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Chapitre 5 · Cours écrit

Nombre dérivé et tangente

Une montgolfière monte de moins en moins vite, une luge accélère, le prix d'un savon de plus dépend du nombre de savons déjà fabriqués. Dans toutes ces situations, on veut savoir à quelle vitesse une grandeur change. Entre deux instants, le taux de variation répond à la question. À un instant précis, c'est le nombre dérivé.

Ce chapitre construit cette idée pas à pas : le taux de variation, puis le nombre dérivé, puis sa lecture sur une courbe, la tangente. Il se termine par trois usages : une valeur approchée sans calculatrice, l'interprétation en contexte et un programme Python. L'équation de la tangente et sa démonstration sont à connaître.

Comme au programme, on reste ici au point de vue local : on regarde une fonction en un point à la fois. La fonction dérivée, qui donne d'un seul coup le nombre dérivé en tout point, viendra au chapitre suivant.

Comme à l'épreuve anticipée, tout se fait ici sans calculatrice, sauf ce que l'on confie à Python. Les encadrés « Automatisme » signalent les calculs à savoir faire de tête, sans hésiter.

Leçon 1 : Taux de variation et pente d'une sécante

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Une situation

Exemple 1 (une montgolfière). Pendant les six premières minutes de vol, l'altitude d'une montgolfière, en mètres, est donnée par z(t)=−5t2+60tz(t) = -5t^2 + 60t, où tt est le temps en minutes, avec 0≤t≤60 \leq t \leq 6.

tt (min) 00 22 44 66
z(t)z(t) (m) 00 100100 160160 180180

Entre les minutes 00 et 22, elle gagne 100100 mètres en 22 minutes : 100−02−0=50\dfrac{100 - 0}{2 - 0} = 50 mètres par minute en moyenne.

Entre les minutes 22 et 66, elle gagne 8080 mètres en 44 minutes : 180−1006−2=20\dfrac{180 - 100}{6 - 2} = 20 mètres par minute en moyenne. La montée ralentit.

À chaque fois, on a divisé la variation de l'altitude par la variation du temps.

1.2 Définition

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II, et soient aa et bb deux nombres distincts de II. Le taux de variation de ff entre aa et bb est le quotient f(b)−f(a)b−a.\frac{f(b) - f(a)}{b - a}.

C'est la variation de l'image divisée par la variation de la variable. En physique, on écrit souvent ΔyΔx\dfrac{\Delta y}{\Delta x}.

  • Le dénominateur n'est jamais nul, car a≠ba \neq b.
  • Échanger aa et bb ne change pas le résultat : f(a)−f(b)a−b=f(b)−f(a)b−a\dfrac{f(a) - f(b)}{a - b} = \dfrac{f(b) - f(a)}{b - a}.

1.3 Calculer un taux de variation

Exemple 2. Pour la fonction carré f(x)=x2f(x) = x^2, entre 11 et 33 : f(3)−f(1)3−1=9−13−1=82=4.\frac{f(3) - f(1)}{3 - 1} = \frac{9 - 1}{3 - 1} = \frac82 = 4.

Exemple 3. Pour la fonction inverse g(x)=1xg(x) = \dfrac1x, entre 11 et 22 : g(2)−g(1)2−1=12−11=−12.\frac{g(2) - g(1)}{2 - 1} = \frac{\frac12 - 1}{1} = -\frac12.

Un taux positif signifie qu'entre aa et bb, la fonction augmente en moyenne. Un taux négatif signifie qu'elle diminue en moyenne.

1.4 Pente d'une sécante

Une sécante à une courbe est une droite qui passe par deux points de cette courbe.

Automatisme (coefficient directeur). Si une droite passe par A(xA ;yA)A(x_A\,;y_A) et B(xB ;yB)B(x_B\,;y_B), avec xA≠xBx_A \neq x_B, son coefficient directeur est m=yB−yAxB−xA.m = \frac{y_B - y_A}{x_B - x_A}.

Si AA et BB sont les points de la courbe de ff d'abscisses aa et bb, alors yA=f(a)y_A = f(a) et yB=f(b)y_B = f(b). On retrouve exactement le taux de variation. Ainsi :

Le taux de variation de ff entre aa et bb est la pente (le coefficient directeur) de la sécante passant par les points de la courbe d'abscisses aa et bb.

