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Leçon 3

Dérivée d'une fonction composée

Vidéo 3 : Dérivée d'une fonction composée · 3 min 16 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 Le théorème

Théorème (admis). Soit uu une fonction dérivable sur un intervalle II, et vv une fonction dérivable sur un intervalle JJ, telles que u(x)u(x) appartienne à JJ pour tout xx de II. Alors v∘uv \circ u est dérivable sur II et (v∘u)′=(v′∘u)×u′,c’est-aˋ-dire(v∘u)′(x)=v′(u(x))×u′(x).(v \circ u)' = (v' \circ u) \times u', \qquad\text{c'est-à-dire}\qquad (v \circ u)'(x) = v'\big(u(x)\big) \times u'(x).

Bien lire la formule. On dérive la fonction extérieure vv en gardant l'intérieur u(x)u(x), puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur, u′(x)u'(x).

On retrouve la règle de Première. Si u(x)=ax+bu(x) = ax + b, alors u′(x)=au'(x) = a et la formule donne (v(ax+b))′=a v′(ax+b)\big(v(ax + b)\big)' = a\,v'(ax + b).

3.2 Trois formules à connaître

Soit uu une fonction dérivable sur II.

Fonction Dérivée Condition
eu\mathrm{e}^{u} u′ euu'\,\mathrm{e}^{u}
unu^n (nn entier, n≥1n \geq 1) n u′ un−1n\,u'\,u^{n-1}
unu^n (nn entier, n≤−1n \leq -1) n u′ un−1n\,u'\,u^{n-1} uu ne s'annule pas sur II
u\sqrt{u} u′2u\dfrac{u'}{2\sqrt{u}} u(x)>0u(x) > 0 pour tout xx de II

Elles viennent toutes du théorème. Par exemple, pour u\sqrt{u} : la fonction extérieure est v(X)=Xv(X) = \sqrt{X}, de dérivée v′(X)=12Xv'(X) = \dfrac{1}{2\sqrt X}, donc (u)′=12u×u′\left(\sqrt{u}\right)' = \dfrac{1}{2\sqrt{u}} \times u'. Le cas n=−1n = -1 redonne la règle de Première (1u)′=−u′u2\left(\dfrac1u\right)' = -\dfrac{u'}{u^2}.

3.3 Exemples

Exemple 7. f(x)=e−x2f(x) = \mathrm{e}^{-x^2} sur R\mathbb{R}. On pose u(x)=−x2u(x) = -x^2, donc u′(x)=−2xu'(x) = -2x : f′(x)=−2x e−x2.f'(x) = -2x\,\mathrm{e}^{-x^2}.

Exemple 8. g(x)=(x2−3x)4g(x) = \left(x^2 - 3x\right)^4 sur R\mathbb{R}. On pose u(x)=x2−3xu(x) = x^2 - 3x, donc u′(x)=2x−3u'(x) = 2x - 3 : g′(x)=4 (2x−3)(x2−3x)3.g'(x) = 4\,(2x - 3)\left(x^2 - 3x\right)^3.

Exemple 9. h(x)=x2+9h(x) = \sqrt{x^2 + 9} sur R\mathbb{R}. Pour tout réel xx, x2+9>0x^2 + 9 > 0. On pose u(x)=x2+9u(x) = x^2 + 9, donc u′(x)=2xu'(x) = 2x : h′(x)=2x2x2+9=xx2+9.h'(x) = \frac{2x}{2\sqrt{x^2 + 9}} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + 9}}. Tangente au point d'abscisse 44. h(4)=25=5h(4) = \sqrt{25} = 5 et h′(4)=45h'(4) = \dfrac45. La tangente a pour équation y=5+45(x−4)y = 5 + \dfrac45(x - 4), soit y=0,8 x+1,8y = 0{,}8\,x + 1{,}8.

Exemple 10. k(x)=1(x2+1)2=(x2+1)−2k(x) = \dfrac{1}{\left(x^2 + 1\right)^2} = \left(x^2 + 1\right)^{-2} sur R\mathbb{R}. On pose u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1, qui ne s'annule pas, et on applique la formule avec n=−2n = -2 : k′(x)=−2×2x×(x2+1)−3=−4x(x2+1)3.k'(x) = -2 \times 2x \times \left(x^2 + 1\right)^{-3} = -\frac{4x}{\left(x^2 + 1\right)^3}.

3.4 Deux pièges

  • Oublier de multiplier par u′u'. La dérivée de ex2\mathrm{e}^{x^2} n'est pas ex2\mathrm{e}^{x^2}, mais 2x ex22x\,\mathrm{e}^{x^2}. La dérivée de x2+9\sqrt{x^2 + 9} n'est pas 12x2+9\dfrac{1}{2\sqrt{x^2 + 9}}.
  • Se tromper d'extérieur. (ex)2\left(\mathrm{e}^x\right)^2 et ex2\mathrm{e}^{x^2} sont deux fonctions différentes. Pour la première, l'extérieur est X2X^2 : sa dérivée est 2 ex×ex=2 e2x2\,\mathrm{e}^x \times \mathrm{e}^x = 2\,\mathrm{e}^{2x}.

3.5 Pour comprendre la formule (hors attendus du programme)

Le programme ne demande pas de démontrer cette formule. Voici l'idée. Pour xx proche de aa, avec u(x)≠u(a)u(x) \neq u(a), on écrit le taux de variation de v∘uv \circ u en deux morceaux : v(u(x))−v(u(a))x−a=v(u(x))−v(u(a))u(x)−u(a)×u(x)−u(a)x−a.\frac{v\big(u(x)\big) - v\big(u(a)\big)}{x - a} = \frac{v\big(u(x)\big) - v\big(u(a)\big)}{u(x) - u(a)} \times \frac{u(x) - u(a)}{x - a}. Quand xx tend vers aa, u(x)u(x) tend vers u(a)u(a) (on l'admet ici, le chapitre 7 y reviendra). Le premier facteur tend alors vers v′(u(a))v'\big(u(a)\big) et le second vers u′(a)u'(a).

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : dériver des composées
  • Exercice 6 : un voilier et un phare

Exercices du chapitre (PDF, 156 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 171 Ko)

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