Résumé
Cette leçon ouvre l’unité sur les dérivées. Elle présente le parcours de l’unité, qui définit la dérivée comme la limite du taux d’accroissement, l’écrit comme une factorisation avec un facteur continu, celle de Carathéodory, et en tire, sans jamais diviser par des quantités qui peuvent s’annuler, les règles de dérivation, la règle de dérivation en chaîne et la dérivée de la fonction réciproque, jusqu’aux dérivées successives, à la différentielle et aux taux de variation. Elle reconstruit l’histoire de la dérivée, depuis la méthode de Fermat pour les tangentes jusqu’à la définition de Cauchy, en passant par les fluxions de Newton, la notation de Leibniz, la critique de Berkeley et le programme de Lagrange, qui donna à la dérivée son nom et sa notation ; elle formule le problème à son origine, la tangente à une courbe quelconque et la vitesse à un instant, et montre sur un exemple comment la factorisation remplace la division par un accroissement nul. Elle se termine en indiquant où les dérivées interviennent dans l’unité qui suit, dans d’autres cours du site et dans la science et la technique.
Objectifs d’apprentissage
- Décrire le parcours de l’unité et expliquer ce que démontre chaque leçon et de quels résultats antérieurs elle se sert.
- Expliquer pourquoi la tangente à une courbe quelconque et la vitesse instantanée exigent de définir la dérivée comme une limite, et pourquoi la factorisation de Carathéodory permet de démontrer les règles sans diviser par des quantités qui peuvent s’annuler.
- Situer dans leur contexte historique les stades de la notion de dérivée, depuis la méthode de Fermat jusqu’à la définition de Cauchy, et identifier le problème ou la critique qui a suscité chacun d’eux.
- Indiquer où interviennent les dérivées dans l’unité qui suit, dans d’autres cours et dans des applications scientifiques et techniques.
Évaluation d’entrée
Avant de parcourir l’unité, il convient de mesurer le point de départ. Cette auto-évaluation n’est pas notée : elle sert à savoir où s’attarder. Les neuf premières questions portent, dans l’ordre, sur les neuf leçons de contenu de l’unité, une pour chacune, et mesurent une habileté de calcul ou de raisonnement, non un énoncé dont on se souvient ; les mêmes habiletés sont mesurées de nouveau à la fin, dans la leçon de synthèse, avec d’autres données. Les cinq dernières vérifient ce que cette unité tient pour acquis de l’unité qui précède et d’Algèbre et géométrie I et II : une limite trigonométrique, une limite remarquable de l’exponentielle, le petit , la fonction réciproque et le cosinus de l’arc sinus.
Avant de commencer l’unité, mesurez votre point de départ. C’est une autoévaluation brève : elle n’est pas notée et son résultat n’est conservé que dans votre navigateur.
Question 1La fonction est définie en . À partir de la définition de la dérivée, quelle est la tangente à sa courbe au point ?
C’est la normale, non la tangente : sa pente, , la rend perpendiculaire à la tangente.La pente est correcte, mais la droite ne passe pas par le point : la tangente est , et l’on a omis .On s’est trompé de signe dans la soustraction : , qui est strictement négatif pour petit. La fonction décroît près de , et la pente est strictement négative.Pour proche de , le taux d’accroissement vaut , qui tend vers ; par conséquent , et la tangente est la droite qui passe par avec cette pente.À revoir : La dérivée comme limite d’une fonction
Question 2Calculer la dérivée de en .
On a dérivé séparément le numérateur et le dénominateur, , comme si la dérivée d’un quotient était le quotient des dérivées. Elle ne l’est pas : la règle du quotient comporte deux termes et le carré du dénominateur.On a interverti l’ordre de la soustraction au numérateur. La règle est : d’abord la dérivée du numérateur multipliée par le dénominateur.On a oublié d’élever le dénominateur au carré : en il vaut , et son carré vaut .Par la règle du quotient, .À revoir : Règles de dérivation
Question 3Calculer la dérivée de en .
On a pris pour la dérivée du cosinus. La dérivée du cosinus est , et les deux termes s’annulent en .On a multiplié les dérivées des deux facteurs, . La dérivée d’un produit n’est pas le produit des dérivées : il manque le terme .On n’a dérivé que l’exponentielle, comme si le cosinus était constant. C’est le premier terme de la règle du produit ; il manque le second, .Par la règle du produit et les dérivées de l’exponentielle et du cosinus, , et en le sinus et le cosinus sont égaux. La tangente à la courbe en ce point est horizontale.À revoir : Dérivées des fonctions élémentaires
Question 4Calculer la dérivée de en .
Il manque la dérivée de la fonction la plus intérieure, , qui apporte le facteur : chaque fonction de la composée contribue par sa dérivée, évaluée au point qui lui correspond.On a pris pour la dérivée du cosinus : le signe moins de a été perdu.On n’a dérivé que le carré, , comme si le cosinus était la variable. Il manque les dérivées du cosinus et de .Par la règle de dérivation en chaîne appliquée deux fois, , et en l’argument vaut .À revoir : Règle de dérivation en chaîne pour la composition de fonctions
Question 5Sur lequel de ces intervalles le théorème de Bolzano assure-t-il que l’équation a une solution ?
