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Correction des exercices 10 à 16 — Dérivabilité à droite et à gauche — Al Moufid

Correction des exercices 10 à 16 — Dérivation et étude des fonctions

Manuel Al Moufid · 2e Bac Sciences Mathématiques

Ces exercices permettent de passer de la définition locale de la dérivabilité aux principales techniques de calcul utilisées dans le chapitre. Les premiers exercices exploitent l’approximation affine d’une fonction dérivable pour obtenir des valeurs numériques proches de valeurs connues. Les exercices suivants mobilisent les règles de dérivation des sommes, produits, quotients et fonctions composées, tout en accordant une attention particulière au domaine de définition. Lorsque des racines ou des puissances fractionnaires apparaissent, il faut également examiner les points où l’expression intérieure s’annule. Dans ces situations, une formule de dérivée valable sur un intervalle ouvert ne suffit pas toujours : aux extrémités du domaine ou aux points particuliers, l’étude revient au quotient de dérivabilité à droite ou à gauche. La correction met ainsi en relation calcul, conditions d’application et interprétation géométrique.

Exercice 10 — Dérivation et approximation affine

Repère de cours — Approximation affine

Si une fonction \(f\) est dérivable en un réel \(a\), la tangente à sa courbe au point d’abscisse \(a\) fournit une approximation affine de \(f\) au voisinage de ce point. Pour une valeur \(x\) suffisamment proche de \(a\), on utilise :

\[ f(x)\approx f(a)+f'(a)(x-a). \]

L’application de cette règle demande donc de connaître \(f(a)\), \(f'(a)\) et de vérifier que la fonction est dérivable au point choisi.

Question 1 — Approximation affine de \(\cos x\)

Donner une approximation affine de la fonction \(x\mapsto\cos x\) au voisinage de \(\dfrac{\pi}{4}\), puis déterminer une valeur approchée de \(\cos(46^\circ)\).

Méthode. La fonction cosinus est dérivable en \(\dfrac{\pi}{4}\). On peut donc utiliser l’approximation affine au voisinage de ce point. Pour l’application numérique, l’angle \(46^\circ\) doit être exprimé en radians afin d’utiliser correctement les formules de dérivation trigonométriques.
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Posons \(f(x)=\cos x\). La fonction \(f\) est dérivable en \(a=\dfrac{\pi}{4}\), avec :

\[ f(a)=\cos\frac{\pi}{4}=\frac{\sqrt2}{2} \]

et :

\[ f'(a)=-\sin\frac{\pi}{4}=-\frac{\sqrt2}{2}. \]

Les deux données nécessaires à l’approximation affine sont maintenant connues.

L’approximation affine de \(f\) au voisinage de \(a\) est donc :

\[ \boxed{ \cos x \approx \frac{\sqrt2}{2} - \frac{\sqrt2}{2} \left(x-\frac{\pi}{4}\right) }. \]

L’angle \(46^\circ\) est très proche de \(45^\circ=\dfrac{\pi}{4}\). On écrit donc son écart à l’angle de référence.

Or :

\[ 46^\circ = 45^\circ+1^\circ = \frac{\pi}{4}+\frac{\pi}{180}. \]

Par conséquent :

\[ \cos(46^\circ) \approx \frac{\sqrt2}{2} \left(1-\frac{\pi}{180}\right). \]
\[ \boxed{\cos(46^\circ)\approx 0.6948}. \]
La valeur \(46^\circ\) étant proche de \(45^\circ\), la tangente à la courbe du cosinus au point d’abscisse \(\dfrac{\pi}{4}\) fournit une estimation simple de \(\cos(46^\circ)\).
Question 2 — Valeurs approchées

Déterminer une valeur approchée de chacun des nombres \(\sin(46^\circ)\) et \(\tan(46^\circ)\).

