Dérivabilité en un point : le nombre dérivé
Avec h = x − x₀, on peut aussi écrire : f′(x₀) = limh→0 f(x₀ + h) − f(x₀)h.
- Taux d’accroissement : f(x) − f(3)x − 3 = x² − 9x − 3 (forme 00).
- On factorise : x² − 9 = (x − 3)(x + 3). Donc le taux vaut x + 3.
- limx→3 (x + 3) = 6, un nombre fini.
2Interprétation géométrique : la tangente
- f′(x) = 4x, donc f′(1) = 4.
- f(1) = 2.
- T : y = 4(x − 1) + 2 = 4x − 2.
Pour la tracer : on part de A(1 ; 2), on avance de 1 vers la droite, puis on monte de 4 : on obtient un 2ᵉ point, et on trace la droite.
3Dérivabilité à droite et à gauche · Demi-tangentes
- Dérivable à droite en x₀ : limx→x₀⁺ f(x) − f(x₀)x − x₀ existe et est finie. On la note f′d(x₀).
- Dérivable à gauche en x₀ : limx→x₀⁻ f(x) − f(x₀)x − x₀ existe et est finie. On la note f′g(x₀).
- Si f est dérivable à droite en x₀, Cf admet une demi-tangente à droite : y = f′d(x₀)(x − x₀) + f(x₀), pour x ≥ x₀.
- Si f est dérivable à gauche en x₀, Cf admet une demi-tangente à gauche : y = f′g(x₀)(x − x₀) + f(x₀), pour x ≤ x₀.
- Si f′d(x₀) ≠ f′g(x₀), f n’est pas dérivable en x₀ et A(x₀ ; f(x₀)) est un point anguleux.
- Si le taux d’accroissement tend vers ±∞, f n’est pas dérivable en x₀ mais Cf admet une demi-tangente verticale.
une seule tangente
deux demi-tangentes de pentes différentes
pente infinie
- À droite (x > 0) : f(x) − f(0)x − 0 = xx = 1, donc f′d(0) = 1.
- À gauche (x < 0) : −xx = −1, donc f′g(0) = −1.
- 1 ≠ −1 : f n’est pas dérivable en 0. L’origine est un point anguleux.
- f(1) = 1. À droite, f(x) = 3x − 2 : 3x − 2 − 1x − 1 = 3(x − 1)x − 1 = 3, donc f′d(1) = 3.
- À gauche, f(x) = x² : x² − 1x − 1 = x + 1 → 2, donc f′g(1) = 2.
- 3 ≠ 2 : f n’est pas dérivable en 1. Le point (1 ; 1) est anguleux, avec des demi-tangentes de pentes 3 (à droite) et 2 (à gauche).
4Dérivabilité sur un intervalle · Lien avec la continuité
- f est dérivable sur un intervalle ouvert I si elle est dérivable en tout point de I.
- f est dérivable sur [a, b] si elle est dérivable sur ]a, b[, à droite en a et à gauche en b.
- La fonction dérivée f′ associe à chaque x de I le nombre f′(x).
- La dérivée seconde est f″ = (f′)′, et plus généralement f(n) = (f(n−1))′.
5Dérivées usuelles et opérations
5.1 Tableau des dérivées usuelles
| f(x) | f′(x) | f est dérivable sur |
|---|---|---|
| a (constante) | 0 | ℝ |
| x | 1 | ℝ |
| xn (n ∈ ℕ*) | n xn−1 | ℝ |
| 1x | −1x² | ℝ* (x ≠ 0) |
| √x | 12√x | ]0, +∞[ |
| cos x | −sin x | ℝ |
| sin x | cos x | ℝ |
| tan x | 1 + tan² x = 1cos² x | ℝ privé de π2 + kπ |
Les polynômes sont dérivables sur ℝ. Les fractions rationnelles sont dérivables sur leur ensemble de définition.
5.2 Opérations (u et v dérivables, k réel)
| Fonction | Dérivée |
|---|---|
| u + v | u′ + v′ |
| k · u | k · u′ |
| u × v | u′v + uv′ |
| 1u (u ≠ 0) | −u′u² |
| uv (v ≠ 0) | u′v − uv′v² |
| un (n ∈ ℕ*) | n · u′ · un−1 |
6Dérivée d’une fonction composée
En mots : « la dérivée de ce qu’il y a dedans » multipliée par « la dérivée de la fonction dehors, calculée en ce qu’il y a dedans ».
