Mathématiques · QRC

Dérivation et étude des variations

Apprenez à calculer la dérivée d’une fonction, déterminer l’équation d’une tangente et utiliser le signe de la dérivée pour construire un tableau de variations et identifier les extrema.

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Étudier l’évolution d’une fonction

La dérivée indique comment une fonction varie

La dérivée permet d’étudier l’évolution locale d’une fonction. Son signe indique si la fonction augmente ou diminue, tandis que sa valeur en un point fournit le coefficient directeur de la tangente à la courbe en ce point.

Calculer

Déterminer l’expression de f′(x) à partir des formules de dérivation des fonctions usuelles.

Étudier le signe

Résoudre f′(x) = 0, puis déterminer sur quels intervalles la dérivée est positive ou négative.

Déduire les variations

Transformer le tableau de signes de f′ en tableau de variations de la fonction f.

La dérivée ne donne pas directement le signe de la fonction

Le signe de f′ indique le sens de variation de f. Il ne permet pas de savoir si f(x) est positif ou négatif. Une fonction peut être croissante tout en restant entièrement sous l’axe des abscisses.

Notion fondamentale

Comprendre le nombre dérivé

Le nombre dérivé f′(a) mesure le taux de variation instantané de la fonction f au voisinage du nombre a. Géométriquement, il correspond au coefficient directeur de la tangente à la courbe.

Fonction dérivée

Lorsque f est dérivable, sa fonction dérivée est notée f′. Pour chaque valeur x, le nombre f′(x) renseigne sur la pente de la courbe représentative de f au point d’abscisse x.

f′(x) > 0

La pente est positive. La courbe monte lorsque l’on se déplace de gauche à droite et la fonction est croissante.

f′(x) < 0

La pente est négative. La courbe descend lorsque l’on se déplace de gauche à droite et la fonction est décroissante.

f′(x) = 0

La tangente est horizontale. Cette valeur peut correspondre à un maximum, un minimum ou un autre point stationnaire.

Une dérivée n’est pas un quotient ordinaire

L’écriture f′ désigne une nouvelle fonction associée à f. Elle ne s’obtient pas en ajoutant simplement une apostrophe aux termes : chaque terme doit être dérivé selon une règle précise.

Formulaire indispensable

Les dérivées des fonctions usuelles

Les formules élémentaires doivent être suffisamment maîtrisées pour être reconnues et appliquées rapidement dans une expression.

Fonction f(x) Domaine étudié Dérivée f′(x) Exemple
Constante k ℝ 0 Si f(x) = 7, alors f′(x) = 0.
x ℝ 1 Si f(x) = x, alors f′(x) = 1.
ax + b ℝ a Si f(x) = 4x − 3, alors f′(x) = 4.
x² ℝ 2x Si f(x) = x², alors f′(x) = 2x.
x³ ℝ 3x² Si f(x) = x³, alors f′(x) = 3x².
xn ℝ pour n entier positif nxn−1 La dérivée de x5 est 5x4.
1/x ℝ \ {0} −1/x² La dérivée de la fonction inverse est négative sur chacun de ses intervalles de définition.
ex ℝ ex La fonction exponentielle est égale à sa propre dérivée.

Fonction affine

(ax + b)′ = a

La dérivée est constante et égale au coefficient directeur de la droite.

Fonction du second degré

(ax² + bx + c)′ = 2ax + b

La dérivée d’un polynôme du second degré est une fonction affine.

Fonction du troisième degré

(ax³ + bx² + cx + d)′ = 3ax² + 2bx + c

La dérivée d’un polynôme du troisième degré est un polynôme du second degré.

Exemple — Dériver un polynôme

Soit f(x) = 4x³ − 3x² + 5x − 8.

(4x³)′ = 4 × 3x² = 12x²
(−3x²)′ = −3 × 2x = −6x
(5x)′ = 5
(−8)′ = 0

f′(x) = 12x² − 6x + 5

Chaque terme est dérivé séparément. La constante −8 disparaît.

Règles de combinaison

Dériver une somme ou une différence

La dérivée d’une somme est la somme des dérivées. La dérivée d’une différence est la différence des dérivées.

Somme

(u + v)′ = u′ + v′

On dérive séparément les deux fonctions, puis on additionne.

Différence

(u − v)′ = u′ − v′

Le signe placé devant le second terme doit être conservé.

Multiplication par une constante

(ku)′ = ku′

La constante reste présente et multiplie la dérivée de u.

Exemple — Somme de fonctions

Soit f(x) = x³ + 4x² − 7x + 2.

f′(x) = 3x² + 8x − 7

La dérivée de la constante 2 est nulle.

Exemple — Avec la fonction inverse

Soit g(x) = 3x − 2/x, définie pour x ≠ 0.

