FONCTION DÉRIVÉE

Cours

I - Définition de la fonction dérivée

Définition 1 :

Si une fonction $f$ est dérivable en tout point d'un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$ alors on dit que $f$ est dérivable sur $I$.

On appelle fonction dérivée de $f$ sur $I$, la fonction $f' : x \mapsto f'(x)$ définie sur $I$.

Dérivée de la fonction carré

Soit la fonction $f : x \mapsto x^2$ définie sur $\mathbb{R}$ et $a$ un réel fixé.

Pour tout $h \neq 0$, $T(h) = \dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} = \dfrac{(a+h)^2 - a^2}{h} = \dfrac{(a+h-a)(a+h+a)}{h} = \dfrac{h(2a+h)}{h} = 2a+h$

Donc si $h$ tend vers $0$ alors $2a+h$ tend vers $2a$ d'où $f'(a) = 2a$.

La fonction $f : x \mapsto x^2$ est dérivable sur $\mathbb{R}$. Sa fonction dérivée est définie sur $\mathbb{R}$ par $f' : x \mapsto 2x$.

Dérivée de la fonction inverse

Soit la fonction $f : x \mapsto \dfrac{1}{x}$ définie sur $]-\infty ; 0[ \cup ]0 ; +\infty[$ et $a$ un réel non nul fixé tel que $a+h \neq 0$.

$T(h) = \dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} = \dfrac{\dfrac{1}{a+h} - \dfrac{1}{a}}{h} = \dfrac{\dfrac{a - (a+h)}{a(a+h)}}{h} = \dfrac{-h}{a(a+h)h} = \dfrac{-1}{a(a+h)}$

Donc si $h$ tend vers $0$ alors $\dfrac{-1}{a(a+h)}$ tend vers $-\dfrac{1}{a^2}$. Donc $f'(a) = -\dfrac{1}{a^2}$.

La fonction $f : x \mapsto \dfrac{1}{x}$ est dérivable sur $]-\infty ; 0[ \cup ]0 ; +\infty[$ telle que $f' : x \mapsto -\dfrac{1}{x^2}$.

Dérivée de la fonction racine carrée

Soit la fonction $f : x \mapsto \sqrt{x}$ définie sur $[0 ; +\infty[$, $a$ un réel positif fixé et $h$ un réel non nul tel que $a+h > 0$.

$$ \begin{aligned} T(h) &= \dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} = \dfrac{\sqrt{a+h} - \sqrt{a}}{h} = \dfrac{(\sqrt{a+h} - \sqrt{a})(\sqrt{a+h} + \sqrt{a})}{h(\sqrt{a+h} + \sqrt{a})} = \dfrac{(\sqrt{a+h})^2 - (\sqrt{a})^2}{h(\sqrt{a+h} + \sqrt{a})} \\ &= \dfrac{a+h-a}{h(\sqrt{a+h} + \sqrt{a})} = \dfrac{h}{h(\sqrt{a+h} + \sqrt{a})} = \dfrac{1}{\sqrt{a+h} + \sqrt{a}} \end{aligned} $$

Donc si $h$ tend vers $0$ alors $\dfrac{1}{\sqrt{a+h} + \sqrt{a}}$ tend vers $\dfrac{1}{2\sqrt{a}}$.

Donc $f'(a) = \dfrac{1}{2\sqrt{a}}$ et $f'(a)$ n'existe que si $a > 0$. Donc la fonction $f : x \mapsto \sqrt{x}$ est dérivable sur $]0 ; +\infty[$.

Sa fonction dérivée est définie sur $]0 ; +\infty[$ par $f' : x \mapsto \dfrac{1}{2\sqrt{x}}$.

Fonction Dérivée Dérivable sur $I$
$x \mapsto k$, $k \in \mathbb{R}$ $x \mapsto 0$ $I = \mathbb{R}$
$x \mapsto x^n$, $n \in \mathbb{N}$, $n \geq 1$ $x \mapsto nx^{n-1}$ $I = \mathbb{R}$
$x \mapsto \dfrac{1}{x}$ $x \mapsto -\dfrac{1}{x^2}$ $I = ]-\infty ; 0[ \cup ]0 ; +\infty[$
$x \mapsto \sqrt{x}$ $x \mapsto \dfrac{1}{2\sqrt{x}}$ $I = ]0 ; +\infty[$

II - Formules de dérivées

Dérivée d'une somme

Soit $u$ et $v$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$. On pose : $f = u+v$ et $a$ est un réel fixé de $I$.