Méthode. On applique la même règle au sinus puis à la tangente au voisinage de \(\dfrac{\pi}{4}\). Les deux fonctions sont dérivables autour de ce point ; pour la tangente, \(\cos\dfrac{\pi}{4}\neq0\), donc son expression est bien définie au voisinage considéré.
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Pour \(s(x)=\sin x\), on a :

\[ s\left(\frac{\pi}{4}\right)=\frac{\sqrt2}{2}, \qquad s'\left(\frac{\pi}{4}\right)=\frac{\sqrt2}{2}. \]

La fonction sinus est donc remplacée localement par son approximation affine au point \(\dfrac{\pi}{4}\).

Donc, au voisinage de \(\dfrac{\pi}{4}\) :

\[ \sin x \approx \frac{\sqrt2}{2} + \frac{\sqrt2}{2} \left(x-\frac{\pi}{4}\right). \]

Avec \(x=46^\circ=\dfrac{\pi}{4}+\dfrac{\pi}{180}\), on obtient :

\[ \sin(46^\circ) \approx \frac{\sqrt2}{2} \left(1+\frac{\pi}{180}\right). \]

Pour \(t(x)=\tan x\), on a :

\[ t\left(\frac{\pi}{4}\right)=1 \]

et :

\[ t'(x)=1+\tan^2x, \qquad t'\left(\frac{\pi}{4}\right)=2. \]

On dispose donc également de la valeur de la fonction et de son nombre dérivé au point de référence.

Donc :

\[ \tan x \approx 1+2\left(x-\frac{\pi}{4}\right), \]

puis :

\[ \tan(46^\circ) \approx 1+\frac{\pi}{90}. \]
\[ \boxed{\sin(46^\circ)\approx 0.7194} \] et \[ \boxed{\tan(46^\circ)\approx 1.0349}. \]
Les deux approximations reposent sur le même principe : remplacer localement la courbe par sa tangente au voisinage de \(45^\circ\).

Exercice 11 — Approximations affines au voisinage de 0

Repère de cours — Approximation au voisinage de \(0\)

Lorsque \(F\) est dérivable en \(0\), la formule générale de l’approximation affine devient :

\[ F(x)\approx F(0)+F'(0)x. \]

Pour une application numérique, il faut ensuite identifier le petit nombre \(x\) qui mesure l’écart à \(0\).

Question 1 — Approximations affines

Donner une approximation affine de chacune des expressions :

\[ (1+x)^{10}, \qquad \frac1{(x+1)^2}, \qquad \sin x \]

au voisinage de \(0\).

Méthode. Pour chaque expression, on considère la fonction correspondante, on calcule sa valeur en \(0\), puis son nombre dérivé en \(0\). Les fonctions concernées sont toutes dérivables dans un voisinage de \(0\).
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Pour une fonction \(F\) dérivable en \(0\), son approximation affine au voisinage de \(0\) est :

\[ F(x)\approx F(0)+F'(0)x. \]

On applique cette règle successivement aux trois fonctions proposées.

Pour \(F_1(x)=(1+x)^{10}\) :

\[ F_1(0)=1, \qquad F_1'(x)=10(1+x)^9, \qquad F_1'(0)=10. \]

Donc :

\[ \boxed{(1+x)^{10}\approx1+10x}. \]

Pour \(F_2(x)=\dfrac1{(1+x)^2}\) :

\[ F_2(0)=1, \qquad F_2'(x)=-\frac2{(1+x)^3}, \qquad F_2'(0)=-2. \]

Donc :

\[ \boxed{\frac1{(1+x)^2}\approx1-2x}. \]

Enfin, pour \(F_3(x)=\sin x\) :

\[ F_3(0)=0, \qquad F_3'(0)=\cos0=1. \]
\[ \boxed{\sin x\approx x}. \]
Ces trois relations sont locales : elles sont utilisées lorsque \(x\) est suffisamment proche de \(0\).
Question 2 — Applications numériques

Donner une valeur approchée de chacun des nombres :

\[ (1{,}004)^{10}, \qquad \frac1{(1{,}02)^2}, \qquad \sin(0{,}1^\circ). \]
Méthode. Il faut ramener chaque nombre à l’une des formes étudiées précédemment. Pour le sinus, l’angle doit être converti en radians avant d’utiliser l’approximation \(\sin x\approx x\).
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On utilise les approximations précédentes.