(3x)′ = 3
(−2/x)′ = −2 × (−1/x²) = 2/x²

g′(x) = 3 + 2/x²

Le coefficient doit être conservé

La dérivée de 5x² n’est pas 2x mais 10x : on dérive x², puis on multiplie le résultat par le coefficient 5.

Interprétation géométrique

Déterminer l’équation d’une tangente

La tangente à la courbe de f au point d’abscisse a est une droite qui possède pour coefficient directeur le nombre dérivé f′(a) et passe par le point A(a ; f(a)).

Équation de la tangente en a

y = f′(a)(x − a) + f(a). Il faut donc calculer successivement f(a), puis f′(x), puis f′(a), avant de remplacer les valeurs dans cette formule.

Le point de contact

La tangente au point d’abscisse a passe obligatoirement par le point A(a ; f(a)) de la courbe.

La pente

Le coefficient directeur de la tangente est f′(a). Son signe indique si la tangente monte ou descend.

Exemple — Tangente à une parabole

Soit f(x) = x² − 3x + 4. Déterminons l’équation de la tangente au point d’abscisse 2.

1. Calcul de f(2) :
f(2) = 2² − 3 × 2 + 4 = 4 − 6 + 4 = 2

2. Calcul de la dérivée :
f′(x) = 2x − 3

3. Calcul de f′(2) :
f′(2) = 2 × 2 − 3 = 1

4. Équation de la tangente :
y = f′(2)(x − 2) + f(2)
y = 1(x − 2) + 2
y = x

La tangente à la courbe de f au point d’abscisse 2 a pour équation y = x.

Vérification rapide

Le point A(2 ; 2) doit appartenir à la tangente obtenue. Dans l’équation y = x, remplacer x par 2 donne bien y = 2.

Étape décisive

Étudier le signe de la dérivée

Pour déduire les variations de f, il faut déterminer où f′(x) est positive, négative ou nulle. La méthode dépend de la forme de l’expression obtenue.

Dérivée constante

Pour une fonction affine, f′(x) = a. Son signe est donc celui du coefficient directeur a.

Dérivée affine

On résout ax + b = 0, puis on utilise le signe d’une expression du premier degré.

Dérivée factorisée

On recherche les valeurs qui annulent chaque facteur, puis on construit un tableau de signes.

Exemple — Signe d’une dérivée affine

Soit f′(x) = 2x − 6.

f′(x) = 0
2x − 6 = 0
2x = 6
x = 3

Le coefficient de x est positif. L’expression 2x − 6 est donc négative avant 3 et positive après 3.

x
−∞
3
+∞
Signe de f′(x)
−
−
0
+
+

Résoudre f′(x) = 0 ne suffit pas

Les valeurs qui annulent la dérivée servent à découper le domaine en intervalles. Il faut ensuite déterminer le signe de f′ sur chacun de ces intervalles.

Du signe aux variations

Construire le tableau de variations

Le tableau de variations résume le comportement de la fonction. Il se déduit directement du signe de sa dérivée.

Signe de f′ sur un intervalle Conséquence pour f Représentation
f′(x) > 0 f est strictement croissante. Flèche montante ↗
f′(x) < 0 f est strictement décroissante. Flèche descendante ↘
f′(x) = 0 en un point isolé La tangente est horizontale en ce point. Il faut observer le changement de signe. Valeur intermédiaire ou extremum
f′(x) = 0 sur tout un intervalle f est constante sur cet intervalle. Flèche horizontale →
Exemple — Déduire les variations

Supposons que f′ soit négative sur ]−∞ ; 3[, nulle en 3 et positive sur ]3 ; +∞[.

x
−∞
3
+∞
Signe de f′
−
0
+
Variation de f
↘
minimum
↗

La fonction est décroissante jusqu’à 3, puis croissante après 3. Elle admet donc un minimum en x = 3.

Calculer les valeurs utiles

Une fois les abscisses critiques trouvées, calculez leurs images par la fonction f. Ces valeurs doivent apparaître dans le tableau de variations, notamment lorsqu’elles correspondent à un extremum.

Maximum et minimum

Repérer un extremum grâce au changement de signe

Une valeur annulant f′ peut correspondre à un extremum, mais uniquement si le signe de la dérivée change de part et d’autre.

Minimum local

Si f′ passe du signe négatif au signe positif, la fonction cesse de décroître et commence à croître.

Maximum local

Si f′ passe du signe positif au signe négatif, la fonction cesse de croître et commence à décroître.

Pas nécessairement d’extremum

Si f′ s’annule sans changer de signe, la fonction peut continuer à varier dans le même sens.