- (√u)′ = u′2√u (pour u > 0)
- (sin(ax + b))′ = a cos(ax + b)
- (cos(ax + b))′ = −a sin(ax + b)
- (tan(ax + b))′ = a (1 + tan²(ax + b)) = acos²(ax + b)
- (1u)′ = −u′u² ; (un)′ = n u′ un−1
- f(x) = √(x² + 1) : f′(x) = 2x2√(x² + 1) = x√(x² + 1).
- g(x) = cos(2x + 1) : g′(x) = −2 sin(2x + 1).
- h(x) = tan(3x) : h′(x) = 3 (1 + tan²(3x)).
- k(x) = sin(x²) : k′(x) = 2x cos(x²).
7Dérivée de la réciproque · Racines et puissances rationnelles
- On cherche x₀ tel que f(x₀) = 2 : f(1) = 2, donc x₀ = 1.
- f′(1) = 5 + 1 = 6 ≠ 0.
- (f⁻¹)′(2) = 16.
Conséquences : racines n-ièmes et puissances rationnelles
- (n√x)′ = 1n × n√xn−1 = 1n x1/n − 1
- (n√u)′ = u′n × n√un−1
- (xr)′ = r xr−1
- (ur)′ = r u′ ur−1
- (3√x)′ = (x1/3)′ = 13 x−2/3 = 13 x2/3.
- (x7/5)′ = 75 x2/5.
- ((x² + 1)1/3)′ = 13 × 2x × (x² + 1)−2/3 = 2x3 (x² + 1)2/3.
8Applications : sens de variation
- Si f′ ≥ 0 sur I, f est croissante sur I. Si f′ > 0, elle est strictement croissante.
- Si f′ ≤ 0 sur I, f est décroissante sur I. Si f′ < 0, elle est strictement décroissante.
- Si f′ = 0 sur I, f est constante sur I.
Remarque : si f′ ≥ 0 et ne s’annule qu’en un nombre fini de points, f est quand même strictement croissante.
- Déterminer le domaine de f.
- Calculer f′(x) et la factoriser.
- Étudier le signe de f′ (racines, tableau de signes).
- Remplir le tableau de variations : ↗ si f′ > 0, ↘ si f′ < 0.
- Calculer les valeurs aux points importants (et les limites aux bornes).
- f′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1).
- f′(x) = 0 pour x = −1 et x = 1. f′ est positive à l’extérieur des racines et négative entre les racines.
- f(−1) = −1 + 3 = 2 et f(1) = 1 − 3 = −2.
| x | −∞ | −1 | 1 | +∞ | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| f′(x) | + | 0 | − | 0 | + | ||
| f(x) | −∞ | ↗ | 2 | ↘ | −2 | ↗ | +∞ |
9Extremums
- f′ passe de + à − : f(a) est un maximum local.
- f′ passe de − à + : f(a) est un minimum local.
10Dérivée seconde : concavité et point d’inflexion
- Si f″ ≥ 0 sur I, la courbe est convexe (« en forme de coupe ») : elle est au-dessus de ses tangentes.
- Si f″ ≤ 0 sur I, la courbe est concave : elle est au-dessous de ses tangentes.
courbe au-dessus de la tangente
courbe au-dessous de la tangente
la tangente traverse la courbe
11Branches infinies
11.1 Asymptotes
| Asymptote | Condition |
|---|---|
| Verticale : x = a | limx→a⁺ f(x) = ±∞ ou limx→a⁻ f(x) = ±∞ |
| Horizontale : y = b | limx→±∞ f(x) = b |
| Oblique : y = ax + b (a ≠ 0) | limx→±∞ [f(x) − (ax + b)] = 0 |
- Calculer a = limx→±∞ f(x)x. Si a est un réel non nul, on continue.
- Calculer b = limx→±∞ (f(x) − ax). Si b est un réel, la droite y = ax + b est asymptote oblique.
- Pour la position de la courbe, étudier le signe de f(x) − (ax + b).
- Asymptote verticale : en 1⁺, le numérateur tend vers 2 et le dénominateur vers 0⁺, donc f → +∞. En 1⁻, f → −∞. La droite x = 1 est asymptote verticale.