Exemple 4. Sur la courbe de la fonction carré, A(1 ;1)A(1\,;1) et B(3 ;9)B(3\,;9). De AA à BB, on avance de 22 et on monte de 88 : la pente de la sécante (AB)(AB) vaut 82=4\dfrac82 = 4, le taux de l'exemple 2.

1.5 Ce que dit un taux, et ce qu'il ne dit pas

L'unité. Un taux de variation s'exprime dans l'unité de f(x)f(x) divisée par l'unité de xx. Pour la montgolfière, ce sont des mètres par minute.

Une moyenne. Un taux ne décrit que la différence entre deux points. Il ne dit rien de ce qui se passe entre les deux.

Exemple 5. Pour la fonction carré, entre −2-2 et 22 : f(2)−f(−2)2−(−2)=4−44=0.\frac{f(2) - f(-2)}{2 - (-2)} = \frac{4 - 4}{4} = 0. Le taux est nul, et pourtant la fonction n'est pas constante.

1.6 Le cas des fonctions affines

Si f(x)=mx+pf(x) = mx + p, alors, pour a≠ba \neq b : f(b)−f(a)b−a=mb+p−ma−pb−a=m(b−a)b−a=m.\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = \frac{mb + p - ma - p}{b - a} = \frac{m(b - a)}{b - a} = m.

Le taux vaut mm, quels que soient aa et bb. C'est normal : la courbe est une droite, et toutes ses sécantes sont cette même droite. Sur une courbe qui n'est pas une droite, la pente dépend des deux points choisis. D'où la question de la leçon suivante : comment parler de la pente en un seul point ?

Leçon 2 : Nombre dérivé

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Le taux de variation avec hh

Pour rapprocher les deux points, on garde aa et on écrit le deuxième nombre a+ha + h, où h=b−ah = b - a. Le taux de variation de ff entre aa et a+ha + h s'écrit f(a+h)−f(a)h,avec h≠0.\frac{f(a + h) - f(a)}{h}, \quad \text{avec } h \neq 0.

Le nombre hh peut être positif ou négatif : le deuxième point est alors à droite ou à gauche du premier. Ici, aa est un nombre fixé, et c'est hh que l'on fait varier.

2.2 Quand hh se rapproche de 00

Exemple 6. Pour la fonction carré et a=1a = 1, le taux vaut (1+h)2−1h\dfrac{(1 + h)^2 - 1}{h}.

hh 11 0,50{,}5 0,10{,}1 0,010{,}01 0,0010{,}001 −0,1-0{,}1 −0,01-0{,}01 −0,001-0{,}001
taux 33 2,52{,}5 2,12{,}1 2,012{,}01 2,0012{,}001 1,91{,}9 1,991{,}99 1,9991{,}999

Plus hh est proche de 00, plus le taux est proche de 22, des deux côtés.

Le calcul l'explique. Pour h≠0h \neq 0 : (1+h)2−1h=1+2h+h2−1h=2h+h2h=h(2+h)h=2+h.\frac{(1 + h)^2 - 1}{h} = \frac{1 + 2h + h^2 - 1}{h} = \frac{2h + h^2}{h} = \frac{h(2 + h)}{h} = 2 + h. Quand hh se rapproche de 00, 2+h2 + h se rapproche de 22.

Attention. On ne peut pas remplacer hh par 00 dans le quotient de départ : on obtiendrait 00\dfrac00, qui n'a pas de sens. On simplifie d'abord par hh, puis on regarde ce que devient le résultat.

2.3 Le nombre dérivé

Nombre dérivé. Quand hh se rapproche de 00, si le taux de variation f(a+h)−f(a)h\dfrac{f(a + h) - f(a)}{h} se rapproche d'un nombre, ce nombre est appelé nombre dérivé de ff en aa. On dit que c'est la limite du taux de variation. On le note f′(a)f'(a), et on lit « ff prime de aa ».

Pour la fonction carré, on a donc f′(1)=2f'(1) = 2.

Le programme s'en tient à cette idée intuitive, sans définition formelle de la limite. Toutes les fonctions de ce chapitre sont assez régulières pour que ce nombre existe.

Le nombre dérivé est un taux de variation en un point. La suite du chapitre montre qu'il se lit comme une pente, une vitesse ou un coût.

