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Fonction convexe 2

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Tableau de dérivées

Tableau des dérivées usuelles

Fonction

Fonction dérivée

Conditions, intervalle

$x \mapsto c$
($c$ constante)

$x \mapsto 0$

$\mathbb R$

$x \mapsto ax + b$
($a$, $b$ constantes)

$x \mapsto a$

$\mathbb R$

$x \mapsto x^n$

$x \mapsto nx^{n-1}$

$n \in \mathbb N^*$, $x \in \mathbb R$

$\displaystyle x \mapsto \frac{1}{x^n}$

$\displaystyle x\mapsto - \frac{n}{x^{n+1}}$

$n \in \mathbb N^*$, $x \in \mathbb R$

$x \mapsto \cos (x)$

$x \mapsto -\sin(x)$

$\mathbb R$

$x \mapsto \cos (ax + b)$

$x \mapsto -a \sin (ax + b) + c$

$\mathrm I = \mathbb R$,
$(a ; b ; c)\in \mathbb R^3$

$x \mapsto \sin (x)$

$x \mapsto \cos(x)$

$\mathbb R$

$x \mapsto \sin (ax + b)$

$x \mapsto a \cos (ax + b) + c$

$\mathrm I = \mathbb R$,
$(a ; b ; c)\in \mathbb R^3$

$x \mapsto \mathrm e^x$

$x \mapsto \mathrm e^x$

$\mathbb R$

$x \mapsto \ln (x)$

$\displaystyle x \mapsto \frac{1}{x}$

$\mathbb R^*_+$

$\mathrm e^u$

$u' \mathrm e^u$

 

$(u^n)$

$nu'u^{n-1}$

$n \in \mathbb N$ ou si $n \in \mathbb Z^-$, $u(x) \neq 0$

$\ln(u)$

$\displaystyle \frac{u'}{u}$

${\rm I}$ où $u$ est strictement positive

$x \mapsto (g \circ f)(x) = g(f(x))$

$x \mapsto(g \circ f)'(x) = (g' \circ f)(x)\times f'(x) = g'(f(x))\times f'(x)$

$f$ dérivable sur ${\rm I}$, $f({\rm I}) \subset J$ intervalle, $g$ dérivable sur ${\rm J}$

Fonctions de base

Ce tableau présente les dérivées usuelles des fonctions les plus couramment utilisées en mathématiques. Les fonctions constantes ont une dérivée nulle, tandis que les fonctions linéaires ont une dérivée égale au coefficient directeur.

Fonctions puissances

Pour les fonctions puissances $x^n$, la dérivée suit la règle $nx^{n-1}$. Cette règle s'applique également aux fonctions inverses de la forme $\frac{1}{x^n}$.

Fonctions trigonométriques

Les fonctions trigonométriques ont des dérivées particulières : la dérivée de $\cos(x)$ est $-\sin(x)$, et la dérivée de $\sin(x)$ est $\cos(x)$. Pour les fonctions composées comme $\cos(ax + b)$ et $\sin(ax + b)$, il faut appliquer la règle de dérivation en chaîne.

Fonctions exponentielles et logarithmiques

La fonction exponentielle $\mathrm e^x$ a la propriété remarquable d'être sa propre dérivée. La fonction logarithme $\ln(x)$ a pour dérivée $\frac{1}{x}$ sur l'intervalle $\mathbb R^*_+$.

Dérivation des fonctions composées

Les dernières lignes du tableau présentent les règles de dérivation pour les fonctions composées. La règle de dérivation en chaîne $(g \circ f)'(x) = g'(f(x)) \times f'(x)$ est fondamentale pour dériver des fonctions complexes.