- Asymptote oblique : f(x)x = x² + 1x² − x → 1, donc a = 1. Puis f(x) − x = x + 1x − 1 → 1, donc b = 1. La droite y = x + 1 est asymptote oblique.
- Position : f(x) − (x + 1) = x² + 1 − (x + 1)(x − 1)x − 1 = 2x − 1. Pour x > 1, c’est positif : la courbe est au-dessus. Pour x < 1, c’est négatif : la courbe est au-dessous.
11.2 Branches paraboliques
Si lim f(x) = ±∞ quand x → ±∞, on regarde la limite de f(x)x :
| Si… | Alors Cf admet… | Exemple |
|---|---|---|
| lim f(x)x = ±∞ | une branche parabolique de direction l’axe des ordonnées | f(x) = x³ |
| lim f(x)x = 0 | une branche parabolique de direction l’axe des abscisses | f(x) = √x |
| lim f(x)x = a ≠ 0 et lim [f(x) − ax] = ±∞ | une branche parabolique de direction la droite y = ax | f(x) = x + √x |
- x³ : x³x = x² → +∞ : direction (Oy).
- √x : √xx = 1√x → 0 : direction (Ox).
- x + √x : f(x)x = 1 + 1√x → 1 et f(x) − x = √x → +∞ : direction la droite y = x.
12Symétries, parité et périodicité
- Paire : pour tout x ∈ Df, −x ∈ Df et f(−x) = f(x). La courbe est symétrique par rapport à l’axe des ordonnées.
- Impaire : pour tout x ∈ Df, −x ∈ Df et f(−x) = −f(x). La courbe est symétrique par rapport à l’origine O.
13Position relative d’une courbe et d’une droite
- f(x) − (ax + b) ≥ 0 sur I : Cf est au-dessus de (D).
- f(x) − (ax + b) ≤ 0 sur I : Cf est au-dessous de (D).
- Les solutions de f(x) = ax + b sont les abscisses des points d’intersection.
14Approximation affine
- (1 + h)² ≈ 1 + 2h
- (1 + h)³ ≈ 1 + 3h
- √(1 + h) ≈ 1 + h2
- 11 + h ≈ 1 − h
| Approximation 3 + h/6 | Valeur exacte √(9 + h) | Erreur |
|---|---|---|
| — | — | — |
Plus h est proche de 0, plus l’approximation est bonne.
15Étude complète d’une fonction
- Domaine de définition, éventuellement parité / périodicité pour réduire l’étude.
- Limites aux bornes du domaine et asymptotes (verticale, horizontale, oblique, branches paraboliques).
- Dérivée f′ : signe et tableau de variations, extremums.
- Dérivée seconde f″ : concavité, points d’inflexion.
- Tracé : asymptotes, points particuliers, tangentes, puis la courbe.
- Domaine : Df = ℝ \ {1} = ]−∞, 1[ ∪ ]1, +∞[. On remarque que f(x) = x + 1 + 2x − 1.
- Limites et asymptotes : limx→1⁺ f = +∞, limx→1⁻ f = −∞ (asymptote verticale x = 1). limx→+∞ f = +∞ et limx→−∞ f = −∞. Asymptote oblique y = x + 1 (calculée en partie 11).
- Dérivée : f′(x) = 1 − 2(x − 1)² = (x − 1)² − 2(x − 1)² = x² − 2x − 1(x − 1)². Le numérateur s’annule pour x = 1 − √2 et x = 1 + √2.
- Valeurs : f(1 − √2) = 2 − 2√2 ≈ −0,83 et f(1 + √2) = 2 + 2√2 ≈ 4,83.
| x | −∞ | 1 − √2 | 1 | 1 + √2 | +∞ | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| f′(x) | + | 0 | − | || | − | 0 | + | ||
| f(x) | −∞ | ↗ | 2 − 2√2 | ↘ | −∞ || +∞ | ↘ | 2 + 2√2 | ↗ | +∞ |
- Dérivée seconde : f″(x) = 4(x − 1)³. Elle est négative sur ]−∞, 1[ (concave) et positive sur ]1, +∞[ (convexe). Elle ne s’annule jamais : pas de point d’inflexion.