2.4 La méthode de calcul

  1. Calculer la différence f(a+h)−f(a)f(a + h) - f(a) et la réduire.
  2. Diviser par hh, qui n'est pas nul, et simplifier.
  3. Regarder de quel nombre le résultat se rapproche quand hh se rapproche de 00.

Exemple 7 (second degré). Soit g(x)=x2−3xg(x) = x^2 - 3x et a=2a = 2. On a g(2)=4−6=−2g(2) = 4 - 6 = -2 et g(2+h)=(2+h)2−3(2+h)=4+4h+h2−6−3h=h2+h−2.g(2 + h) = (2 + h)^2 - 3(2 + h) = 4 + 4h + h^2 - 6 - 3h = h^2 + h - 2. Donc g(2+h)−g(2)=h2+hg(2 + h) - g(2) = h^2 + h, et pour h≠0h \neq 0, h2+hh=h+1\dfrac{h^2 + h}{h} = h + 1. Ce taux se rapproche de 11 : g′(2)=1g'(2) = 1.

Exemple 8 (fonction inverse). Soit f(x)=1xf(x) = \dfrac1x et a=2a = 2. On réduit au même dénominateur : f(2+h)−f(2)=12+h−12=2−(2+h)2(2+h)=−h2(2+h).f(2 + h) - f(2) = \frac{1}{2 + h} - \frac12 = \frac{2 - (2 + h)}{2(2 + h)} = \frac{-h}{2(2 + h)}. Pour h≠0h \neq 0, le taux vaut −12(2+h)\dfrac{-1}{2(2 + h)}. Le dénominateur se rapproche de 44, donc le taux se rapproche de −14-\dfrac14 : f′(2)=−14f'(2) = -\dfrac14.

Exemple 9 (fonction affine). Pour f(x)=mx+pf(x) = mx + p, le taux vaut toujours mm (leçon 1) : le nombre dérivé en aa vaut mm, pour tout aa.

Leçon 3 : Tangente à une courbe

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 La tangente, limite des sécantes

Sur la courbe de la fonction carré, fixons A(1 ;1)A(1\,;1) et prenons le point MM d'abscisse 1+h1 + h. La sécante (AM)(AM) a pour pente 2+h2 + h. Faisons glisser MM vers AA : la sécante pivote autour de AA, et sa pente se rapproche de 22, que MM arrive par la droite ou par la gauche. Les sécantes se rapprochent d'une même droite, qui passe par AA et dont la pente vaut 22 : c'est la tangente à la courbe en AA. La vidéo montre ce mouvement.

3.2 Définition

La tangente à la courbe de ff au point AA d'abscisse aa est la droite qui passe par A(a ;f(a))A(a\,;f(a)) et dont le coefficient directeur est f′(a)f'(a).

Autrement dit : le nombre dérivé f′(a)f'(a) est la pente de la tangente au point d'abscisse aa.

Attention. Une tangente n'est pas « une droite qui touche la courbe en un seul point ». Elle peut recouper la courbe plus loin. Ce qui compte, c'est qu'au voisinage de AA, la droite épouse la courbe.

3.3 Lire un nombre dérivé sur un graphique

  1. Repérer deux points de la tangente, de préférence aux nœuds du quadrillage.
  2. Calculer le déplacement vertical divisé par le déplacement horizontal.

Exemple 10. Sur la courbe d'une fonction ff :

  • au point A(1 ;3)A(1\,;3), la tangente passe aussi par (2 ;5)(2\,;5) : on avance de 11, on monte de 22, donc f′(1)=2f'(1) = 2 ;
  • au point B(3 ;5)B(3\,;5), la tangente est horizontale, donc f′(3)=0f'(3) = 0 ;
  • au point C(5 ;3)C(5\,;3), la tangente passe aussi par (6 ;1)(6\,;1) : on avance de 11, on descend de 22, donc f′(5)=−2f'(5) = -2.

Si f′(a)>0f'(a) > 0, la tangente monte quand on la parcourt vers la droite. Si f′(a)<0f'(a) < 0, elle descend. Si f′(a)=0f'(a) = 0, elle est horizontale.

3.4 Tracer une droite

Automatisme (tracer et lire une droite).

