Résumé
Cette leçon dérive la dérivée. La dérivée d’une fonction est une autre fonction, qui peut à son tour être dérivée : on obtient ainsi la dérivée seconde, la dérivée troisième et, en général, la dérivée d’ordre , qui pour les puissances, l’exponentielle, le sinus et le cosinus a une formule close, démontrée par récurrence. La dérivée d’ordre d’un produit suit la même loi que la puissance d’un binôme : c’est la formule de Leibniz. La seconde moitié de la leçon donne un sens, séparément, aux signes et de la notation de Leibniz : la différentielle est la partie linéaire de l’accroissement de la fonction, la seule qui en diffère d’une quantité négligeable devant l’accroissement de la variable. Avec elle, on approche des valeurs et on estime comment se propage l’erreur d’une mesure, sans prétendre encore majorer l’erreur de l’approximation.
Objectifs d’apprentissage
- Définir les dérivées successives, avec leur ensemble de définition, et obtenir par récurrence la dérivée d’ordre des puissances, de l’exponentielle, du sinus, du cosinus et des polynômes.
- Démontrer la formule de Leibniz pour la dérivée d’ordre d’un produit et l’appliquer lorsque l’un des facteurs est un polynôme.
- Définir la différentielle et démontrer qu’elle est la partie principale de l’accroissement, en distinguant de .
- Approcher des valeurs et estimer des erreurs relatives avec la différentielle, en sachant ce que l’approximation affirme et ce qu’elle n’affirme pas.
Dérivées d’ordre supérieur
La dérivée d’une fonction est une autre fonction, et rien n’empêche de la dériver à nouveau. La dérivée de est , et celle de est ; celle de est , et celle de est . Si est la position d’un mobile à l’instant , sa dérivée est la vitesse, et la dérivée de la vitesse, qui mesure à quelle allure change la vitesse elle-même, est l’accélération ; la leçon sur les taux de variation étudiera cette lecture. Comme dans la leçon sur la dérivée comme limite, il convient de fixer avec précision où chaque dérivée est définie.
Soit une fonction définie sur . Les dérivées successives de se définissent par récurrence : la dérivée d’ordre est la fonction elle-même, et la dérivée d’ordre est la fonction dérivée de celle d’ordre :
Par la définition de la fonction dérivée, l’ensemble de définition de la dérivée d’ordre est l’ensemble des points de l’ensemble de définition de où est dérivable. On dit que est fois dérivable en un point si appartient à l’ensemble de définition de ; sur un ensemble , si elle l’est en chaque point de ; et indéfiniment dérivable sur , si elle l’est pour tout . Les premières s’écrivent avec des primes, (la dérivée seconde) et ; à partir de l’ordre quatre, avec l’ordre entre parenthèses, comme , pour ne pas le confondre avec une puissance. Si , on écrit en notation de Leibniz et , et l’opération de dériver fois, .
Dans la notation de Leibniz, l’exposant du numérateur indique combien de fois on applique l’opération , et celui du dénominateur porte sur tout le symbole , non sur la variable ; le signe complet se lit comme un tout. Si est fois dérivable en un point, chaque dérivée d’ordre strictement inférieur à est dérivable en ce point et, par le théorème de la leçon sur la dérivée comme limite selon lequel dérivable implique continue, elle y est continue. La dérivée seconde peut manquer même si la dérivée première existe : la leçon sur les règles de dérivation a montré que est dérivable sur tout , de dérivée , et la valeur absolue n’est pas dérivable en , par la proposition de la continuité sans dérivée. Par conséquent, est dérivable une fois sur et deux fois seulement sur , où sa dérivée seconde vaut à droite de et à gauche.
Pour ne pas répéter d’hypothèses sur l’ensemble de définition, les fonctions des énoncés généraux sont supposées définies sur un intervalle ouvert , dont tous les points sont des points d’accumulation de . On ne perd rien : par la seconde assertion du lemme du caractère local de la dérivée, de la leçon sur les règles de dérivation, en un point d’un intervalle ouvert contenu dans l’ensemble de définition, la dérivée d’une fonction est celle de sa restriction à l’intervalle, et, par récurrence, il en va de même des dérivées successives. Ainsi, s’étudie sur et sur .
Soient et des fonctions définies sur un intervalle ouvert et fois dérivables sur , et soit un nombre réel. Alors est fois dérivable sur , et sur . On applique fois le théorème de la dérivée d’une combinaison linéaire, de la leçon sur les règles de dérivation.
Démonstration
Pour , c’est le théorème de la dérivée d’une combinaison linéaire, en chaque point de .
Si l’égalité vaut pour , et si et sont fois dérivables sur , la fonction est combinaison linéaire de deux fonctions dérivables sur ; par le même théorème, elle est dérivable sur . Par le principe de récurrence, l’égalité vaut pour tout .
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