$$ \begin{aligned} \text{Pour tout } h \neq 0,\; T(h) &= \dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} = \dfrac{(u+v)(a+h) - (u+v)(a)}{h} = \dfrac{u(a+h) + v(a+h) - u(a) - v(a)}{h} \\ &= \dfrac{[u(a+h) - u(a)] + [v(a+h) - v(a)]}{h} = \dfrac{u(a+h) - u(a)}{h} + \dfrac{v(a+h) - v(a)}{h} \end{aligned} $$

Or $u$ est dérivable sur $I$ donc $\dfrac{u(a+h) - u(a)}{h}$ tend vers $u'(a)$ quand $h$ tend vers $0$,

$v$ est dérivable sur $I$ donc $\dfrac{v(a+h) - v(a)}{h}$ tend vers $v'(a)$ quand $h$ tend vers $0$.

Donc $\dfrac{f(a+h) - f(a)}{h}$ tend vers $u'(a) + v'(a)$ quand $h$ tend vers $0$.

Donc $f$ est dérivable en $a$ telle que $f'(a) = u'(a) + v'(a)$.

Dérivée d'un produit

Soit $u$ et $v$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$. On pose : $f = u \times v$ et $a$ est un réel fixé de $I$.

$$ \begin{aligned} \text{Pour tout } h \neq 0,\; T(h) &= \dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} = \dfrac{(u \times v)(a+h) - (u \times v)(a)}{h} = \dfrac{u(a+h) \times v(a+h) - u(a) \times v(a)}{h} \\ &= \dfrac{[u(a+h) - u(a)] \times v(a+h) + u(a) \times v(a+h) - u(a) \times v(a)}{h} \\ &= \dfrac{[u(a+h) - u(a)] \times v(a+h) + u(a) \times [v(a+h) - v(a)]}{h} \\ &= \dfrac{u(a+h) - u(a)}{h} \times v(a+h) + \dfrac{v(a+h) - v(a)}{h} \times u(a) \end{aligned} $$

Or $u$ est dérivable sur $I$ donc $\dfrac{u(a+h) - u(a)}{h}$ tend vers $u'(a)$ quand $h$ tend vers $0$,

$v$ est dérivable sur $I$ donc $\dfrac{v(a+h) - v(a)}{h}$ tend vers $v'(a)$ quand $h$ tend vers $0$ et $v(a+h)$ tend vers $v(a)$ quand $h$ tend vers $0$.

Donc $\dfrac{f(a+h) - f(a)}{h}$ tend vers $u'(a) \times v(a) + v'(a) \times u(a)$ quand $h$ tend vers $0$.

Donc $f$ est dérivable en $a$ telle que $f'(a) = u'(a) \times v(a) + v'(a) \times u(a)$.

Soit $u$ et $v$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$.

Fonction Dérivée
$u+v$ $u' + v'$
$k \times u$, $k \in \mathbb{R}$ $k \times u'$
$u \times v$ $u' \times v + u \times v'$
$\dfrac{1}{u}$ $-\dfrac{u'}{u^2}$
$\dfrac{u}{v}$ $\dfrac{u' \times v - u \times v'}{v^2}$
$u(ax+b)$ $a \times u'(ax+b)$

Exemples: calcul d'une dérivée

  • On considère la fonction $f : x \mapsto x^3 - 3x^2 + 3x + 1$ dérivable sur $\mathbb{R}$.

    Les formules de dérivation relative à $u+v$ et $k \times u$, $k \in \mathbb{R}$, permettent de dériver « par morceaux ».

    $f(x) = x^3 - 3 \times x^2 + 3 \times x^1 + 1$ donc $f'(x) = 3x^2 - 3 \times 2x^1 + 3 \times 1 + 0 = 3x^2 - 6x + 3 = 3(x^2 - 2x + 1) = 3(x-1)^2$

  • On considère la fonction $f : x \mapsto \dfrac{x+3}{2x-4}$ dérivable sur $]-\infty ; 2[ \cup ]2 ; +\infty[$.

    On pose $u(x) = x+3$ et $v(x) = 2x-4$ d'où $u'(x) = 1$ et $v'(x) = 2$

    Avec la formule de la dérivée du quotient, on obtient :

    $f'(x) = \dfrac{u'(x) \times v(x) - u(x) \times v'(x)}{[v(x)]^2} = \dfrac{1 \times (2x-4) - (x+3) \times 2}{(2x-4)^2} = \dfrac{2x - 4 - 2x - 6}{(2x-4)^2} = \dfrac{-10}{(2x-4)^2}$