Sur cet intervalle, ne change pas de signe : et . Le théorème n’assure rien, et de fait il n’y a pas de solution, car est croissante et vaut en .et ont le même signe, de sorte que le théorème ne s’applique pas ; de plus, vaut au moins sur cet intervalle.Toute équation s’écrit sous cette forme en faisant tout passer dans un membre : équivaut à .La fonction est un polynôme, donc continue, avec et ; par le théorème de Bolzano, elle s’annule en un point de , qui est une solution de l’équation.À revoir : Théorème des valeurs intermédiaires
Question 6La fonction est continue et strictement croissante sur . Que vaut ?
On a évalué la dérivée de en , qui est une valeur de , et non le point de son ensemble de définition qui lui correspond. La formule est , et .C’est la dérivée de au point qui correspond à ; celle de la réciproque est son inverse : quand on réfléchit la courbe, une pente devient .On a calculé , qui n’est ni la dérivée de la réciproque ni évaluée au bon point.Comme , on a , et , qui n’est pas nul. Par le théorème de la dérivée de la réciproque, .À revoir : Dérivée de la fonction réciproque et dérivation implicite
Question 7Calculer la dérivée de en .
On a utilisé la règle de la puissance, , comme si l’exposant était constant. Quand la base et l’exposant varient, il faut écrire la puissance à l’aide de l’exponentielle.On a utilisé la règle de l’exponentielle, , comme si la base était constante. Ce n’est que l’un des deux termes.C’est la dérivée de , c’est-à-dire la dérivée logarithmique ; il faut encore multiplier par .Pour tout , , et . En , et la parenthèse vaut .À revoir : La variable en exposant et la dérivation logarithmique
Question 8Calculer la dérivée d’ordre de en .
Il manque le coefficient binomial : la formule de Leibniz a les mêmes coefficients que la formule du binôme de Newton.On a multiplié les dérivées d’ordre des deux facteurs, et celle de est nulle. La dérivée d’ordre d’un produit est une somme sur toutes les façons de répartir les cinq dérivations entre les facteurs.Dans le terme où le facteur est dérivé une fois, l’exponentielle est dérivée quatre fois, et non cinq : sa dérivée d’ordre est .Par la formule de Leibniz, comme les dérivées de d’ordre strictement supérieur à sont nulles, il ne reste que deux termes : . En , le premier s’annule et le second vaut .À revoir : Dérivées successives et différentielle
Question 9Un rectangle conserve son aire de centimètres carrés tandis que sa base croît à raison de centimètres par seconde. À quelle vitesse sa hauteur varie-t-elle à l’instant où la base mesure centimètres ?
On a remplacé avant de dériver. La hauteur ne vaut qu’à cet instant ; la relation que l’on dérive est celle qui est vraie à tout instant.On a perdu le signe : si l’aire est constante et que la base croît, la hauteur doit diminuer.C’est la dérivée de la hauteur par rapport à la base, . La vitesse de variation par rapport au temps s’obtient en la multipliant par .Si est la base et la hauteur, à tout instant ; en dérivant par rapport au temps, . Quand la base mesure , la hauteur mesure , et donne .À revoir : Taux de variation et taux liés
Question 10Des unités précédentesCalculer .
C’est la limite de , non celle de ce quotient : le cosinus s’écarte de beaucoup plus lentement que le sinus de .C’est la limite de , avec au dénominateur. Avec , le quotient a un facteur de plus, qui tend vers .signale seulement que la règle du quotient ne s’applique pas ; la limite peut exister, et ici elle existe.Pour , le quotient vaut , produit d’une fonction qui tend vers par une autre qui tend vers .À revoir : Le théorème des gendarmes et les limites trigonométriques
Question 11Des unités précédentesCalculer .
On a appliqué la limite remarquable sans changer de variable : l’exposant est , non .On a perdu le signe de l’exposant : est strictement inférieur à pour , de sorte que le quotient est strictement négatif.Que le numérateur tende vers ne suffit pas : le dénominateur tend lui aussi vers .Avec le changement de variable , qui ne s’annule pas si , le quotient vaut , et la limite remarquable donne .À revoir : Continuité des fonctions élémentaires et limites remarquables
Question 12Des unités précédentesLaquelle de ces fonctions est un quand ?
Elle est équivalente à , non négligeable : son quotient par tend vers .Elle tend vers , mais plus lentement que : son quotient par n’est pas borné.Le terme est négligeable devant , mais ne l’est pas : le quotient par tend vers , et la fonction est du même ordre que .Son quotient par est , qui tend vers : elle est négligeable devant .À revoir : Infiniment petits et infiniment grands équivalents
Question 13Des unités précédentesSi , que vaut ?
On a isolé , mais il faut encore extraire la racine cubique.On a lu comme l’inverse : l’exposant désigne ici la fonction réciproque, non l’inverse pour la multiplication.C’est , l’image de ; la réciproque parcourt le chemin en sens contraire et cherche l’antécédent.est le nombre dont l’image est : donne , et .À revoir : Opérations sur les fonctions, réciproque et transformations
Question 14Des unités précédentesQue vaut ?
Le signe du sinus ne passe pas au cosinus : l’angle est dans , où le cosinus est positif ou nul.C’est le carré du cosinus, ; il faut encore extraire la racine.On a traité le cosinus comme s’il défaisait l’arc sinus ; c’est le sinus qui le défait : .L’arc sinus prend ses valeurs dans , où le cosinus est positif ou nul ; par l’identité pythagoricienne, le cosinus vaut .À revoir : Les fonctions trigonométriques réciproques
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