Comme \(1{,}004=1+0{,}004\) :

\[ (1{,}004)^{10} \approx 1+10\times0{,}004 = 1{,}04. \]

Comme \(1{,}02=1+0{,}02\) :

\[ \frac1{(1{,}02)^2} \approx 1-2\times0{,}02 = 0{,}96. \]

Pour le dernier nombre, on commence par convertir l’angle en radians.

Enfin :

\[ 0{,}1^\circ=\frac{\pi}{1800}\text{ rad}. \]

Comme \(\sin x\approx x\) au voisinage de \(0\) :

\[ \sin(0{,}1^\circ) \approx \frac{\pi}{1800}. \]
\[ \boxed{(1{,}004)^{10}\approx1{,}04}, \qquad \boxed{\frac1{(1{,}02)^2}\approx0{,}96}, \] \[ \boxed{\sin(0{,}1^\circ)\approx 0.001745}. \]
Les écarts \(0{,}004\), \(0{,}02\) et \(\dfrac{\pi}{1800}\) sont petits, ce qui explique l’intérêt de l’approximation affine.

Exercice 12 — Calcul de la fonction dérivée

Repère de cours — Règles de dérivation

Avant de dériver une expression, il faut reconnaître sa structure : somme, produit, quotient ou composition. Les règles de dérivation ne s’appliquent que sur les intervalles où les fonctions concernées sont définies et dérivables. Pour un quotient, le dénominateur doit notamment être non nul ; pour une fonction composée, la fonction intérieure doit prendre ses valeurs dans le domaine de dérivabilité de la fonction extérieure.

Question 1 — Dérivée d’un polynôme \[ f(x)=4x^5+8x^2-13x+7. \]
Méthode. Un polynôme est dérivable sur \(\mathbb R\). On dérive donc chaque terme séparément à l’aide de la règle \((x^n)'=nx^{n-1}\).
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La fonction \(f\) est dérivable sur \(\mathbb R\). Par dérivation terme à terme :

\[ \boxed{f'(x)=20x^4+16x-13}. \]
La dérivée est définie sur tout \(\mathbb R\), comme le polynôme initial.
Question 2 — Dérivée d’une puissance composée \[ g(x)=\frac5{\sqrt{x^4+1}}. \]
Méthode. L’expression intérieure \(x^4+1\) est strictement positive sur \(\mathbb R\). On peut donc écrire la racine au dénominateur sous forme de puissance et utiliser la règle de dérivation d’une fonction composée.
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Comme \(x^4+1\gt0\) pour tout \(x\in\mathbb R\), on a \(D_g=\mathbb R\). On écrit :

\[ g(x)=5(x^4+1)^{-1/2}. \]

La fonction intérieure est dérivable sur \(\mathbb R\) et reste strictement positive, les conditions de la règle de composition sont donc satisfaites.

Donc :

\[ g'(x) = 5\left(-\frac12\right)(x^4+1)^{-3/2}\cdot4x^3. \]
\[ \boxed{g'(x)=-\frac{10x^3}{(x^4+1)^{3/2}}}. \]
La dérivée est définie sur tout \(\mathbb R\), puisque \(x^4+1\) ne s’annule jamais.
Question 3 — Dérivée d’une puissance \[ h(x)=\left(x^2+5x+4\cos x\right)^7. \]
Méthode. On reconnaît une puissance d’une fonction composée. La fonction intérieure est dérivable sur \(\mathbb R\), et la puissance \(7\) ne crée aucune restriction supplémentaire.
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La fonction \(h\) est dérivable sur \(\mathbb R\). Posons :

\[ u(x)=x^2+5x+4\cos x. \]

Alors :

\[ u'(x)=2x+5-4\sin x. \]

La règle de dérivation de \(u^7\) peut maintenant être appliquée.