  • Pour tracer y=2x−1y = 2x - 1 : on place le point (0 ;−1)(0\,;-1) ; le coefficient directeur 22 dit « on avance de 11, on monte de 22 ».
  • Pour un coefficient directeur −12-\dfrac12 : on avance de 22, on descend de 11, pour rester sur le quadrillage.
  • Pour lire l'équation réduite y=mx+py = mx + p : on lit pp, l'ordonnée à l'origine, puis la pente mm.

3.5 Construire une tangente

Pour construire la tangente au point d'abscisse aa, connaissant f(a)f(a) et f′(a)f'(a) : on place le point A(a ;f(a))A(a\,;f(a)), on suit la pente pour obtenir un deuxième point, et on trace la droite.

Exemple 11. Si f(1)=3f(1) = 3 et f′(1)=−2f'(1) = -2 : depuis A(1 ;3)A(1\,;3), on avance de 11 et on descend de 22, on arrive en (2 ;1)(2\,;1). Si f(3)=2f(3) = 2 et f′(3)=12f'(3) = \dfrac12 : depuis B(3 ;2)B(3\,;2), on avance de 22 et on monte de 11, on arrive en (5 ;3)(5\,;3).

La courbe vient s'appuyer sur ses tangentes : elles donnent sa direction en chaque point.

Leçon 4 : Équation de la tangente

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 La propriété

Propriété. La tangente à la courbe de ff au point d'abscisse aa est la droite d'équation y=f(a)+f′(a)(x−a).y = f(a) + f'(a)(x - a).

Le statut des lettres est important.

  • aa est un paramètre : un nombre fixé.
  • f(a)f(a) et f′(a)f'(a) sont donc des nombres fixés.
  • xx et yy sont les variables : ce sont les coordonnées d'un point quelconque de la droite.

4.2 Démonstration (à connaître)

Démonstration. La tangente a pour coefficient directeur f′(a)f'(a). Elle n'est donc pas verticale, et elle a une équation réduite de la forme y=f′(a) x+py = f'(a)\,x + p.

Le point A(a ;f(a))A(a\,;f(a)) est sur la droite, donc ses coordonnées vérifient l'équation : f(a)=f′(a)×a+p,d’ouˋp=f(a)−f′(a)×a.f(a) = f'(a) \times a + p, \quad \text{d'où} \quad p = f(a) - f'(a) \times a.

En remplaçant : y=f′(a) x+f(a)−f′(a)×ay = f'(a)\,x + f(a) - f'(a) \times a. En mettant f′(a)f'(a) en facteur, on obtient y=f(a)+f′(a)(x−a).■y = f(a) + f'(a)(x - a). \qquad \blacksquare

4.3 Exemples

Pour écrire l'équation, il faut deux nombres : f(a)f(a) et f′(a)f'(a).

Exemple 12. Pour la fonction carré, en a=3a = 3. On a f(3)=9f(3) = 9. Puis (3+h)2−9=6h+h2(3 + h)^2 - 9 = 6h + h^2, donc le taux vaut 6+h6 + h, et f′(3)=6f'(3) = 6. La tangente a pour équation y=9+6(x−3)y = 9 + 6(x - 3), soit, en développant, y=6x−18+9y = 6x - 18 + 9, c'est-à-dire y=6x−9y = 6x - 9.

Vérification avec le point AA : 6×3−9=9=f(3)6 \times 3 - 9 = 9 = f(3).

Exemple 13. Pour la fonction inverse, en a=1a = 1. On a f(1)=1f(1) = 1, et le taux vaut f(1+h)−f(1)h=1h(11+h−1)=−11+h,\frac{f(1 + h) - f(1)}{h} = \frac{1}{h}\left(\frac{1}{1 + h} - 1\right) = \frac{-1}{1 + h}, donc f′(1)=−1f'(1) = -1. La tangente a pour équation y=1+(−1)(x−1)=1−(x−1)y = 1 + (-1)(x - 1) = 1 - (x - 1), soit y=−x+2y = -x + 2.

Attention : le signe moins porte sur toute la parenthèse.

Exemple 14 (quand aa est négatif). Si f(−1)=2f(-1) = 2 et f′(−1)=3f'(-1) = 3, alors x−a=x−(−1)=x+1x - a = x - (-1) = x + 1. La tangente a pour équation y=2+3(x+1)y = 2 + 3(x + 1), soit y=3x+5y = 3x + 5.

