Terminale Spé Maths / Chapitre 4 : Dérivation et convexité
Dérivation et convexité : le cours
La dérivée mesure la vitesse de variation d'une fonction : elle dit si la courbe monte ou descend, et à quelle vitesse. La dérivée seconde mesure comment cette vitesse elle-même évolue : elle dit si la courbe « se creuse » (convexe) ou « s'arrondit » (concave).
C'est l'outil de toutes les études de fonctions du bac :
- variations ;
- tangentes ;
- extremums ;
- inégalités ;
- optimisation.
Dans tout le cours, tu verras des astuces 💡, des pièges ⚠️ et un peu d'humour 😄.
🎯 Comment utiliser ce cours
- Lis une partie, puis fais tout de suite la fiche correspondante.
- Apprends par cœur le tableau des dérivées de la partie 1 : chaque erreur de dérivée coûte l'exercice entier.
- Le Guide de rédaction du chapitre (dernière leçon) te donne les phrases exactes à écrire.
1. Les dérivées à connaître par cœur
Fonctions usuelles :
Somme et produit par un réel :
Produit :
Quotient : . En particulier .
2. Dérivée d'une composée
Si est dérivable en et si est dérivable en , alors est dérivable en et :
On dérive « l'extérieur » sans toucher à l'intérieur, puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur. Cela donne les formules à connaître ( dérivable, avec les conditions nécessaires) :
- ( entier relatif ; pour négatif, ne s'annule pas)
- ( strictement positive)
- ( ne s'annule pas)
Cas particulier utile : .
Exemples.
⚠️ Pièges :
- Oublier de multiplier par : n'est pas , c'est .
- Confondre avec : il manque le facteur .
- Dériver un produit comme le produit des dérivées : .
- Dériver sans vérifier que : n'est pas dérivable en .
💡 Astuce : avant de dériver, repère la structure : somme, produit, quotient, composée. Puis dérive de l'extérieur vers l'intérieur.
😄 Oublier , c'est comme envoyer un colis sans l'adresse : il part, mais il n'arrive nulle part.
3. Tangente et signe de la dérivée
La tangente à la courbe de au point d'abscisse ( dérivable en ) a pour équation :
Si sur un intervalle , est strictement croissante sur .
Si , elle est strictement décroissante.
Un extremum local en (intérieur à ) s'obtient quand s'annule et change de signe.
⚠️ Piège : ne suffit pas pour un extremum. Pour , mais il n'y a pas d'extremum. Il faut un changement de signe.
💡 Astuce : pour étudier le signe de , factorise. Un produit dont les facteurs ont un signe évident (, un carré , un dénominateur ) se lit d'un coup d'œil.
4. Dérivée seconde et convexité
On note la dérivée seconde de . Une fonction dérivable sur est :
- convexe sur si sa courbe est au-dessus de chacune de ses tangentes sur (elle « se creuse ») ;
- concave sur si sa courbe est en dessous de chacune de ses tangentes (elle « s'arrondit »).
Théorème. Soit deux fois dérivable sur . Les propositions suivantes sont équivalentes :
- est convexe sur ;
- est croissante sur ;
- sur .
De même, est concave est décroissante .
Point d'inflexion. C'est un point de la courbe où celle-ci traverse sa tangente, c'est-à-dire où la convexité change.
En pratique, en un point d'abscisse : s'annule et change de signe.
En un point d'inflexion, admet un extremum local.
Fonctions usuelles :
- et sont convexes sur ;
- est concave sur ;
- est concave sur , convexe sur (point d'inflexion en ) ;
- est convexe sur .
Position par rapport aux cordes : une fonction convexe est en dessous de ses cordes (segments joignant deux points de la courbe).
⚠️ Pièges :
- ne suffit pas pour un point d'inflexion : pour , mais ne change pas de signe, donc pas d'inflexion.
- Confondre « croissante » ( convexe) et « croissante » ( positive).
- Mélanger convexe et concave : convexe = au-dessus des tangentes, comme un sourire ; concave = en dessous, comme un chapeau.
