Terminale Spé Maths / Chapitre 4 : Dérivation et convexité
Dérivation et convexité : exercices type bac
Trois exercices complets, dans le style de l'épreuve du bac : une étude de fonction avec deux points d'inflexion et une équation à solution unique, une fonction logistique avec centre de symétrie, un problème d'aire maximale avec tangente.
Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie de bac : dérivabilité justifiée, formule citée, signe justifié facteur par facteur, tableau avec limites, conclusion à chaque question. Durée conseillée : 30 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.
💡 Comment t'entraîner efficacement
- Chronomètre-toi et rédige tout, comme le jour du bac.
- Pour chaque dérivée, écris la phrase de dérivabilité, la formule et le résultat factorisé.
- Si tu bloques sur une question, écris « on admet que… » et passe à la suivante.
- À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus » : c'est la liste de ce que le correcteur cherche.
Exercice 1 : étude d'une fonction avec deux points d'inflexion
Soit la fonction définie sur par . On note sa courbe représentative.
1. Déterminer les limites de en et en . Que peut-on en déduire pour ?
2. Calculer , étudier son signe et dresser le tableau de variations de .
3. Calculer . Étudier la convexité de et préciser les abscisses des points d'inflexion.
4. Montrer que l'équation admet une unique solution dans , et que .
5. Déterminer l'équation de la tangente à au point d'abscisse .
✏️ Correction de la question 1
En . Pour , , qui tend vers . De plus . Par produit :
✅
En . Pour tout , . Par croissances comparées, et ; de plus . Par somme :
✅
Conséquence. Comme , la droite d'équation est asymptote horizontale à en .
✏️ Correction de la question 2
La fonction est dérivable sur comme produit de et de , dérivables sur . On applique , avec , , , .
Pour tout :
✅
Comme , est du signe de , trinôme de racines et et de coefficient dominant négatif. sur , sur , sur .
Tableau de variations. est strictement décroissante sur , de la limite à . est strictement croissante sur , de à . est strictement décroissante sur , de à la limite .
✏️ Correction de la question 3
La fonction est dérivable sur comme produit. Avec :
✅
Comme , est du signe de .
Ce trinôme a pour discriminant .
Ses racines sont et .
Son coefficient dominant est positif : il est positif à l'extérieur des racines et négatif entre elles.
✅ est convexe sur et sur , et concave sur .
Comme s'annule en changeant de signe en et en :
✅ la courbe admet deux points d'inflexion, d'abscisses et .
✏️ Correction de la question 4
Sur . La fonction est continue (dérivable) et strictement décroissante, de à .
Le nombre appartient à .
D'après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires, l'équation admet une unique solution dans .
Sur . D'après le tableau, pour tout . Or (car ). Donc sur : l'équation n'y a aucune solution.
✅ Conclusion : l'équation admet une unique solution dans , et .
Encadrement.
Comme est strictement décroissante sur , donne :
✅
✏️ Correction de la question 5
L'équation de la tangente à au point d'abscisse est . On a et .
✅ La tangente a pour équation : elle est horizontale.
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1
• Q1 : les deux limites sont justifiées (produit ; croissances comparées puis somme), et l'asymptote est écrite avec sa limite.
• Q2 : dérivabilité, formule citée, factorisation par , signe du trinôme justifié, tableau avec limite et valeurs.
• Q3 : calculée et factorisée, discriminant et racines, signe justifié, convexité et concavité énoncées, points d'inflexion à partir du changement de signe.
• Q4 : le corollaire est appliqué sur et l'absence de solution sur est justifiée par le maximum, puis l'encadrement est justifié par les deux valeurs et la stricte décroissance.
• Q5 : et calculés avant d'écrire l'équation.
Exercice 2 : la fonction logistique et son centre de symétrie
Soit la fonction définie sur par . On note sa courbe représentative.
1. Déterminer les limites de en et en . Que peut-on en déduire pour ?
2. Montrer que, pour tout , , puis dresser le tableau de variations de .
3. Montrer que, pour tout , . En déduire que le point est centre de symétrie de .
4. Étudier la convexité de et donner le point d'inflexion de .
5. Déterminer la tangente à au point d'inflexion.
✏️ Correction de la question 1
Pour tout , : est définie sur .
En . , donc , puis . Par quotient :
✅
En . , donc , puis . Par quotient :
✅
Conséquence. La droite d'équation est asymptote horizontale à en . La droite d'équation l'est en .