4.4 Lire dans l'autre sens

Si l'on connaît la tangente, on retrouve f′(a)f'(a) et f(a)f(a) : le coefficient directeur donne f′(a)f'(a), et le point AA, qui est sur la droite, donne f(a)f(a).

Exemple 15. La tangente au point d'abscisse 22 a pour équation y=−3x+7y = -3x + 7. Alors f′(2)=−3f'(2) = -3, et f(2)=−3×2+7=1f(2) = -3 \times 2 + 7 = 1.

Leçon 5 : Approximation linéaire

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Près d'un point, une courbe ressemble à sa tangente

Si l'on zoome autour d'un point de la courbe de la fonction carré, on ne distingue presque plus la courbe de sa tangente. Près de AA, on peut donc remplacer la courbe par sa tangente, et une droite est bien plus simple à calculer.

L'équation de la tangente donne la fonction affine tangente à ff en aa : x↦f(a)+f′(a)(x−a).x \mapsto f(a) + f'(a)(x - a).

5.2 La formule

Prenons x=a+hx = a + h. Alors x−a=hx - a = h, et on obtient :

Approximation linéaire. Pour hh proche de 00, f(a+h)≈f(a)+f′(a) h.f(a + h) \approx f(a) + f'(a)\,h.

On part de la valeur connue, et on ajoute la pente fois le petit déplacement. Attention : hh doit rester petit.

5.3 Trois fonctions, en a=1a = 1

Fonction carré. On a f′(1)=2f'(1) = 2, donc (1+h)2≈1+2h(1 + h)^2 \approx 1 + 2h. L'écart est exactement (1+h)2−(1+2h)=h2,(1 + h)^2 - (1 + 2h) = h^2, qui devient vite minuscule.

hh 0,10{,}1 0,010{,}01
f(1+h)−f(1)f(1 + h) - f(1) 0,210{,}21 0,02010{,}0201
2h2h 0,20{,}2 0,020{,}02

Exemple 16. 1,022≈1,041{,}02^2 \approx 1{,}04 (valeur exacte : 1,04041{,}0404) et 0,992≈0,980{,}99^2 \approx 0{,}98 (valeur exacte : 0,98010{,}9801).

Fonction inverse. On a f′(1)=−1f'(1) = -1, donc 11+h≈1−h\dfrac{1}{1 + h} \approx 1 - h.

Exemple 17. 11,01≈0,99\dfrac{1}{1{,}01} \approx 0{,}99.

Fonction racine carrée. Ici, on regarde les valeurs numériques du taux 1+h−1h\dfrac{\sqrt{1 + h} - 1}{h}.

hh 0,10{,}1 0,010{,}01 0,0010{,}001
taux ≈0,488\approx 0{,}488 ≈0,499\approx 0{,}499 ≈0,4999\approx 0{,}4999

Le taux semble se rapprocher de 0,50{,}5 : on retient que le nombre dérivé en 11 vaut 0,50{,}5. Donc 1+h≈1+0,5h\sqrt{1 + h} \approx 1 + 0{,}5h.

Exemple 18. 1,02≈1,01\sqrt{1{,}02} \approx 1{,}01.

5.4 Le calcul type

Exemple 19. On sait que f(2)=5f(2) = 5 et f′(2)=−3f'(2) = -3.

  • Pour f(2,1)f(2{,}1) : h=0,1h = 0{,}1, donc f(2,1)≈5+(−3)×0,1=4,7f(2{,}1) \approx 5 + (-3) \times 0{,}1 = 4{,}7.
  • Pour f(1,98)f(1{,}98) : h=−0,02h = -0{,}02, donc f(1,98)≈5+(−3)×(−0,02)=5,06f(1{,}98) \approx 5 + (-3) \times (-0{,}02) = 5{,}06.

Attention. La formule ne vaut que si hh est petit. Avec la fonction carré et h=1h = 1, elle donne 1+2=31 + 2 = 3, alors que 22=42^2 = 4.

Exemple 20 (un pourcentage). Si le côté d'un carré augmente de 1 %1\,\%, il est multiplié par 1,011{,}01, et son aire par 1,012≈1,021{,}01^2 \approx 1{,}02. L'aire augmente donc d'environ 2 %2\,\% (valeur exacte : 2,01 %2{,}01\,\%).