Par la règle de dérivation d’une puissance composée :

\[ \boxed{ h'(x) = 7\left(x^2+5x+4\cos x\right)^6 \left(2x+5-4\sin x\right) }. \]
Question 4 — Dérivée d’un quotient \[ k(x)=\frac{2x^3+x+2}{x^2+x}. \]
Méthode. Avant d’utiliser la formule de dérivation d’un quotient, on détermine les valeurs interdites en annulant le dénominateur. La règle du quotient s’applique ensuite sur le domaine obtenu.
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Le domaine est :

\[ D_k=\mathbb R\setminus\{-1;0\}. \]

Posons :

\[ N(x)=2x^3+x+2, \qquad D(x)=x^2+x. \]

On a :

\[ N'(x)=6x^2+1, \qquad D'(x)=2x+1. \]

Sur \(D_k\), le dénominateur est non nul. La formule du quotient est donc applicable.

La formule du quotient donne :

\[ k'(x) = \frac{(6x^2+1)(x^2+x)-(2x^3+x+2)(2x+1)} {(x^2+x)^2}. \]

Après développement du numérateur :

\[ \boxed{ k'(x) = \frac{2x^4+4x^3-x^2-4x-2}{(x^2+x)^2} }, \qquad x\in D_k. \]
Question 5 — Dérivée d’un produit \[ u(x)=\left(x^4+x+2\right)\sin(8x). \]
Méthode. L’expression est un produit de deux fonctions dérivables sur \(\mathbb R\). On utilise donc la formule du produit, puis la règle de dérivation d’une fonction composée pour \(\sin(8x)\).
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La fonction \(u\) est dérivable sur \(\mathbb R\). On a :

\[ (x^4+x+2)'=4x^3+1 \]

et :

\[ (\sin(8x))'=8\cos(8x). \]
\[ \boxed{ u'(x) = (4x^3+1)\sin(8x) + 8(x^4+x+2)\cos(8x) }. \]
Question 6 — Dérivée d’une racine cubique \[ v(x)=\sqrt[3]{x^2+x+4}. \]
Méthode. La règle de dérivation d’une racine composée peut être utilisée directement lorsque l’expression placée sous la racine reste strictement positive. On vérifie donc d’abord le signe du trinôme.
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Le trinôme \(x^2+x+4\) est strictement positif sur \(\mathbb R\), car son discriminant vaut :

\[ \Delta=1-16=-15\lt0. \]

La quantité intérieure ne s’annule donc jamais.

La fonction \(v\) est donc dérivable sur \(\mathbb R\), et :

\[ \boxed{ v'(x) = \frac{2x+1}{3\left(x^2+x+4\right)^{2/3}} }. \]

Exercice 13 — Dérivabilité sur le domaine de définition

Repère de cours — Domaine et points particuliers

Une formule de dérivée obtenue par les règles usuelles est valable sur les intervalles ouverts où toutes les expressions sont définies et dérivables. Aux bornes d’un domaine, aux zéros d’une expression sous une racine ou aux points de raccordement d’une fonction définie par morceaux, il faut revenir à la définition et étudier éventuellement une dérivée à droite ou à gauche. Une limite infinie du quotient de dérivabilité ne donne pas un nombre dérivé fini ; elle peut cependant traduire graphiquement une demi-tangente verticale.

