Terminale Spé Maths / Chapitre 4 : Dérivation et convexité
Fiche 2 : dérivée seconde et convexité
Neuf exercices pour maîtriser la convexité : calculer et étudier son signe, trouver les points d'inflexion, lire la convexité sur ou sur , positionner une courbe par rapport à ses tangentes, traiter les vrai/faux classiques.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac : deux fois dérivable justifié, factorisée, signe justifié, théorème cité, points d'inflexion avec leurs deux coordonnées.
💡 Le modèle de rédaction de la convexité
« La fonction est deux fois dérivable sur comme … Pour tout , et Or … donc est du signe de … Ainsi sur … : est convexe sur …, et sur … : est concave sur … Comme s'annule en changeant de signe en , le point est un point d'inflexion de la courbe. »
⚠️ Les pièges classiques
- Confondre convexe (, au-dessus des tangentes) et concave ().
- Conclure à un point d'inflexion quand s'annule sans changer de signe (comme pour en ).
- Donner l'abscisse du point d'inflexion mais pas son ordonnée.
- Confondre croissante et croissante.
😄 Pour ne jamais confondre : convexe ressemble à un sourire, concave à un chapeau de sorcière.
Exercice 1 (★) : étudier la convexité
Étudier la convexité et déterminer les éventuels points d'inflexion :
1.
2.
3.
4.
✏️ Correction de l'exercice 1
Question 1
La fonction est un polynôme, donc deux fois dérivable sur .
.
Comme est un trinôme positif à l'extérieur des racines et négatif entre elles : sur et sur , et sur .
✅ est convexe sur et sur , concave sur .
Comme s'annule en changeant de signe en , la courbe a deux points d'inflexion. .
✅ Points d'inflexion : et
Question 2
est un polynôme, deux fois dérivable sur .
si , , si .
✅ est concave sur et convexe sur .
✅ Le point est un point d'inflexion.
Question 3
est deux fois dérivable sur et .
✅ Donc est convexe sur ; elle n'a pas de point d'inflexion.
Question 4
est deux fois dérivable sur comme composée.
Comme , est du signe de , qui s'annule en .
✅ est convexe sur et sur , concave sur .
✅ Points d'inflexion : et
Exercice 2 (★★) : convexité, inflexion et tangente
Soit sur .
1. Calculer et .
2. Étudier la convexité de et déterminer le point d'inflexion.
3. Donner l'équation de la tangente à la courbe en ce point.
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
est deux fois dérivable sur comme produit de fonctions dérivables. .
✅
.
✅
Question 2
Comme , est du signe de . sur , , sur .
✅ est concave sur et convexe sur .
Comme s'annule en changeant de signe en , le point d'abscisse est un point d'inflexion. .
✅ Le point d'inflexion est .
Question 3
. La tangente en ce point a pour équation .
✅
Comme le point est un point d'inflexion, la courbe traverse cette tangente.
Exercice 3 (★★) : la convexité lue sur
Soit une fonction deux fois dérivable sur . On sait que est :
- croissante sur ;
- décroissante sur ;
- croissante sur .
Étudier la convexité de et ses points d'inflexion.
✏️ Correction de l'exercice 3
Méthode. Une fonction deux fois dérivable est convexe sur un intervalle si et seulement si sa dérivée y est croissante. Elle est concave si et seulement si sa dérivée y est décroissante.
Conclusion. est croissante sur et sur .
✅ est convexe sur et sur .
est décroissante sur .
✅ est concave sur .
La convexité change en (de convexe à concave) et en (de concave à convexe).
✅ La courbe a deux points d'inflexion, d'abscisses et , là où admet un extremum local.
Exercice 4 (★★) : la convexité lue sur le signe de
Soit une fonction deux fois dérivable sur , avec :
- sur ;
- sur ;
- sur .
Étudier la convexité de et déterminer les points d'inflexion. Que peut-on dire de en et en ?
✏️ Correction de l'exercice 4
Méthode. sur un intervalle signifie que est convexe ; qu'elle est concave.
Convexité. Sur : .
✅ est convexe.
Sur : .
✅ est concave.
Sur : .
✅ est convexe.
Points d'inflexion. s'annule en et en (par continuité de si elle est continue) en changeant de signe.
✅ La courbe a deux points d'inflexion, d'abscisses et .
La dérivée . Comme donne les variations de : est croissante sur , décroissante sur et croissante sur .
✅ admet un maximum local en et un minimum local en .
Exercice 5 (★★) : position de la courbe par rapport à une tangente
1. Déterminer la tangente à la courbe de l'exponentielle en et en déduire une inégalité.
2. Étudier la position de la courbe de par rapport à sa tangente en .
