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Spécialité Mathématiques Terminale

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Compléments sur la dérivation : fonctions composées

Composée de deux fonctions, dérivée de g(ax + b) et de g∘u, dérivées de √u, uⁿ, 1/u et eᵘ, dérivée seconde, études de fonctions composées.

À propos de cette page
Des exercices corrigés de Terminale sur la dérivation des fonctions composées, classés par cas et par difficulté : images de g∘u et décomposition, dérivée de g(ax + b) et fonction paire, dérivées de √u, uⁿ, 1/u et eᵘ, dérivée seconde et mouvement d’un mobile, extremums et tangentes. Chaque cas contient une question « Démontrer » avec sa rédaction attendue.

20 exercices, classés par cas comme le cours. Écris ta réponse, puis « Vérifier ».

Cas 1Composer deux fonctions

Réflexe — le dernier calcul effectué est la fonction extérieure g ; ce sur quoi il porte est u(x) ; même sens de variation : g∘u croissante, sens contraires : décroissante. Revoir la méthode →

Exercice 1★★★Facile

On pose u(x)=x2−3 et g(X)=2X+1. Calculer.

  1. (g∘u)(2)=
    On applique d’abord u : u(2)=4−3=1. Puis g : g(1)=2×1+1=3.
  2. (u∘g)(2)=
    On applique d’abord g : g(2)=5. Puis u : u(5)=25−3=22. L’ordre change tout.
  3. (g∘u)(0)=
    u(0)=−3, puis g(−3)=−6+1=−5.
  4. (u∘u)(1)=
    u(1)=1−3=−2, puis u(−2)=4−3=1.
Exercice 2★★★Facile

Chaque fonction s’écrit f=g∘u. Écris l’expression de la fonction intérieure u(x) (puissances avec ^ ou ², par exemple x^2).

  1. f(x)=(4x+7)5, avec g(X)=X5 : u(x)=
    Le dernier calcul est la puissance 5 ; elle porte sur 4x+7 : u(x)=4x+7.
  2. f(x)=ex3−x, avec g(X)=eX : u(x)=
    On calcule d’abord l’exposant x3−x, puis on prend son exponentielle : u(x)=x3−x.
  3. f(x)=5−x2, avec g(X)=X : u(x)=
    La racine carrée est le dernier calcul ; elle porte sur 5−x2 : u(x)=5−x2 (il faudra u(x)⩾0).
  4. f(x)=13x2+1, avec g(X)=1X : u(x)=
    On calcule 3x2+1, puis on prend l’inverse : u(x)=3x2+1, qui ne s’annule jamais.
Exercice 3★★★Moyen

Soit f(x)=4−x2.

  1. L’ensemble de définition de f est l’intervalle [a;2] avec a=
    f(x) existe si et seulement si 4−x2⩾0, c’est-à-dire x2⩽4, soit −2⩽x⩽2. Donc a=−2.
  2. Démontrer, sans dériver, que f est croissante sur [−2;0] et décroissante sur [0;2]. Le maximum de f vaut
    Rédaction attendue. On écrit f=g∘u avec u(x)=4−x2 et g(X)=X, croissante sur [0;+∞[. Sur [−2;0], x↦x2 est décroissante, donc u est croissante ; elle prend ses valeurs dans [0;4], où g est croissante. Même sens de variation : f est croissante sur [−2;0]. Sur [0;2], x↦x2 est croissante, donc u est décroissante, à valeurs dans [0;4] : sens contraires, f est décroissante sur [0;2]. Le maximum est atteint en 0 : f(0)=4=2.
Exercice 4★★★Difficile

Composer dans les deux sens. Une fraction s’écrit avec « / ».