Question 1 — Polynôme \[ f(x)=x^4-2x^3+3x^2+x+55. \]
Méthode. Un polynôme est dérivable sur tout \(\mathbb R\) ; on dérive terme à terme.
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\[ \boxed{f'(x)=4x^3-6x^2+6x+1}, \qquad x\in\mathbb R. \]
Question 2 — Somme de puissances négatives \[ f(x)=\frac1x+\frac1{x^2}+\frac1{x^3}+\frac1{x^4}. \]
Méthode. Le point \(0\) est exclu du domaine. Sur \(\mathbb R^\ast\), chaque terme peut être écrit sous forme d’une puissance négative puis dérivé.
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Le domaine est \(D_f=\mathbb R^\ast\). En écrivant chaque terme sous forme de puissance :

\[ \boxed{ f'(x) = -\frac1{x^2} -\frac2{x^3} -\frac3{x^4} -\frac4{x^5} }, \qquad x\neq0. \]
Question 3 — Produit et quotient \[ f(x)=x\sqrt{x}+\frac{x}{x-1}. \]
Méthode. Les règles usuelles permettent de dériver sur l’intérieur du domaine. Le point \(0\), qui est une extrémité du domaine, doit ensuite être étudié séparément à l’aide du quotient de dérivabilité à droite.
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Le domaine est :

\[ D_f=[0;+\infty[\setminus\{1\}. \]

Pour \(x\gt0\), \(x\neq1\) :

\[ (x\sqrt{x})'=\frac32\sqrt{x} \]

et :

\[ \left(\frac{x}{x-1}\right)' = -\frac1{(x-1)^2}. \]

Donc :

\[ \boxed{ f'(x)=\frac32\sqrt{x}-\frac1{(x-1)^2} }, \qquad x\gt0,\ x\neq1. \]

La formule précédente ne suffit pas pour le point \(0\), car celui-ci est une extrémité du domaine. On étudie donc directement le quotient à droite.

À l’extrémité \(0\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}x = \sqrt{x}+\frac1{x-1} \longrightarrow-1. \]
\[ \boxed{f'_d(0)=-1}. \]
Question 4 — Racine carrée d’un polynôme \[ f(x)=\sqrt{x^2-3x}. \]
Méthode. On détermine d’abord le domaine à partir de la condition \(x^2-3x\geq0\). La formule de dérivation de la racine s’applique lorsque l’expression intérieure est strictement positive. Aux bornes \(0\) et \(3\), le quotient de dérivabilité doit être étudié séparément.
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La condition \(x^2-3x\geq0\) donne :

\[ D_f=]-\infty;0]\cup[3;+\infty[. \]

Sur \(]-\infty;0[\cup]3;+\infty[\) :

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

Aux deux extrémités, le dénominateur de cette formule s’annule. Il faut donc revenir au quotient de dérivabilité latéral.

Aux bornes du domaine :

\[ \lim_{x\to0^-}\frac{f(x)-f(0)}x=-\infty \]

et :

\[ \lim_{x\to3^+}\frac{f(x)-f(3)}{x-3}=+\infty. \]
\(f\) n’est pas dérivable en \(0\) ni en \(3\). Sa courbe admet une demi-tangente verticale à gauche en \(0\) et une demi-tangente verticale à droite en \(3\).
Question 5 — Puissance d’une somme \[ f(x)=\left(\sqrt{x-1}+x\right)^3. \]
Méthode. La racine impose \(x\geq1\). Pour \(x\gt1\), les règles de composition s’appliquent. Au point \(1\), situé au bord du domaine, on étudie le quotient de dérivabilité à droite.
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Le domaine est \(D_f=[1;+\infty[\). Pour \(x\gt1\) :

\[ \boxed{ f'(x) = 3\left(\sqrt{x-1}+x\right)^2 \left(1+\frac1{2\sqrt{x-1}}\right) }. \]

La formule fait intervenir \(\sqrt{x-1}\) au dénominateur ; elle ne permet donc pas d’attribuer directement un nombre dérivé fini au point \(1\).

En \(1\), le quotient de dérivabilité à droite tend vers \(+\infty\).