5.5 Un peu d'histoire

Le calcul différentiel s'est imposé par sa capacité à donner des solutions simples à des problèmes nombreux d'origines variées : cinématique, mécanique, géométrie, optimisation. Chez Leibniz et Newton, il se fonde sur l'hypothèse que les phénomènes naturels évoluent linéairement quand on leur applique de petites variations : c'est l'idée de cette leçon. Leurs approches partent de notions intuitives mais floues d'infiniment petit. Les notions de limite et de différentielle n'ont été clarifiées que très progressivement, au XIXe siècle.

Leçon 6 : Le nombre dérivé en contexte

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Vitesse moyenne et vitesse instantanée

Exemple 21 (une luge). Une luge descend une piste. La distance parcourue, en mètres, après tt secondes est d(t)=0,5 t2d(t) = 0{,}5\,t^2.

Vitesse moyenne. On a d(2)=2d(2) = 2 et d(4)=8d(4) = 8. Entre ces deux instants, la vitesse moyenne est d(4)−d(2)4−2=8−22=3 m/s.\frac{d(4) - d(2)}{4 - 2} = \frac{8 - 2}{2} = 3 \text{ m/s}.

Vitesse instantanée. À l'instant t=4t = 4, on prend une durée hh très courte : d(4+h)−d(4)h=0,5(4+h)2−8h=4h+0,5h2h=4+0,5h.\frac{d(4 + h) - d(4)}{h} = \frac{0{,}5(4 + h)^2 - 8}{h} = \frac{4h + 0{,}5h^2}{h} = 4 + 0{,}5h. Ce taux se rapproche de 44 : d′(4)=4d'(4) = 4. À cet instant, la luge va à 44 mètres par seconde.

En cinématique, un taux de variation est une vitesse moyenne, et un nombre dérivé est une vitesse instantanée, celle qu'afficherait un compteur. Sur le graphique, ce sont la pente d'une sécante et la pente d'une tangente.

6.2 Deux notations à connaître

Dans les autres disciplines, on rencontre d'autres écritures.

  • Le taux de variation s'écrit ΔyΔx\dfrac{\Delta y}{\Delta x}.
  • Le nombre dérivé s'écrit dydx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} : si y=f(x)y = f(x), alors dydx=f′(x)\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = f'(x).

On adapte les lettres au contexte. Pour une position x=f(t)x = f(t), on écrit dxdt\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} : c'est la vitesse. Pour une quantité q=f(t)q = f(t), on écrit dqdt\dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t}. Cette écriture rappelle l'unité : dydx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} s'exprime dans l'unité de yy divisée par l'unité de xx.

6.3 Le coût marginal

Le coût marginal est ce que coûte une unité de plus.

Exemple 22 (une savonnerie). Le coût total, en euros, de fabrication de qq savons est C(q)=0,02q2+3q+300C(q) = 0{,}02q^2 + 3q + 300. Pour 100100 savons, C(100)=800C(100) = 800 euros.

Le cent unième savon coûte C(101)−C(100)=807,02−800=7,02C(101) - C(100) = 807{,}02 - 800 = 7{,}02 euros.

Le nombre dérivé en 100100 se calcule : C(100+h)−C(100)=7h+0,02h2C(100 + h) - C(100) = 7h + 0{,}02h^2, donc le taux vaut 7+0,02h7 + 0{,}02h, et C′(100)=7C'(100) = 7.

Les deux nombres sont presque égaux : c'est l'approximation linéaire avec h=1h = 1, soit C(101)≈C(100)+C′(100)C(101) \approx C(100) + C'(100). Voilà pourquoi, en économie, on assimile le coût marginal au nombre dérivé du coût total.

6.4 Une seule idée

Le nombre dérivé mesure toujours à quelle vitesse une grandeur change quand une autre change, en un point précis.

La grandeur en fonction de le nombre dérivé est unité
distance (m) temps (s) une vitesse m/s
coût (euros) quantité un coût marginal euros par unité
volume (L) temps (min) un débit L/min
altitude (m) distance horizontale (m) une pente m par m

Réflexe : pour interpréter un nombre dérivé, commence par chercher son unité.