  1. Avec u(x)=x+2 et v(x)=x2, l’unique réel x tel que (v∘u)(x)=(u∘v)(x) est
    (v∘u)(x)=(x+2)2=x2+4x+4 et (u∘v)(x)=x2+2. L’égalité donne 4x+4=2, soit x=−12=−0,5.
  2. Démontrer qu’il existe une seule fonction affine croissante u(x)=ax+b telle que (u∘u)(x)=4x+9 pour tout réel x, et la déterminer : a= et b=
    Rédaction attendue. Pour tout réel x, (u∘u)(x)=a(ax+b)+b=a2x+ab+b. L’égalité a2x+(a+1)b=4x+9 pour tout x impose (coefficients de deux fonctions affines égales) a2=4 et (a+1)b=9. Comme u est croissante, a>0, donc a=2, puis 3b=9, soit b=3. Réciproquement, u(x)=2x+3 donne u(u(x))=2(2x+3)+3=4x+9. L’unique solution est u(x)=2x+3.

Cas 2Dériver une composée : la règle et le cas g(ax + b)

Réflexe — j’écris u(x) et u′(x) à part, je dérive l’extérieur en gardant u(x), je multiplie par u′(x) ; pour g(ax + b), le facteur est a. Revoir la méthode →

Exercice 5★★★Facile

Compléter le coefficient de chaque dérivée (fonctions dérivables là où elles sont définies).

  1. f(x)=(3x−5)4 : f′(x)= (3x−5)3
    ((ax+b)n)′=na(ax+b)n−1 avec n=4, a=3 : f′(x)=12(3x−5)3.
  2. f(x)=e−4x+1 : f′(x)= e−4x+1
    (eax+b)′=aeax+b avec a=−4 : f′(x)=−4e−4x+1.
  3. f(x)=2x+9 : f′(x)=k2x+9 avec k=
    f′(x)=222x+9=12x+9 : le 2 du numérateur se simplifie avec celui de la formule.
  4. f(x)=15x+2 : f′(x)=k(5x+2)2 avec k=
    (1ax+b)′=−a(ax+b)2 avec a=5 : f′(x)=−5(5x+2)2.
Exercice 6★★★Facile

Soit g une fonction dérivable sur ℝ, dont on sait seulement que g′(1)=−2 et g′(3)=5.

  1. φ(x)=g(2x−1) : φ′(1)=
    φ′(x)=2g′(2x−1), donc φ′(1)=2g′(1)=2×(−2)=−4.
  2. ψ(x)=g(x2+2) : ψ′(1)=
    Règle générale avec u(x)=x2+2, u′(x)=2x : ψ′(x)=2xg′(x2+2), donc ψ′(1)=2g′(3)=2×5=10.
  3. χ(x)=g(3−2x) : χ′(1)=
    χ′(x)=−2g′(3−2x), donc χ′(1)=−2g′(1)=−2×(−2)=4.
Exercice 7★★★Moyen

Soit f(x)=(1−2x)5 sur ℝ, et 𝒞 sa courbe.

  1. Démontrer que f′(x)=k(1−2x)4 et donner k=
    Rédaction attendue. On a f=g∘u avec u(x)=1−2x, u′(x)=−2, et g(X)=X5, g′(X)=5X4. D’après la dérivée de g(ax+b), pour tout réel x : f′(x)=−2×5(1−2x)4=−10(1−2x)4. Donc k=−10.
  2. La tangente à 𝒞 au point d’abscisse 1 a pour équation y=mx+p avec p=
    f(1)=(−1)5=−1 et f′(1)=−10×(−1)4=−10. La tangente : y=−10(x−1)−1=−10x+9. Donc p=9.
Exercice 8★★★Difficile

Soit f une fonction dérivable sur ℝ et paire : f(−x)=f(x) pour tout réel x. Une fraction s’écrit avec « / ».

  1. Démontrer que f′ est impaire. En dérivant les deux membres de f(−x)=f(x), on obtient c×f′(−x)=f′(x) avec c=
    Rédaction attendue. La fonction x↦f(−x) est la composée f∘u avec u(x)=−x, de dérivée u′(x)=−1. D’après la dérivée de g(ax+b) (ici a=−1, b=0), sa dérivée est x↦−f′(−x). Deux fonctions égales sur ℝ ont la même dérivée, donc pour tout réel x : −f′(−x)=f′(x), soit f′(−x)=−f′(x). La fonction f′ est impaire, et c=−1.
  2. Conséquence : f′(0)=
    Pour x=0 : f′(0)=−f′(0), donc 2f′(0)=0 et f′(0)=0. La courbe d’une fonction paire dérivable a une tangente horizontale en 0.
  3. f(x)=x2+8 est paire et f′(1)=13. Sans calcul : f′(−1)=
    f′ est impaire, donc f′(−1)=−f′(1)=−13. Vérification : f′(x)=xx2+8, et f′(−1)=−19=−13.

