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Correction des exercices 01 à 09 — Dérivabilité en un point — Al Moufid

Correction des exercices 01 à 09 — Dérivabilité en un point — Al Moufid

Exercices 01 à 09 — Dérivabilité en un point

En utilisant la définition, montrer que la fonction \(f\) est dérivable en \(x_0\), puis déterminer \(f^{\prime}(x_0)\) dans chacun des cas suivants.

Exercice 01

On considère : \[ f(x)=\sqrt{x^2+1} \qquad\text{et}\qquad x_0=0. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction \(f\) est définie au voisinage de \(0\), et :

\[ f(0)=1 \]

Pour \(x\neq0\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \frac{\sqrt{x^2+1}-1}{x} \]

En multipliant par la quantité conjuguée :

\[ \frac{\sqrt{x^2+1}-1}{x} = \frac{x^2}{x\left(\sqrt{x^2+1}+1\right)} = \frac{x}{\sqrt{x^2+1}+1} \]

Donc :

\[ \lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}{x} = \lim_{x\to0}\frac{x}{\sqrt{x^2+1}+1} =0 \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f^{\prime}(0)=0\)
La quantité conjuguée permet de faire apparaître \(x^2\), puis de simplifier par \(x\).

Exercice 02

On considère : \[ f(x)=2x-\sqrt[3]{x} \qquad\text{et}\qquad x_0=1. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction \(f\) est définie au voisinage de \(1\), et :

\[ f(1)=2-\sqrt[3]{1}=1. \]

Pour \(x\neq1\), avec \(x\geq0\) :

\[ \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \frac{2x-\sqrt[3]{x}-1}{x-1}. \]

On écrit :

\[ 2x-\sqrt[3]{x}-1 = 2(x-1)-\left(\sqrt[3]{x}-1\right). \]

Donc :

\[ \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = 2- \frac{\sqrt[3]{x}-1}{x-1}. \]

Or :

\[ x-1 = \left(\sqrt[3]{x}-1\right) \left(x^{2/3}+x^{1/3}+1\right). \]

Ainsi :

\[ \frac{\sqrt[3]{x}-1}{x-1} = \frac1{x^{2/3}+x^{1/3}+1}. \]

Par conséquent :

\[ \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = 2- \frac1{x^{2/3}+x^{1/3}+1}. \]

En faisant tendre \(x\) vers \(1\), on obtient :

\[ \lim_{x\to1} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = 2-\frac13 = \frac53. \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(1\) et : \[ \boxed{f'(1)=\frac53}. \]
La racine figurant dans l’énoncé du manuel est une racine cubique \(\sqrt[3]{x}\), et non une racine carrée.

Exercice 03

On considère : \[ f(x)=\frac1{x^2+2} \qquad\text{et}\qquad x_0=-2. \]
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La fonction \(f\) est définie sur \(\mathbb{R}\), car \(x^2+2\gt0\) pour tout \(x\in\mathbb{R}\), et :

\[ f(-2)=\frac{1}{(-2)^2+2}=\frac16 \]

Pour \(x\neq-2\) :

\[ \frac{f(x)-f(-2)}{x+2} = \frac{\frac{1}{x^2+2}-\frac16}{x+2} \]

En réduisant au même dénominateur :

\[ \frac{f(x)-f(-2)}{x+2} = \frac{6-(x^2+2)}{6(x^2+2)(x+2)} = \frac{4-x^2}{6(x^2+2)(x+2)} \]

Or :

\[ 4-x^2=-(x-2)(x+2) \]

Donc :

\[ \frac{f(x)-f(-2)}{x+2} = -\frac{x-2}{6(x^2+2)} \]

D’où :

\[ \lim_{x\to-2}\frac{f(x)-f(-2)}{x+2} = -\frac{-4}{6\times6} = \frac19 \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(-2\) et \(f^{\prime}(-2)=\dfrac19\)

Exercice 04

On considère : \[ f(x)=x|x| \qquad\text{et}\qquad x_0=0. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction \(f\) est définie au voisinage de \(0\), et :

\[ f(0)=0 \]

Pour \(x\neq0\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = \frac{x|x|}{x} = |x| \]

Donc :

\[ \lim_{x\to0}|x|=0 \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f^{\prime}(0)=0\)
La présence de \(|x|\) ne suffit pas pour conclure à la non-dérivabilité. Le quotient de dérivabilité est ici égal à \(|x|\), qui tend vers \(0\).