Signe de f′ avant a f′(a) Signe de f′ après a Conclusion
Négatif 0 Positif f admet un minimum local en a.
Positif 0 Négatif f admet un maximum local en a.
Positif 0 Positif Pas d’extremum déduit : f reste croissante.
Négatif 0 Négatif Pas d’extremum déduit : f reste décroissante.
Valeur de l’extremum

Si l’extremum est atteint pour x = a, sa valeur est f(a). Il faut donc distinguer l’abscisse a et la valeur de l’extremum f(a).

Exercice guidé

Étude complète d’une fonction du second degré

Voici la démarche complète permettant de passer de l’expression d’une fonction à son tableau de variations et à son extremum.

Étudier les variations de f(x) = x² − 6x + 5

1. Domaine de définition

f est une fonction polynomiale.
Elle est donc définie sur ℝ.

2. Calcul de la dérivée

f(x) = x² − 6x + 5
f′(x) = 2x − 6

3. Recherche de la valeur qui annule la dérivée

2x − 6 = 0
2x = 6
x = 3

4. Étude du signe de f′

f′(x) < 0 lorsque x < 3.
f′(3) = 0.
f′(x) > 0 lorsque x > 3.

5. Calcul de la valeur de l’extremum

f(3) = 3² − 6 × 3 + 5
= 9 − 18 + 5
= −4

6. Conclusion

f est décroissante sur ]−∞ ; 3], puis croissante sur [3 ; +∞[.
Elle admet un minimum égal à −4, atteint pour x = 3.

Contrôle graphique

Le coefficient de x² est positif : la parabole est ouverte vers le haut. Il est donc cohérent d’obtenir un minimum et non un maximum.

Traiter une QRC de dérivation

Une réponse complète doit faire apparaître la dérivée, son signe, les variations de la fonction et les valeurs utiles, sans sauter le lien logique entre ces différentes étapes.

1 Dériver Identifier chaque terme et appliquer la formule de dérivation correspondante.
2 Résoudre Rechercher les valeurs qui annulent f′ et découper le domaine en intervalles.
3 Étudier le signe Déterminer où f′ est positive ou négative et présenter un tableau de signes.
4 Conclure Déduire les variations, calculer les extrema et rédiger une conclusion précise.

La phrase de justification à connaître

« La fonction f est croissante sur cet intervalle car sa dérivée f′ y est positive. » Cette formulation établit clairement le lien entre le signe de la dérivée et le sens de variation.

Révision express

Les quatre réflexes à conserver

1

Constante

La dérivée d’une constante est nulle. Elle disparaît donc lors du calcul de f′.

2

Puissance

Pour dériver xn, on place n devant et on diminue l’exposant d’une unité.

3

Signe

f′ positive signifie f croissante ; f′ négative signifie f décroissante.

4

Extremum

Une dérivée nulle produit un extremum seulement lorsque son signe change.

Le fil directeur

Domaine de définition → calcul de f′ → résolution de f′(x) = 0 → signe de f′ → variations de f → calcul des images utiles → maximum ou minimum → conclusion.

Questions fréquentes

Consolider les notions essentielles

À quoi sert concrètement la dérivée ?

Elle permet notamment de connaître la pente d’une courbe, déterminer une tangente, étudier les variations d’une fonction et rechercher ses éventuels maxima ou minima.

Quelle différence entre f′(x) et f′(a) ?

f′(x) est l’expression générale de la fonction dérivée. f′(a) est le nombre obtenu lorsque x est remplacé par a. Il correspond au coefficient directeur de la tangente au point d’abscisse a.

La dérivée d’une constante est-elle toujours nulle ?

Oui. Une fonction constante ne varie pas : sa pente est nulle en tout point et sa dérivée est donc égale à zéro.

Si f′(a) = 0, f possède-t-elle forcément un extremum en a ?

Non. Il faut également que le signe de f′ change autour de a. Sans changement de signe, la fonction peut continuer à varier dans le même sens.

Comment reconnaître un minimum dans un tableau de signes ?

La dérivée est négative avant la valeur étudiée, nulle en cette valeur, puis positive après. La fonction décroît puis croît.

Comment reconnaître un maximum ?

La dérivée est positive avant la valeur étudiée, nulle en cette valeur, puis négative après. La fonction croît puis décroît.

Quelle formule utiliser pour une tangente ?

La tangente à la courbe de f au point d’abscisse a possède pour équation y = f′(a)(x − a) + f(a).

Faut-il calculer les images dans un tableau de variations ?

Oui, lorsque les valeurs correspondantes sont demandées ou nécessaires pour présenter un extremum. Il faut notamment calculer f(a) lorsque f′(a) = 0 et que le signe de la dérivée change.

Poursuivez avec les statistiques

Après l’étude des fonctions et de leurs variations, abordez la description des séries statistiques, les taux d’évolution, les nuages de points et l’ajustement affine.

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