La fonction n’est pas dérivable à droite en \(1\) au sens fini ; la courbe admet une demi-tangente verticale à droite au point d’abscisse \(1\).
Question 6 — Puissance trigonométrique \[ f(x)=\cos^4x. \]
Méthode. On reconnaît la composée de la fonction cosinus avec la puissance quatrième. Les deux fonctions sont dérivables sur \(\mathbb R\).
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La fonction est dérivable sur \(\mathbb R\). Par composition :

\[ \boxed{f'(x)=-4\cos^3x\sin x}. \]
Question 7 — Différence de deux quotients \[ f(x)=\frac1{2x+1}-\frac1{\sqrt{x-2}}. \]
Méthode. La racine se trouve au dénominateur : il faut donc avoir \(x-2\gt0\). Cette condition impose \(x\gt2\), et le premier dénominateur est alors également non nul.
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Le domaine est :

\[ D_f=]2;+\infty[. \]

Pour \(x\gt2\) :

\[ \boxed{ f'(x) = -\frac2{(2x+1)^2} + \frac1{2(x-2)^{3/2}} }. \]
Question 8 — Fonctions trigonométriques \[ f(x)=\cos(3x)-\sin(6x). \]
Méthode. Les fonctions sinus et cosinus sont dérivables sur \(\mathbb R\). On applique la règle de dérivation d’une composée aux expressions \(3x\) et \(6x\).
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\[ \boxed{f'(x)=-3\sin(3x)-6\cos(6x)}, \qquad x\in\mathbb R. \]
Question 9 — Quotient trigonométrique \[ f(x)=\frac{\cos x+\sin x}{\cos x-\sin x}. \]
Méthode. La première étape consiste à exclure les zéros du dénominateur. Sur le domaine obtenu, le numérateur et le dénominateur sont dérivables et la formule du quotient peut être appliquée.
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Le domaine est :

\[ D_f = \mathbb R\setminus \left\{ \frac{\pi}{4}+k\pi\ ;\ k\in\mathbb Z \right\}. \]

En posant \(N=\cos x+\sin x\) et \(D=\cos x-\sin x\), on a \(N'=D\) et \(D'=-N\). Donc :

\[ f'(x) = \frac{D^2+N^2}{D^2}. \]

Or :

\[ D^2+N^2=2. \]
\[ \boxed{ f'(x)=\frac2{(\cos x-\sin x)^2} }, \qquad x\in D_f. \]
Question 10 — Valeur absolue \[ f(x)=|x^3-x|. \]
Méthode. Pour dériver une valeur absolue, on commence par étudier le signe de l’expression intérieure. Les zéros \(-1\), \(0\) et \(1\) séparent les intervalles sur lesquels la valeur absolue peut être supprimée. La dérivabilité doit ensuite être contrôlée aux points de raccordement.
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Posons \(p(x)=x^3-x=x(x-1)(x+1)\). Son signe donne :

\[ f(x)= \begin{cases} -(x^3-x) & \text{sur }]-\infty;-1]\cup[0;1],\\ x^3-x & \text{sur }[-1;0]\cup[1;+\infty[. \end{cases} \]

Par conséquent, pour \(x\notin\{-1;0;1\}\) :

\[ \boxed{ f'(x)= \begin{cases} 1-3x^2 & \text{si }x\in]-\infty;-1[\cup]0;1[,\\[1mm] 3x^2-1 & \text{si }x\in]-1;0[\cup]1;+\infty[. \end{cases} } \]

Aux points \(-1\), \(0\) et \(1\), les dérivées latérales sont différentes.

La fonction \(f\) n’est pas dérivable en \(-1\), en \(0\) ni en \(1\).
Ces trois points correspondent précisément aux changements de signe de \(x^3-x\), donc aux points où les deux expressions définissant la valeur absolue se raccordent.
Question 11 — Fonction définie par morceaux \[ f(x)= \begin{cases} \sqrt{x^2-4} & \text{si }x\gt2,\\[1mm] \sqrt{x^2-x} & \text{si }x\leq2. \end{cases} \]
Méthode. Le domaine doit être déterminé séparément pour chaque branche. Les règles usuelles donnent ensuite la dérivée sur les intervalles ouverts. Les points \(0\), \(1\) et surtout le raccordement en \(2\) doivent être étudiés séparément.
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Pour la deuxième expression, \(x^2-x\geq0\) si \(x\leq0\) ou \(x\geq1\). Ainsi :

\[ D_f=]-\infty;0]\cup[1;+\infty[. \]