- Position par rapport à l’asymptote oblique : f(x) − (x + 1) = 2x − 1 : au-dessus pour x > 1, au-dessous pour x < 1.
16Erreurs à éviter
17Exercices d’entraînement corrigés
Cherche d’abord seul(e) sur ton cahier, puis ouvre la solution pour vérifier.
Calculer la dérivée de : (a) f(x) = 3x⁴ − 2x² + 5x − 1 (b) g(x) = 2x + 1x² + 1 (c) h(x) = √(x² + x + 1) (d) k(x) = sin(3x) cos x (e) l(x) = (x² − 1)5.
Voir la solution
(a) f′(x) = 12x³ − 4x + 5.
(b) g′(x) = 2(x² + 1) − (2x + 1)(2x)(x² + 1)² = −2x² − 2x + 2(x² + 1)².
(c) h′(x) = 2x + 12√(x² + x + 1).
(d) Produit : k′(x) = 3 cos(3x) cos x − sin(3x) sin x.
(e) l′(x) = 5 × 2x × (x² − 1)4 = 10x (x² − 1)4.
Donner l’équation de la tangente à la courbe de f(x) = x² − 3x + 1 au point d’abscisse 2.
Voir la solution
f(2) = 4 − 6 + 1 = −1. f′(x) = 2x − 3, donc f′(2) = 1.
T : y = 1 × (x − 2) + (−1) = x − 3.
(1) Étudier la dérivabilité en 1 de f(x) = |x² − 1|. (2) Étudier la dérivabilité en 0 de g(x) = √x. Interpréter graphiquement.
Voir la solution
(1) f(1) = 0. Pour x > 1, x² − 1 > 0 et f(x) − f(1)x − 1 = x² − 1x − 1 = x + 1 → 2, donc f′d(1) = 2. Pour x < 1 (proche de 1), x² − 1 < 0 et f(x) = 1 − x², donc 1 − x²x − 1 = −(x + 1) → −2, donc f′g(1) = −2.
2 ≠ −2 : f n’est pas dérivable en 1. Le point (1 ; 0) est un point anguleux (demi-tangentes de pentes −2 à gauche et 2 à droite).
(2) g(x) − g(0)x − 0 = 1√x → +∞ quand x → 0⁺. g n’est pas dérivable en 0 et la courbe admet une demi-tangente verticale à l’origine.
Soit f(x) = x³ − 3x² sur ℝ. Dresser le tableau de variations, déterminer les extremums, étudier la concavité et trouver le point d’inflexion.
Voir la solution
f′(x) = 3x² − 6x = 3x(x − 2). f′ > 0 sur ]−∞, 0[ et ]2, +∞[ ; f′ < 0 sur ]0, 2[.
f est strictement croissante sur ]−∞, 0] et [2, +∞[, strictement décroissante sur [0, 2].
f(0) = 0 est un maximum local ; f(2) = 8 − 12 = −4 est un minimum local.
f″(x) = 6x − 6 = 6(x − 1). f″ < 0 sur ]−∞, 1[ (concave) et f″ > 0 sur ]1, +∞[ (convexe). f″ change de signe en 1 : le point (1 ; −2) est un point d’inflexion (f(1) = 1 − 3 = −2).
Soit f(x) = x² + x + 1x + 1 sur ℝ \ {−1}. Montrer que f(x) = x + 1x + 1, puis déterminer les asymptotes de Cf et leur position.
Voir la solution
x(x + 1) + 1 = x² + x + 1, donc x² + x + 1x + 1 = x + 1x + 1.
En −1⁺ : f → +∞ ; en −1⁻ : f → −∞. Donc x = −1 est asymptote verticale.
f(x) − x = 1x + 1 → 0 en ±∞. Donc y = x est asymptote oblique.
Position : f(x) − x = 1x + 1. Positif pour x > −1 (courbe au-dessus de la droite), négatif pour x < −1 (au-dessous).
Soit f(x) = x⁵ + x. Montrer que f admet une réciproque sur ℝ et calculer (f⁻¹)′(2).
Voir la solution
f est un polynôme (continu et dérivable sur ℝ) et f′(x) = 5x⁴ + 1 > 0 : f est strictement croissante. Donc f est une bijection de ℝ sur f(ℝ) = ℝ (limites ±∞).
f(1) = 2, donc f⁻¹(2) = 1. f′(1) = 6 ≠ 0.