Cas 3Dérivées de √u, uⁿ, 1/u et eᵘ

Réflexe — je reconnais la forme, j’écris u et u′, je vérifie u > 0 (racine) ou u ≠ 0 (inverse), j’applique la formule et je factorise. Revoir la méthode →

Exercice 9★★★Facile

Calculer le nombre dérivé demandé. Une fraction s’écrit avec « / » ; un décimal avec une virgule.

  1. f(x)=(x2−2)3 : f′(2)=
    (u3)′=3u′u2 avec u(x)=x2−2, u′(x)=2x : f′(x)=6x(x2−2)2. Donc f′(2)=12×22=48.
  2. g(x)=3x2+1 : g′(1)=
    3x2+1>0 et g′(x)=6x23x2+1=3x3x2+1. Donc g′(1)=34=32.
  3. h(x)=ex2−4x : h′(0)=
    h′(x)=(2x−4)ex2−4x, donc h′(0)=−4×e0=−4.
  4. k(x)=1x3+1 sur ]−1;+∞[ : k′(1)=
    (1u)′=−u′u2 avec u(x)=x3+1>0 : k′(x)=−3x2(x3+1)2. Donc k′(1)=−34.
Exercice 10★★★Facile

Compléter le coefficient de chaque dérivée.

  1. f(x)=(x3+2x)4 : f′(x)= (3x2+2)(x3+2x)3
    (u4)′=4u′u3 avec u′(x)=3x2+2.
  2. g(x)=e3x2 : g′(x)= xe3x2
    (eu)′=u′eu avec u(x)=3x2, u′(x)=6x : g′(x)=6xe3x2.
  3. h(x)=x4+1 : h′(x)=cx3x4+1 avec c=
    h′(x)=4x32x4+1=2x3x4+1.
  4. k(x)=1(x2+4)2 : k′(x)=cx(x2+4)3 avec c=
    k=u−2 avec u(x)=x2+4≠0 : k′(x)=−2×2x(x2+4)−3=−4x(x2+4)3.
Exercice 11★★★Moyen

Soit f(x)=x2x+3 sur ]−32;+∞[.

  1. Démontrer que f′(x)=3x+32x+3. Contrôle : f′(3)=
    Rédaction attendue. Sur ]−32;+∞[, 2x+3>0, donc x↦2x+3 est dérivable, de dérivée 222x+3=12x+3. Par produit : f′(x)=1×2x+3+x×12x+3=(2x+3)+x2x+3=3x+32x+3. Contrôle : f′(3)=129=4.
  2. Le minimum de f sur ]−32;+∞[ vaut
    2x+3>0, donc f′(x) a le signe de 3x+3 : négatif sur ]−32;−1], positif sur [−1;+∞[. Le minimum est f(−1)=−1×1=−1.
Exercice 12★★★Difficile

Soit f(x)=(x+1x+3)2 sur ]−3;+∞[. Une fraction s’écrit avec « / ».

  1. Démontrer que f′(x)=c(x+1)(x+3)3 et donner c=
    Rédaction attendue. On pose u(x)=x+1x+3, dérivable sur ]−3;+∞[ (quotient, x+3≠0). Par quotient : u′(x)=1×(x+3)−(x+1)×1(x+3)2=2(x+3)2. Comme f=u2, f′=2u′u : f′(x)=2×2(x+3)2×x+1x+3=4(x+1)(x+3)3. Donc c=4.
  2. f′(1)=
    f′(1)=4×243=864=18.