Sur les intervalles ouverts du domaine :

\[ \boxed{ f'(x)= \begin{cases} \dfrac{2x-1}{2\sqrt{x^2-x}} & \text{si }x\in]-\infty;0[\cup]1;2[,\\[3mm] \dfrac{x}{\sqrt{x^2-4}} & \text{si }x\gt2. \end{cases} } \]

En \(0\), la dérivée à gauche est infinie ; en \(1\), la dérivée à droite est infinie.

Au point \(2\), il faut d’abord contrôler la continuité, car la dérivabilité implique nécessairement la continuité.

En outre :

\[ f(2)=\sqrt2 \]

mais :

\[ \lim_{x\to2^+}f(x)=0. \]
La fonction n’est pas continue, donc pas dérivable, en \(2\). Elle n’est pas dérivable non plus aux extrémités \(0\) et \(1\) au sens fini.
Question 12 — Fonction définie par morceaux en \(0\) \[ f(x)= \begin{cases} x\sin x & \text{si }x\geq0,\\ 1-\cos x & \text{si }x\lt0. \end{cases} \]
Méthode. Pour établir la dérivabilité au point de raccordement \(0\), on vérifie d’abord la continuité, puis on calcule séparément les nombres dérivés à droite et à gauche. Ils doivent exister et être égaux.
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On a \(f(0)=0\), et les deux expressions tendent vers \(0\) en \(0\). La fonction est donc continue en \(0\).

Pour \(x\gt0\) :

\[ f'(x)=\sin x+x\cos x. \]

Pour \(x\lt0\) :

\[ f'(x)=\sin x. \]

Il reste à comparer les deux nombres dérivés latéraux au point de raccordement.

Enfin :

\[ f'_d(0)=0 \qquad\text{et}\qquad f'_g(0)=0. \]
\[ \boxed{ f'(x)= \begin{cases} \sin x & \text{si }x\lt0,\\ 0 & \text{si }x=0,\\ \sin x+x\cos x & \text{si }x\gt0. \end{cases} } \]
Les deux nombres dérivés latéraux étant égaux à \(0\), les deux branches se raccordent avec la même pente au point \(0\).

Exercice 14 — Fonctions composées et puissances fractionnaires

Repère de cours — Racines, compositions et points où l’expression s’annule

Pour une fonction composée comportant une racine ou une puissance fractionnaire, la formule de dérivation s’applique sur les intervalles où ses conditions sont satisfaites. Si l’expression intérieure s’annule, le dénominateur de la formule peut devenir nul : il faut alors étudier le point directement à partir du quotient de dérivabilité. Cette vérification permet de distinguer une dérivée finie d’une tangente verticale.

Question 1 — Produit avec une racine cubique \[ f(x)=(x^2+3x)\sqrt[3]{2x}. \]
Méthode. Pour \(x\neq0\), on utilise la règle du produit et celle de la racine cubique composée. Au point \(0\), cette formule ne peut pas être utilisée directement : la définition permet de vérifier séparément la dérivabilité.
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La fonction est définie sur \(\mathbb R\). Pour \(x\neq0\), la règle du produit donne, après simplification :

\[ f'(x)=\frac{7x+12}{3}\sqrt[3]{2x}. \]

Il reste à traiter le point \(0\), où la dérivée usuelle de la racine cubique ne peut pas être appliquée directement.