😄 Un point d'inflexion, c'est le moment où la courbe hésite et change d'avis. Sa tangente le sait bien : elle se fait traverser.
5. Méthode pour étudier la convexité
- Justifie que est deux fois dérivable (« comme somme, produit, composée… »).
- Calcule , puis , et factorise.
- Étudie le signe de (tableau de signes si besoin).
- Conclus : sur convexe sur ; concave ; si s'annule en changeant de signe en , le point de la courbe d'abscisse est un point d'inflexion (donne ses coordonnées).
6. Convexité et inégalités
Si est convexe sur , sa courbe est au-dessus de chaque tangente :
Si est concave, l'inégalité est inversée. Deux inégalités à connaître :
- La tangente à la courbe de l'exponentielle en est . Comme est convexe, pour tout réel .
- La racine carrée est concave : la tangente en est . Donc pour .
💡 Deux méthodes pour une inégalité :
- La fonction auxiliaire , dont on étudie le signe grâce à ses variations (souvent un minimum égal à ).
- La convexité : la courbe est au-dessus de sa tangente.
La seconde est plus rapide quand la fonction est convexe et que la tangente est simple.
7. L'étude de fonction complète
- Domaine de définition, parité éventuelle.
- Limites aux bornes et asymptotes.
- Dérivabilité et calcul de , factorisé.
- Signe de et tableau de variations (avec limites et valeurs remarquables).
- Dérivée seconde, convexité, points d'inflexion (si demandé).
- Tangentes, position relative, équations, courbe.
8. Les problèmes d'optimisation
- Choisir la variable et donner son domaine (la contrainte physique compte : longueur positive, etc.).
- Exprimer la grandeur à optimiser en fonction de cette variable.
- Étudier les variations de la fonction obtenue : dérivée, signe, tableau.
- Conclure en contexte : « Le volume est maximal pour cm et vaut cm³ ».
⚠️ Piège : oublier de vérifier que la valeur trouvée est bien dans le domaine, ou de donner l'unité.
9. Les 10 pépites du chapitre
- Vérifie ta dérivée numériquement avec une valeur simple ( ou ) : tu détectes un facteur oublié en 10 secondes.
- Factorise toujours et : c'est ce qui rend le signe lisible.
- Avec ou , mets l'exponentielle en facteur : elle ne change jamais le signe.
- a un extremum là où a un point d'inflexion.
- Pour une tangente, écris les trois nombres : , , , puis l'équation.
- Un point d'inflexion se donne avec ses deux coordonnées.
- Pour une inégalité, pense à la fonction auxiliaire , et à son minimum.
- Pour un paramètre, traduis chaque information en équation : « passe par » donne , « tangente horizontale » donne .
- En optimisation, un extremum de la fonction n'a de sens que dans son domaine.
- Un tableau de variations soigné (limites, valeurs) vaut la moitié des points d'une étude.
Complément du programme : convexité par les cordes et position des tangentes
Définition (par les cordes). Une fonction est convexe sur un intervalle si, pour tous et de et tout :
Géométriquement : la courbe est au-dessous de chacune de ses cordes (le segment qui joint deux de ses points).
Propriété. Si sur , alors la courbe de est au-dessus de chacune de ses tangentes.
Démonstration. Soit . On pose . Alors et .
Comme , est croissante : pour et pour .
Donc décroît jusqu'en puis croît : son minimum est . Ainsi , c'est-à-dire .
Exemple. La tangente à en est . Comme , on retrouve pour tout réel .
💡 Astuce. Pour prouver une inégalité du type (fonction affine), pense à la convexité : la fonction affine est la tangente.
10. Ce qui peut tomber au bac
- Des dérivées de composées avec exponentielle, racine, puissance (fiche 1).
- La convexité : signe de , points d'inflexion, lecture graphique (fiche 2).
- Une étude de fonction complète, avec tangente, paramètres et optimisation (fiche 3).
- Une inégalité par étude de fonction ou par convexité, souvent reliée à une suite (fiche 4).
Tu as maintenant le cours. Passe aux quatre fiches, aux exercices type bac, puis au Guide de rédaction du chapitre.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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