3. Étudier la position de la courbe de par rapport à sa tangente en .
✏️ Correction de l'exercice 5
Question 1
Pour , et . a pour équation .
✅
Comme , l'exponentielle est convexe sur : sa courbe est au-dessus de ses tangentes.
✅ Donc pour tout réel .
Question 2
Pour : , , la tangente en est . Or est négatif pour et positif pour .
✅ La courbe traverse sa tangente en , qui est donc un point d'inflexion.
( change de signe en .)
Question 3
Pour sur : et , donc est concave.
La tangente en a pour équation . Comme est concave, sa courbe est en dessous de sa tangente.
✅ pour (et l'inégalité reste vraie en ).
Exercice 6 (★★★) : un paramètre pour un point d'inflexion
Soit , où est un réel. Déterminer pour que la courbe de ait un point d'inflexion d'abscisse .
✏️ Correction de l'exercice 6
Les dérivées. est un polynôme, deux fois dérivable sur .
La condition. Il y a un point d'inflexion d'abscisse si et seulement si s'annule en changeant de signe en . Or .
Vérification du changement de signe. Pour , . Il est négatif pour et positif pour : il y a bien un changement de signe.
✅ Donc .
Exercice 7 (★★★) : un produit avec exponentielle
Soit sur . Étudier la convexité de et déterminer le point d'inflexion.
✏️ Correction de l'exercice 7
est deux fois dérivable sur comme produit de fonctions dérivables.
✅
Comme , est du signe de . sur et sur .
✅ est concave sur et convexe sur .
Comme s'annule en changeant de signe en :
✅ le point est un point d'inflexion.
Exercice 8 (★★★) : une inégalité par concavité
Montrer que, pour tout , .
✏️ Correction de l'exercice 8
Soit sur . La fonction est deux fois dérivable sur cet intervalle.
Donc est concave sur : sa courbe est en dessous de chacune de ses tangentes.
La tangente en a pour équation .
✅ Donc, pour tout , .
Exercice 9 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. Si est convexe sur , alors est croissante sur .
2. Si , alors le point d'abscisse est un point d'inflexion.
3. La somme de deux fonctions convexes est convexe.
4. Le produit de deux fonctions convexes est convexe.
5. Si est concave, alors est convexe.
6. La courbe d'une fonction convexe est au-dessus de toutes ses tangentes.
✏️ Correction de l'exercice 9
Affirmation 1
Pour une fonction deux fois dérivable, convexe équivaut à croissante.
✅ Vrai.
Affirmation 2
Il faut que change de signe. Contre-exemple : , s'annule en sans changer de signe ( est convexe sur ), donc pas d'inflexion en .
❌ Faux.
Affirmation 3
Si et , alors .
✅ Vrai.
Affirmation 4
Contre-exemple : et sont convexes (fonctions affines), mais est concave.
❌ Faux.
Affirmation 5
si .
✅ Vrai.
Affirmation 6
C'est la définition de la convexité.
✅ Vrai.
🎯 Ce qui peut tomber au bac sur la convexité
- L'étude de la convexité avec factorisée et les points d'inflexion (exercices 1, 2, 7).
- La lecture graphique : sur ou sur (exercices 3 et 4).
- La position de la courbe et de sa tangente, qui donne des inégalités (exercices 5 et 8).
- Un paramètre imposé par un point d'inflexion (exercice 6).
- Un vrai/faux sur les propriétés de la convexité (exercice 9).
QCM : vérifie tes acquis
10 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.
Question 1 sur 10
Une fonction deux fois dérivable est convexe sur si et seulement si :
La convexité se lit sur le signe de la dérivée seconde.
Question 2 sur 10
La courbe de admet un point d'inflexion en :
change de signe en : la courbe passe de concave à convexe.
Question 3 sur 10
La fonction exponentielle est :
pour tout réel .
Question 4 sur 10
Si est concave sur , sa courbe est située :
Concave : courbe sous ses tangentes. Convexe : courbe au-dessus.
Question 5 sur 10
Que peut-on dire de ?
: la fonction est concave, sans point d'inflexion.
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 1, où sont les points d'inflexion de ?
s'annule et change de signe en .
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 2, avec , quelle est l'équation de la tangente au point d'inflexion ?
On calcule et on écrit .
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 3, si est croissante sur , décroissante sur puis croissante sur , la fonction est :
Le sens de variation de donne le signe de , donc la convexité de (convexe là où croît).
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 6, pour quelle valeur de la courbe de a-t-elle un point d'inflexion d'abscisse ?
s'annule en quand , soit .
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 8, quelle inégalité démontre-t-on par concavité pour tout ?
La fonction racine carrée est concave : sa courbe reste sous sa tangente en , ce qui donne l'inégalité pour .
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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