Exercice 05

On considère : \[ f(x)=2x-\operatorname{Arctan}\sqrt{x+1} \qquad\text{et}\qquad x_0=0. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction \(f\) est définie au voisinage de \(0\), car \(x+1\gt0\) au voisinage de \(0\), et :

\[ f(0)=-\operatorname{Arctan}(1)=-\frac{\pi}{4} \]

Pour \(x\neq0\), avec \(x\gt-1\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = 2- \frac{ \operatorname{Arctan}\sqrt{x+1}-\frac{\pi}{4} }{x}. \]

Posons :

\[ y=\sqrt{x+1}. \]

Lorsque \(x\to0\), on a \(y\to1\), et :

\[ x=y^2-1=(y-1)(y+1). \]

Au voisinage de \(y=1\), la formule de différence des arctangentes donne :

\[ \operatorname{Arctan}(y)-\frac{\pi}{4} = \operatorname{Arctan}\left(\frac{y-1}{y+1}\right). \]

Posons alors :

\[ t=\frac{y-1}{y+1}. \]

Lorsque \(x\to0\), on a \(t\to0\). De plus :

\[ \begin{aligned} \frac{ \operatorname{Arctan}\sqrt{x+1}-\frac{\pi}{4} }{x} &= \frac{\operatorname{Arctan}(t)}{t} \cdot \frac{t}{x}\\ &= \frac{\operatorname{Arctan}(t)}{t} \cdot \frac1{(y+1)^2}. \end{aligned} \]

Or :

\[ \lim_{t\to0}\frac{\operatorname{Arctan}(t)}{t}=1 \]

et :

\[ \lim_{y\to1}\frac1{(y+1)^2}=\frac14. \]

Donc :

\[ \lim_{x\to0} \frac{ \operatorname{Arctan}\sqrt{x+1}-\frac{\pi}{4} }{x} = \frac14. \]

Par conséquent :

\[ \lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}{x} = 2-\frac14 = \frac74. \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f^{\prime}(0)=\dfrac74\).
Cette rédaction respecte la consigne « en utilisant la définition » : on étudie directement le quotient de dérivabilité et on utilise la limite usuelle \(\displaystyle \lim_{t\to0}\frac{\operatorname{Arctan}(t)}t=1\).

Exercice 06

On considère : \[ f(x)=\cos x-\sin^2x+\tan(4x) \qquad\text{et}\qquad x_0=0. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction \(f\) est définie au voisinage de \(0\), car \(\tan(4x)\) est définie au voisinage de \(0\), et :

\[ f(0)=\cos0-\sin^2 0+\tan0=1 \]

Pour \(x\neq0\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = \frac{\cos x-1}{x} - \frac{\sin^2x}{x} + \frac{\tan(4x)}{x} \]

D’après les limites usuelles :

\[ \lim_{x\to0}\frac{\cos x-1}{x}=0 \]

De plus :

\[ \frac{\sin^2x}{x} = \sin x\cdot\frac{\sin x}{x} \]

donc :

\[ \lim_{x\to0}\frac{\sin^2x}{x}=0 \]

Enfin :

\[ \frac{\tan(4x)}{x} = 4\frac{\tan(4x)}{4x} \]

d’où :

\[ \lim_{x\to0}\frac{\tan(4x)}{x}=4 \]

Par conséquent :

\[ \lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}{x} = 0-0+4 = 4 \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f^{\prime}(0)=4\)