Cas 4Dérivée seconde

Réflexe — f″ = (f′)′ ; le signe de f″ donne les variations de f′, et l’extremum de f′ donne son signe ; position, vitesse, accélération : x, x′, x″. Revoir la méthode →

Exercice 13★★★Facile

Calculer f″, puis la valeur demandée. Une fraction s’écrit avec « / ».

  1. f(x)=x4−2x3 : f″(2)=
    f′(x)=4x3−6x2, f″(x)=12x2−12x, donc f″(2)=48−24=24.
  2. f(x)=e3x : f″(0)=
    f′(x)=3e3x, f″(x)=9e3x, donc f″(0)=9.
  3. f(x)=(2x+1)5 : f″(0)=
    f′(x)=5×2(2x+1)4=10(2x+1)4, puis f″(x)=10×4×2(2x+1)3=80(2x+1)3. Donc f″(0)=80.
  4. f(x)=4x+1 sur ]−14;+∞[ : f″(2)=
    f′(x)=424x+1=24x+1. On dérive 2w avec w(x)=4x+1, w′(x)=24x+1 : f″(x)=−2w′(x)w(x)2=−4(4x+1)4x+1. Donc f″(2)=−49×3=−427.
Exercice 14★★★Facile

Un mobile se déplace sur un axe ; sa position (en m) à l’instant t (en s), pour t⩾0, est x(t)=2t3−9t2+12t. Un décimal s’écrit avec une virgule.

  1. Vitesse initiale : v(0)= m/s
    v(t)=x′(t)=6t2−18t+12, donc v(0)=12 m/s.
  2. L’accélération s’annule à l’instant t= s
    a(t)=v′(t)=x″(t)=12t−18, nul pour t=1,5 s.
  3. Justifier que la vitesse est minimale à cet instant. Vitesse minimale : m/s
    Rédaction attendue. v′(t)=a(t)=12t−18 est négatif sur [0;1,5] et positif sur [1,5;+∞[. Donc v est décroissante sur [0;1,5] puis croissante : elle atteint son minimum en t=1,5, avec v(1,5)=6×2,25−27+12=−1,5 m/s. La vitesse négative signifie que le mobile recule à cet instant.
Exercice 15★★★Moyen

Soit f(x)=e−2x2 sur ℝ. Un décimal s’écrit avec une virgule.

  1. Démontrer que f″(x)=(16x2−4)e−2x2. Contrôle : f″(0)=
    Rédaction attendue. (eu)′=u′eu avec u(x)=−2x2, u′(x)=−4x : f′(x)=−4xe−2x2. Par produit : f″(x)=−4e−2x2+(−4x)(−4x)e−2x2=(16x2−4)e−2x2. Donc f″(0)=−4.
  2. f″ s’annule en deux réels opposés ; le positif vaut
    e−2x2>0, donc f″(x)=0⟺16x2=4⟺x2=14⟺x=±12.
  3. Sur [0;+∞[, f′ atteint son minimum en ce réel positif. Valeur approchée au centième de ce minimum :
    f″(x)<0 sur [0;0,5[ et f″(x)>0 sur ]0,5;+∞[ : f′ décroît puis croît, son minimum est f′(0,5)=−2e−0,5≈−1,213, soit −1,21. C’est l’endroit où la courbe descend le plus vite.
Exercice 16★★★Difficile

On veut démontrer que pour tout x⩾0, ex⩾1+x+x22. On pose g(x)=ex−1−x−x22 sur [0;+∞[.

  1. g′(0)=
    g′(x)=ex−1−x, donc g′(0)=1−1−0=0.
  2. Démontrer l’inégalité à l’aide de g″. Application : pour x=0,1, le minorant 1+x+x22 vaut
    Rédaction attendue. Pour x⩾0 : g″(x)=ex−1⩾0, car ex⩾e0=1 (exponentielle croissante). Donc g′ est croissante sur [0;+∞[ et g′(x)⩾g′(0)=0. Ainsi g est croissante sur [0;+∞[ et g(x)⩾g(0)=1−1−0−0=0, c’est-à-dire ex⩾1+x+x22. Pour x=0,1 : 1+0,1+0,005=1,105, et en effet e0,1≈1,10517.

