Terminale Spé Maths / Chapitre 4 : Dérivation et convexité
Fiche 3 : études de fonctions et optimisation
Huit exercices pour traiter les études de fonctions complètes du bac : polynôme, exponentielle, quotient, détermination de paramètres, lecture des variations sur la courbe de , problèmes d'optimisation (volume maximal, coût moyen minimal).
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac : domaine, limites justifiées, dérivée factorisée, signe justifié, tableau complet, conclusion en contexte pour les problèmes.
💡 Le plan d'une étude de fonction
- Domaine de définition.
- Limites aux bornes et asymptotes.
- Dérivabilité, calcul et factorisation de .
- Signe de , tableau de variations avec limites et valeurs.
- Convexité et points d'inflexion si demandé.
- Tangentes, équations, courbe.
Optimisation : variable et domaine, expression de la grandeur, variations, conclusion en contexte avec l'unité.
⚠️ Les pièges classiques
- Oublier les limites dans le tableau de variations.
- Ne pas vérifier que l'extremum trouvé est dans le domaine.
- Oublier l'unité ou la conclusion en contexte dans un problème.
- Conclure à un extremum quand s'annule sans changer de signe.
😄 Un tableau de variations sans limites, c'est un plat sans sel : tout y est, mais il manque ce qui fait le goût.
Exercice 1 (★★) : une étude complète d'un polynôme
Soit sur .
1. Déterminer les limites de en et en .
2. Étudier les variations de et dresser son tableau.
3. Étudier la convexité et donner le point d'inflexion, puis la tangente en ce point.
4. Vérifier que , puis résoudre .
✏️ Correction de l'exercice 1
Question 1
Pour tout , . Comme et , le facteur tend vers . Comme en et en , par produit :
✅
✅
Question 2
est un polynôme, dérivable sur .
✅
Le signe de est celui d'un trinôme de racines et : sur , sur , sur .
Tableau de variations. est strictement croissante sur (de à ). est strictement décroissante sur (de à ). est strictement croissante sur (de à ).
✅ Maximum local en , minimum local en .
Question 3
. sur et sur .
✅ est concave sur et convexe sur .
✅ Le point d'inflexion est .
Comme , la tangente a pour équation .
✅
Question 4
✓
Donc ou . Le discriminant de vaut , donc ou .
✅ Les solutions sont , et .
Cela confirme qu'il y a trois solutions, comme le prévoit le tableau (une par intervalle de stricte monotonie).
Exercice 2 (★★) : une exponentielle avec asymptote
Soit sur . Étudier complètement : limites, asymptote, variations, convexité, point d'inflexion.
✏️ Correction de l'exercice 2
Limites
En : et , donc, par produit :
✅
En : par croissances comparées :
✅
La droite d'équation est asymptote horizontale en .
Variations
est dérivable sur comme produit. .
✅
Comme , est du signe de .
✅ est strictement croissante sur (de à ) et strictement décroissante sur (de à ).
Maximum : .
Convexité
.
✅ , du signe de .
✅ est concave sur et convexe sur .
✅ Le point d'inflexion est .
Exercice 3 (★★★) : un quotient avec exponentielle et une inégalité
Soit sur .
1. Déterminer les limites de en et en .
2. Étudier les variations de et dresser son tableau.
3. En déduire que, pour tout , .
4. Discuter, selon le réel , le nombre de solutions de .
✏️ Correction de l'exercice 3
Question 1
En : et , donc, par quotient :
✅ (asymptote verticale )
En : par croissances comparées :
✅
Question 2
est dérivable sur comme quotient dont le dénominateur ne s'annule pas. .
✅
Comme et , est du signe de .
✅ est strictement décroissante sur (de à ) et strictement croissante sur (de à ).
Son minimum est , atteint en .
Question 3
Pour tout , , soit . En multipliant par :
✅
Question 4
D'après le tableau :
• Si , l'équation n'a aucune solution ().
• Si , elle admet une unique solution .
• Si , est strictement compris entre et .
Sur ( continue strictement décroissante de à ) et sur ( continue strictement croissante de à ), le corollaire du TVI donne une unique solution sur chaque intervalle.
✅ Donc deux solutions si .
Exercice 4 (★★★) : un minimum classique
Soit sur . Étudier les variations de . En déduire que pour tout , puis que pour tous réels .
✏️ Correction de l'exercice 4
Variations. est dérivable sur .
Pour , et , donc est du signe de .
✅ est strictement décroissante sur et strictement croissante sur : elle admet un minimum en , égal à .
L'inégalité. Donc, pour tout , .
✅
Application. Pour , on pose . Alors .
✅ Donc .