Exercice 07

On considère : \[ f(x)= \begin{cases} \dfrac{\sqrt{x+1}-1}{x} & \text{si }x\neq0,\\[2mm] \dfrac12 & \text{si }x=0, \end{cases} \qquad x_0=0. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction est définie au voisinage de \(0\). Pour \(x\neq0\), avec \(x\gt-1\) :

\[ f(x)=\frac{\sqrt{x+1}-1}{x} = \frac{1}{\sqrt{x+1}+1} \]

Alors :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = \frac{\frac{1}{\sqrt{x+1}+1}-\frac12}{x} \]

En réduisant au même dénominateur :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = \frac{1-\sqrt{x+1}}{2x(\sqrt{x+1}+1)} \]

Or :

\[ 1-\sqrt{x+1}=-(\sqrt{x+1}-1) \]

Donc :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = -\frac{\sqrt{x+1}-1}{2x(\sqrt{x+1}+1)} \]

Comme :

\[ \frac{\sqrt{x+1}-1}{x} = \frac{1}{\sqrt{x+1}+1} \]

on obtient :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = -\frac{1}{2(\sqrt{x+1}+1)^2} \]

Par passage à la limite :

\[ \lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}{x} = -\frac{1}{2(2)^2} = -\frac18 \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f^{\prime}(0)=-\dfrac18\)
Pour une fonction définie par morceaux, la valeur donnée au point étudié doit être utilisée dans le quotient. Ici, \(f(0)=\dfrac12\).

Exercice 08

On considère : \[ f(x)= \begin{cases} x^2\cos\left(\dfrac1x\right) & \text{si }x\neq0,\\[2mm] 0 & \text{si }x=0, \end{cases} \qquad x_0=0. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction \(f\) est définie au voisinage de \(0\), et :

\[ f(0)=0 \]

Pour \(x\neq0\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = \frac{x^2\cos\left(\frac1x\right)}{x} = x\cos\left(\frac1x\right) \]

Comme :

\[ -1\leq \cos\left(\frac1x\right)\leq1 \]

on a :

\[ -|x|\leq x\cos\left(\frac1x\right)\leq |x| \]

Or :

\[ \lim_{x\to0}-|x|=0 \quad\text{et}\quad \lim_{x\to0}|x|=0 \]

Donc, d’après le théorème d’encadrement :

\[ \lim_{x\to0}x\cos\left(\frac1x\right)=0 \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f^{\prime}(0)=0\)
Même si \(\cos\left(\frac1x\right)\) n’admet pas de limite en \(0\), le facteur \(x\) permet d’obtenir la limite par encadrement.

Exercice 09

On considère : \[ f(x)=\frac{\sin(x^2-1)}{x-1} \qquad\text{et}\qquad x_0=-1. \]
Lire la réponse +Masquer la réponse −

La fonction \(f\) est définie au voisinage de \(-1\), car \(-1\neq1\), et :

\[ f(-1)=\frac{\sin((-1)^2-1)}{-1-1} = 0 \]

Pour \(x\neq-1\), avec \(x\neq1\) :

\[ \frac{f(x)-f(-1)}{x+1} = \frac{\sin(x^2-1)}{(x-1)(x+1)} \]

Or :

\[ x^2-1=(x-1)(x+1) \]

Donc :

\[ \frac{f(x)-f(-1)}{x+1} = \frac{\sin(x^2-1)}{x^2-1} \]

Lorsque \(x\to -1\), on a \(x^2-1\to0\). Ainsi, d’après la limite usuelle :

\[ \lim_{x\to-1}\frac{\sin(x^2-1)}{x^2-1}=1 \]
Ainsi, \(f\) est dérivable en \(-1\) et \(f^{\prime}(-1)=1\)
Correction préparée par :
Hammou Boudraa — Enseignant des mathématiques
Lycée Oum Erbiaâ — M’rirt

Travail personnel destiné à l’accompagnement des élèves de 2e Bac Sciences Mathématiques.
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