Leçon 7 : Les pentes des sécantes en Python

Voir la vidéo de la leçon 7

7.1 Une fonction pour une pente

On écrit d'abord la fonction f. Pour changer de fonction, c'est la seule ligne à modifier. La fonction pente renvoie le taux de variation entre a et a + h.

def f(x):
    return x**2

def pente(a, h):
    return (f(a + h) - f(a)) / h

Ainsi, pente(1, 0.5) renvoie 2.5. En langage naturel, on écrirait : p←f(a+h)−f(a)hp \leftarrow \dfrac{f(a + h) - f(a)}{h}, puis renvoyer pp.

7.2 La liste, pour un pas donné

Le point AA d'abscisse aa reste fixe. Pour un pas donné, on considère les points MkM_k d'abscisses a+k×pasa + k \times \text{pas}, avec kk allant de 11 à nn. La fonction pentes construit la liste des coefficients directeurs des sécantes (AMk)(AM_k).

def pentes(a, pas, n):
    liste = []
    for k in range(1, n + 1):
        liste.append(pente(a, k * pas))
    return liste

Ainsi, pentes(1, 0.5, 4) renvoie [2.5, 3.0, 3.5, 4.0].

7.3 Arrondir

La machine écrit les nombres en base 22, et 0,10{,}1 ne s'y écrit pas exactement. Par exemple, pente(1, 0.1) renvoie 2.100000000000002. Ce n'est pas une erreur du programme. On arrondit avec round, ici à six décimales, et l'on peut écrire la liste en compréhension :

def pentes(a, pas, n):
    return [round(pente(a, k * pas), 6) for k in range(1, n + 1)]

Ainsi, pentes(1, 0.1, 4) renvoie [2.1, 2.2, 2.3, 2.4].

7.4 Quand le pas diminue

La première pente de la liste est celle du point le plus proche de AA.

Appel Résultat
pentes(1, 0.1, 3) [2.1, 2.2, 2.3]
pentes(1, 0.01, 3) [2.01, 2.02, 2.03]
pentes(1, 0.001, 3) [2.001, 2.002, 2.003]
pentes(1, -0.1, 3) [1.9, 1.8, 1.7]
pentes(1, -0.01, 3) [1.99, 1.98, 1.97]

Quand le pas diminue, la première pente se rapproche de f′(1)=2f'(1) = 2. En remplaçant f par la fonction inverse, pentes(2, 0.0001, 1) renvoie [-0.249988], proche de −0,25-0{,}25, le nombre dérivé de l'exemple 8.

7.5 Une limite de la machine

Peut-on prendre un pas aussi petit que l'on veut ? Non. Pour la fonction carré, pente(1, 10**-15) renvoie 2.220446049250313, alors que f′(1)=2f'(1) = 2 : un pas trop petit fait perdre la précision, à cause des arrondis. Un calcul numérique illustre le nombre dérivé, il ne le démontre pas.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Taux de variation entre aa et bb : f(b)−f(a)b−a\dfrac{f(b) - f(a)}{b - a}. C'est la pente de la sécante, et une moyenne.
  2. Avec hh : f(a+h)−f(a)h\dfrac{f(a + h) - f(a)}{h}, avec h≠0h \neq 0.
  3. Nombre dérivé f′(a)f'(a) : le nombre dont ce taux se rapproche quand hh se rapproche de 00. On simplifie par hh avant de faire se rapprocher hh de 00.
  4. Tangente au point d'abscisse aa : la limite des sécantes, la droite qui passe par A(a ;f(a))A(a\,;f(a)) et de pente f′(a)f'(a).
  5. Équation de la tangente : y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a). La démonstration est à connaître.
  6. Approximation linéaire : pour hh proche de 00, f(a+h)≈f(a)+f′(a) hf(a + h) \approx f(a) + f'(a)\,h.
  7. En contexte : un nombre dérivé est une pente, une vitesse instantanée, un coût marginal, un débit. Son unité est celle de yy divisée par celle de xx.
  8. Python : la liste des pentes pour un pas donné illustre le nombre dérivé, sans le démontrer.

Rituel d'automatismes

Douze questions à réponses courtes, sans calculatrice, à faire en dix minutes environ : six sur ce chapitre, six sur des automatismes déjà travaillés. C'est le format de la première partie de l'épreuve anticipée. Télécharger le rituel du chapitre 5 (PDF, avec son corrigé).

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