(f⁻¹)′(2) = 1f′(1) = 16.
(1) Montrer que le point I(1 ; 2) est centre de symétrie de la courbe de f(x) = 2x + 1x − 1. (2) Montrer que f(x) = xx² + 1 est impaire. (3) Montrer que x = 2 est axe de symétrie de f(x) = x² − 4x + 3.
Voir la solution
(1) Df = ℝ \ {1}, et 2 − x ≠ 1 ⇔ x ≠ 1 donc 2 − x ∈ Df. f(2 − x) = 2(2 − x) + 1(2 − x) − 1 = 5 − 2x1 − x = 2x − 5x − 1. Donc f(x) + f(2 − x) = 4x − 4x − 1 = 4 = 2 × 2. I(1 ; 2) est centre de symétrie.
(2) Df = ℝ et f(−x) = −xx² + 1 = −f(x) : f est impaire.
(3) f(4 − x) = (4 − x)² − 4(4 − x) + 3 = x² − 4x + 3 = f(x) : la droite x = 2 est axe de symétrie.
Avec l’approximation affine, donner une valeur approchée de : (a) √16,04 (b) (1,002)³ (c) 11,01.
Voir la solution
(a) f(x) = √x en a = 16 : f′(16) = 18. √(16 + 0,04) ≈ 4 + 0,048 = 4,005 (exact : ≈ 4,004997).
(b) (1 + h)³ ≈ 1 + 3h avec h = 0,002 : 1,006 (exact : 1,006012).
(c) 11 + h ≈ 1 − h avec h = 0,01 : 0,99 (exact : ≈ 0,990099).
Soit f(x) = x²x − 1 sur ℝ \ {1}. (1) Vérifier que f(x) = x + 1 + 1x − 1. (2) Déterminer les asymptotes. (3) Calculer f′ et dresser le tableau de variations. (4) Étudier la concavité.
Voir la solution
(1) (x + 1)(x − 1) + 1 = x² − 1 + 1 = x², donc x²x − 1 = x + 1 + 1x − 1.
(2) En 1⁺ : f → +∞ ; en 1⁻ : f → −∞ : asymptote verticale x = 1. f(x) − (x + 1) = 1x − 1 → 0 : asymptote oblique y = x + 1 (courbe au-dessus pour x > 1, au-dessous pour x < 1).
(3) f′(x) = 1 − 1(x − 1)² = x² − 2x(x − 1)² = x(x − 2)(x − 1)². f′ > 0 sur ]−∞, 0[ et ]2, +∞[ ; f′ < 0 sur ]0, 1[ et ]1, 2[.
f est croissante sur ]−∞, 0], décroissante sur [0, 1[ et sur ]1, 2], croissante sur [2, +∞[. f(0) = 0 est un maximum local et f(2) = 4 est un minimum local.
(4) f″(x) = 2(x − 1)³ : négative sur ]−∞, 1[ (concave), positive sur ]1, +∞[ (convexe). Pas de point d’inflexion.
★Fiche résumé à retenir
- Nombre dérivé : f′(x₀) = limx→x₀ f(x) − f(x₀)x − x₀ (fini). Tangente : y = f′(x₀)(x − x₀) + f(x₀).
- Dérivable ⇔ dérivable à droite et à gauche avec la même valeur. Sinon : point anguleux (pentes différentes) ou demi-tangente verticale (pente infinie).
- Dérivable ⇒ continue (la réciproque est fausse).
- Formules : (uv)′ = u′v + uv′ ; (uv)′ = u′v − uv′v² ; (un)′ = n u′ un−1 ; (√u)′ = u′2√u ; (v∘u)′ = u′ × v′(u).
- Variations : f′ > 0 ⇒ ↗ ; f′ < 0 ⇒ ↘. Extremum : f′ s’annule en changeant de signe.
- Concavité : f″ ≥ 0 convexe (au-dessus des tangentes), f″ ≤ 0 concave. Inflexion : f″ s’annule en changeant de signe.
- Asymptotes : verticale (limite infinie en a), horizontale (limite b en ±∞), oblique (a = lim f(x)x, b = lim (f(x) − ax)).
- Approximation affine : f(a + h) ≈ f(a) + h f′(a).