Exercice 5 (★★★) : paramètres, puis étude
Soit , où et sont deux réels. La courbe de passe par et admet en une tangente horizontale.
1. Déterminer et .
2. Pour la suite, . Déterminer les limites de en et en .
3. Étudier les variations de , sa convexité, et donner son point d'inflexion.
✏️ Correction de l'exercice 5
Question 1
est dérivable sur comme produit : .
La courbe passe par : . La tangente en est horizontale : , donc .
✅ Donc et .
Question 2
Pour tout , .
En : par croissances comparées, , et , donc, par somme :
✅ (asymptote en )
En : et , donc, par produit :
✅
Question 3
.
✅ , du signe de .
✅ est strictement décroissante sur (de à ) et strictement croissante sur (de à ).
Minimum : en .
.
✅ , du signe de .
✅ est concave sur et convexe sur .
✅ Point d'inflexion :
Exercice 6 (★★★) : optimisation, la boîte de volume maximal
Dans une feuille de carton carrée de cm de côté, on découpe dans chaque coin un carré de côté cm ().
On replie ensuite les côtés pour former une boîte sans couvercle.
Pour quelle valeur de le volume de la boîte est-il maximal ?
Quel est ce volume ?
✏️ Correction de l'exercice 6
Modélisation. La base de la boîte est un carré de côté , et sa hauteur est . Le volume, en cm³, est :
Variations. est dérivable comme polynôme.
✅
Sur , , donc est du signe de . sur , et sur . est strictement croissante sur , puis strictement décroissante sur .
Conclusion. Le maximum est atteint en , avec .
✅ Le volume est maximal pour cm et vaut cm³.
Exercice 7 (★★) : optimisation, le coût moyen minimal
Une entreprise fabrique milliers d'objets par mois ().
Le coût total de production, en milliers d'euros, est .
Le coût moyen d'un objet, en euros, est .
Pour quelle production le coût moyen est-il minimal ?
Quel est-il ?
✏️ Correction de l'exercice 7
Modélisation. Pour :
Variations. La fonction est dérivable sur .
Pour , et , donc est du signe de . est strictement décroissante sur et strictement croissante sur . Son minimum est .
✅ Le coût moyen est minimal pour une production de milliers d'objets par mois, et il vaut alors € par objet.
Exercice 8 (★★) : lire les variations sur la courbe de
Soit une fonction dérivable sur . On lit sur la courbe de sa dérivée :
- pour ;
- ;
- pour ;
- ;
- pour .
Dresser le tableau de variations de et préciser ses extremums locaux.
✏️ Correction de l'exercice 8
Variations. Le signe de donne le sens de variation de :
• sur : est strictement croissante sur .
• sur : est strictement décroissante sur .
• sur : est strictement croissante sur .
Extremums locaux. En , s'annule en passant du positif au négatif.
✅ admet un maximum local en .
En , s'annule en passant du négatif au positif.
✅ admet un minimum local en .
La courbe de a des tangentes horizontales en ces deux points.
Remarque : on ne peut pas donner les valeurs et avec la seule courbe de .
🎯 Ce qui peut tomber au bac
- Une étude complète avec limites, tableau, convexité et inflexion (exercices 1, 2, 5).
- Un minimum qui donne une inégalité (exercices 3 et 4).
- Une détermination de paramètres avant l'étude (exercice 5).
- Un problème d'optimisation avec conclusion en contexte (exercices 6 et 7).
- La lecture graphique de (exercice 8).
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
Quelle est l'équation de la tangente à la courbe de au point d'abscisse ?
La tangente passe par avec pour coefficient directeur .
Question 2 sur 10
Quelle est l'équation de la tangente à la courbe de en ?
et : .
Question 3 sur 10
Si , la tangente en est :
Le coefficient directeur est nul : la tangente est parallèle à l'axe des abscisses.
Question 4 sur 10
Où la fonction admet-elle des extremums locaux ?
s'annule en en changeant de signe.
Question 5 sur 10
Pour étudier les variations d'une fonction dérivable, on étudie :
sur un intervalle : y est croissante. : décroissante.
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 1, avec , quel est le point d'inflexion de la courbe ?
s'annule en en changeant de signe, et .
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 2, avec , quelle est la valeur maximale de sur ?
s'annule en en changeant de signe (croissante puis décroissante) : .
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 3, avec sur , quelle inégalité en déduit-on pour tout ?
Le minimum de sur est , donc pour tout , soit .
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 6 (la boîte en carton de côté cm), pour quelle valeur de le volume est-il maximal ?
admet un maximum en , avec cm³.
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 7, avec (en milliers d'euros pour milliers d'objets), pour quelle production le coût moyen est-il minimal ?
est minimale en (où ), avec .
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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