✏️ Correction de la question 2
La fonction est dérivable sur comme inverse de la fonction , dérivable sur et qui ne s'annule pas. On a . Avec :
✅ pour tout .
Comme et , on a .
✅ La fonction est strictement croissante sur , de la limite en à la limite en .
✏️ Correction de la question 3
Pour tout , . D'autre part :
En multipliant le numérateur et le dénominateur par : .
✅ Donc pour tout .
Ainsi pour tout . Le milieu du segment joignant et a pour coordonnées .
✅ Donc le point est centre de symétrie de .
✏️ Correction de la question 4
La fonction est dérivable sur comme quotient de fonctions dérivables dont le dénominateur ne s'annule pas. Avec :
✅
Comme et , est du signe de . Or . Donc sur , et sur .
✅ Donc est convexe sur et concave sur .
Comme s'annule en changeant de signe en , le point d'abscisse est un point d'inflexion. Comme :
✅ est le point d'inflexion (c'est aussi le centre de symétrie).
✏️ Correction de la question 5
On a et . La tangente au point d'inflexion a pour équation .
✅
La courbe traverse cette tangente en .
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2
• Q1 : limites par composition et quotient, deux asymptotes avec leurs équations.
• Q2 : dérivabilité justifiée, formule citée, signe justifié.
• Q3 : l'identité est démontrée en partant d'un membre ; la conclusion sur le centre de symétrie utilise le milieu de deux points symétriques.
• Q4 : calculée avec soin, le signe de est justifié par la croissance de l'exponentielle, le point d'inflexion est donné avec ses coordonnées.
• Q5 : et calculés avant d'écrire l'équation.
Exercice 3 : une tangente, un triangle et une aire maximale
Soit la fonction définie sur par .
Pour tout réel , on note le point de la courbe d'abscisse , et la tangente à en .
La droite coupe l'axe des abscisses en et l'axe des ordonnées en .
On note l'aire du triangle , où est l'origine du repère.
1. Montrer que a pour équation .
2. Déterminer les coordonnées de et de .
3. Montrer que .
4. Étudier les variations de sur . En déduire la valeur de pour laquelle l'aire est maximale, et cette aire maximale.
5. Justifier que la courbe est au-dessus de chacune de ses tangentes.
✏️ Correction de la question 1
La fonction est dérivable sur et . Le point a pour coordonnées , et .
La tangente a pour équation :
✅ Donc .
✏️ Correction de la question 2
Le point . C'est l'intersection de avec l'axe des abscisses () : . Comme , cela équivaut à .
✅
Le point . C'est l'intersection de avec l'axe des ordonnées () : .
✅
✏️ Correction de la question 3
Comme , est sur la demi-droite des abscisses positives et sur celle des ordonnées positives. Le triangle est rectangle en . Son aire vaut .
✅ Donc .
✏️ Correction de la question 4
La fonction est dérivable sur comme produit. Avec , , , :
✅
Pour , , et sont strictement positifs, donc est du signe de . sur , et sur . Donc est strictement croissante sur et strictement décroissante sur .
Conclusion. L'aire est maximale pour , et vaut .
✅ L'aire maximale est , atteinte pour .
✏️ Correction de la question 5
La fonction est deux fois dérivable sur et .
✅ Donc est convexe sur .
Sa courbe est au-dessus de chacune de ses tangentes, en particulier de : pour tout , .
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3
• Q1 : la formule de la tangente est écrite avec et calculés.
• Q2 et Q3 : les coordonnées de et sont obtenues en résolvant puis , et l'aire est justifiée par le triangle rectangle en .
• Q4 : dérivation d'un produit citée, factorisation, signe justifié, conclusion en contexte : valeur de et valeur de l'aire.
• Q5 : la convexité est justifiée par , et le lien avec les tangentes est énoncé.
🎯 Les réflexes à retenir
- Une étude de fonction commence par les limites, puis la dérivée factorisée, puis le tableau complet.
- Avant de dériver, justifie la dérivabilité ; avant un signe, justifie chaque facteur (, carré, trinôme).
- Pour la convexité, calcule avec soin et factorise : l'erreur la plus fréquente est un facteur oublié.
- Une équation à solution unique combine le corollaire du TVI et le tableau de variations.
- Un problème d'optimisation se termine par une conclusion en contexte, avec la valeur maximale.
Aller plus loin avec les vrais sujets
Quand tu es à l'aise avec ce chapitre, entraîne-toi sur les études de fonctions des sujets officiels des années précédentes.
Ils sont disponibles sur le site de l'APMEP.
Chronomètre-toi et rédige comme le jour du bac.
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