EN RÉSUMÉ

Dérivée et opérations

Règles de dérivation

Dérivée d'une somme

Si $u$ et $v$ sont deux fonctions dérivables sur un intervalle $\rm I$ de $\mathbb{R}$ alors $u + v$ est dérivable sur $\rm I$ et on a :

$(u + v)' = u' + v'$

Dérivée d'un produit par un réel

Si $u$ est une fonction dérivable sur un intervalle $\rm I$ de $\mathbb{R}$ et si $k$ est un réel alors la fonction $k \times u$ est dérivable sur $\rm I$ et on a :

$(k \times u)' = k \times u'$

Dérivée d'un produit

Si $u$ et $v$ sont deux fonctions dérivables sur un intervalle $\rm I$ de $\mathbb{R}$ alors $u \times v$ est dérivable sur $\rm I$ et on a :

$(u \times v)' = u' \times v + u \times v'$

Dérivée d'un quotient

Si $u$ et $v$ sont deux fonctions dérivables sur un intervalle $\rm I$ et si $v(x) \neq 0$ pour tout $x$ de $\rm I$ alors $\displaystyle \frac{u}{v}$ est dérivable sur $\rm I$ et on a :

$\displaystyle\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u' v - u v'}{{v}^2}$

Cas particulier

En particulier, $\displaystyle\left(\frac{1}{v}\right)' = -\frac{v'}{{v}^2}$.

EN RÉSUMÉ

Définition de la convexité

Fonction convexe

Une fonction convexe sur un intervalle $\rm I$ est caractérisée par le fait que sa courbe représentative est au-dessus de toutes ses tangentes.

Exemple

La fonction exponentielle est convexe sur l'intervalle $]-\infty ~; +\infty[$. Sa courbe représentative est au-dessus de sa tangente au point d'abscisse $x = 0$, ainsi qu'en tous les points d'abscisse réelle.

Fonction concave

Une fonction concave sur un intervalle $\rm I$ est caractérisée par le fait que sa courbe représentative est en-dessous de toutes ses tangentes.

Exemple

La fonction logarithme népérien est concave sur l'intervalle $]0~ ; +\infty[$. Sa courbe représentative est en-dessous de sa tangente au point d'abscisse $x = 1$, ainsi qu'en tous les points d'abscisse strictement positive.

EN RÉSUMÉ

Convexité et sens de variation de la dérivée

Convexité et concavité des fonctions

Caractérisation par les dérivées

Pour une fonction $f$ deux fois dérivables sur un intervalle $\rm I$ :

$f$ convexe sur $\mathrm I \Leftrightarrow f'$ croissante sur $\mathrm I \Leftrightarrow f'' \geq 0$ sur $\rm I$.

$f$ concave sur $\mathrm I \Leftrightarrow f'$ décroissante sur $\mathrm I \Leftrightarrow f'' \leq 0$ sur $\rm I$.

Exemples d'application

Exemple 1 : Fonction exponentielle

La dérivée seconde de la fonction exponentielle étant la fonction exponentielle, qui est strictement positive sur $]-\infty~; +\infty[$, elle est convexe sur l'intervalle $]-\infty~; +\infty[$.

Exemple 2 : Fonction logarithme népérien

Pour tout $x \in ]0~ ; +\infty[$, $\ln'(x) = \displaystyle \frac{1}{x}$.

Pour tout $x \in ]0~ ; +\infty[$, $\ln''(x) = \displaystyle -\frac{1}{{x}^2} < 0$. La fonction logarithme népérien est donc concave sur l'intervalle $]0~ ; +\infty[$.

EN RÉSUMÉ

Point d’inflexion

Point d'inflexion

Un point d'inflexion pour une courbe est un point (de la courbe) où la représentation graphique traverse la tangente en ce point. Si la fonction est deux fois dérivable dans un intervalle contenant l'abscisse $x$ de ce point, sa dérivée seconde s'annule en changeant de signe en $x$.

Exemple

Le point d'abscisse $x = 0$ est un point d'inflexion pour la courbe représentative de la fonction :

$$x \mapsto {x}^3 = f(x)$$

Calcul des dérivées

$f$ est deux fois dérivable sur $]-\infty~ ; +\infty[$ et pour tout :

$$x \in ]-\infty~ ; +\infty[, ~f'(x) = 3{x}^2\text{ et }f''(x) = 6x$$

Vérification du point d'inflexion

$f''$ s'annule en changeant de signe en $x = 0$. Graphiquement, au point d'abscisse $x = 0$, la courbe traverse sa tangente en ce point d'équation $y = 0$.

EN RÉSUMÉ

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