Cas 5Étudier une fonction composée

Réflexe — intervalle de dérivabilité, f′ factorisée, j’écarte les facteurs positifs (eᵘ, √u, carrés), signe du reste, tableau de variations ; tangente y = f′(a)(x − a) + f(a). Revoir la méthode →

Exercice 17★★★Facile

Extremums à l’aide des variations de u.

  1. f(x)=ex2−4x+2 admet un minimum en x=
    f′(x)=(2x−4)ex2−4x+2 a le signe de 2x−4 : f décroît sur ]−∞;2] et croît sur [2;+∞[.
  2. Ce minimum vaut ek avec k=
    f(2)=e4−8+2=e−2. Le minimum de f n’est pas −2 : c’est e−2.
  3. g(x)=−x2+2x+8, définie sur [−2;4], a pour maximum
    u(x)=−x2+2x+8 croît sur [−2;1] et décroît sur [1;4] (sommet en x=1) ; u a les mêmes variations. Maximum : g(1)=9=3.
Exercice 18★★★Facile

Équation réduite y=mx+p de la tangente au point indiqué.

  1. f(x)=e2x−4, au point d’abscisse 2 : m=
    f′(x)=2e2x−4, donc m=f′(2)=2e0=2.
  2. Même tangente : p=
    f(2)=e0=1 : y=2(x−2)+1=2x−3.
  3. f(x)=(x2−3)2, au point d’abscisse 1 : m=
    f′(x)=2×2x(x2−3)=4x(x2−3), donc m=f′(1)=4×(−2)=−8.
  4. Même tangente : p=
    f(1)=(−2)2=4 : y=−8(x−1)+4=−8x+12.
Exercice 19★★★Moyen

Soit f(x)=1x2−2x+3. Une fraction s’écrit avec « / ».

  1. Démontrer que f est définie et dérivable sur ℝ, puis étudier ses variations. Maximum de f :
    Rédaction attendue. Le discriminant de x2−2x+3 vaut 4−12=−8<0 : ce trinôme ne s’annule pas et reste strictement positif sur ℝ. Donc f=1u avec u(x)=x2−2x+3>0 est définie et dérivable sur ℝ, et f′(x)=−u′(x)u(x)2=−(2x−2)(x2−2x+3)2. Le dénominateur est strictement positif : f′(x) a le signe de 2−2x, positif sur ]−∞;1], négatif sur [1;+∞[. Donc f est croissante sur ]−∞;1] et décroissante sur [1;+∞[ ; son maximum est f(1)=12.
  2. f′(0)=
    f′(0)=−(0−2)32=29.
Exercice 20★★★Difficile

Soit f(x)=xe−x sur ]0;+∞[. Un décimal s’écrit avec une virgule.

  1. Démontrer que f′(x)=(1−2x)e−x2x et en déduire les variations de f. Le maximum est atteint en x=
    Rédaction attendue. Sur ]0;+∞[, la racine carrée est dérivable et (e−x)′=−e−x. Par produit : f′(x)=12xe−x−xe−x=e−x2x(1−2xx)=(1−2x)e−x2x. Comme e−x>0 et 2x>0, f′(x) a le signe de 1−2x : f est croissante sur ]0;12] et décroissante sur [12;+∞[. Le maximum est atteint en x=0,5.
  2. Valeur approchée de ce maximum au centième :
    f(0,5)=0,5e−0,5=12e≈0,4289, soit 0,43.
  3. Nombre de solutions de l’équation f(x)=0,4 sur ]0;+∞[ :
    limx→0f(x)=0 ; en +∞, f(x)=1x×xe−x tend vers 0×0=0 (croissances comparées). Sur ]0;0,5], f est continue et strictement croissante, de 0 (limite) à 0,4289>0,4 : une solution (théorème des valeurs intermédiaires, cas strictement monotone). Sur [0,5;+∞[, f décroît strictement de 0,4289 vers 0 : une seconde solution. Il y en a 2.
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