En \(0\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}x=(x+3)\sqrt[3]{2x}\longrightarrow0. \]
\[ \boxed{ f'(x)=\frac{7x+12}{3}\sqrt[3]{2x} } \quad\text{pour tout }x\in\mathbb R. \]
Question 2 — Puissance d’une racine cubique \[ f(x)=\left(\sqrt[3]{x^2}-5\right)^7. \]
Méthode. Pour \(x\neq0\), la règle des fonctions composées s’applique. Le point \(0\) doit être contrôlé séparément, car le terme \(\sqrt[3]{x^2}\) y possède un comportement particulier.
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La fonction est définie sur \(\mathbb R\). Pour \(x\neq0\) :

\[ \boxed{ f'(x) = \frac{14x}{3(x^2)^{2/3}} \left(\sqrt[3]{x^2}-5\right)^6 }. \]

La formule précédente n’est pas définie en \(0\). On examine donc le quotient de dérivabilité à ce point.

En \(0\), le terme \(\sqrt[3]{x^2}=|x|^{2/3}\) n’est pas dérivable : les quotients de dérivabilité tendent vers des infinis de signes opposés.

La fonction \(f\) n’est pas dérivable en \(0\).
Question 3 — Racine cubique d’un trinôme \[ f(x)=\sqrt[3]{x^2+3x-4}. \]
Méthode. La racine cubique est définie pour tout réel, mais sa dérivée usuelle pose un problème lorsque son argument s’annule. On localise donc d’abord les zéros du trinôme.
Afficher la correctionMasquer la correction

La fonction est définie sur \(\mathbb R\). Pour \(x\notin\{-4;1\}\) :

\[ \boxed{ f'(x) = \frac{2x+3}{3\left(x^2+3x-4\right)^{2/3}} }. \]

Les points exclus de cette formule sont précisément ceux où le trinôme s’annule.

Le polynôme intérieur s’annule en \(-4\) et en \(1\), tandis que sa dérivée n’y est pas nulle.

La fonction n’est pas dérivable en \(-4\) ni en \(1\) ; sa courbe admet des tangentes verticales en ces deux points.
Question 4 — Racine carrée d’un quotient \[ f(x)=\sqrt{\frac{x^2+x}{x-1}}. \]
Méthode. La priorité est de déterminer le domaine en étudiant le signe du quotient placé sous la racine. La dérivée usuelle n’est applicable que lorsque ce quotient est strictement positif.
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L’étude du signe de \(\dfrac{x(x+1)}{x-1}\) donne :

\[ D_f=[-1;0]\cup]1;+\infty[. \]

Sur \(]-1;0[\cup]1;+\infty[\), posons \(u(x)=\dfrac{x^2+x}{x-1}\). On a :

\[ u'(x)=\frac{x^2-2x-1}{(x-1)^2}. \]

Donc :

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

Aux extrémités \(-1\) et \(0\), l’expression sous la racine s’annule. L’étude latérale est donc nécessaire.

En \(-1\), la dérivée à droite vaut \(+\infty\), et en \(0\), la dérivée à gauche vaut \(-\infty\).

La fonction n’est pas dérivable aux extrémités \(-1\) et \(0\) au sens fini.
Question 5 — Somme avec une racine cubique \[ f(x)=-x+\sqrt[3]{2x+1}. \]
Méthode. La fonction est définie sur tout \(\mathbb R\). La formule de dérivation de la racine cubique composée s’applique lorsque \(2x+1\neq0\). Le point \(x=-\dfrac12\) doit ensuite être étudié séparément.
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La fonction est définie sur \(\mathbb R\). Pour \(x\neq-\dfrac12\) :

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

Le seul point non couvert par cette formule est celui où l’expression intérieure de la racine s’annule.

En \(x=-\dfrac12\), le quotient de dérivabilité tend vers \(+\infty\) des deux côtés.

La fonction n’est pas dérivable en \(-\dfrac12\) ; sa courbe y admet une tangente verticale.
Question 6 — Racine cubique d’une puissance quatrième \[ f(x)=\sqrt[3]{(x-2)^4}. \]
Méthode. Pour \(x\neq2\), la dérivation donne une expression simple. Le point \(2\) doit néanmoins être vérifié directement, car l’expression intérieure y s’annule.
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On a \(f(x)=|x-2|^{4/3}\). Pour \(x\neq2\) :

\[ f'(x)=\frac43\sqrt[3]{x-2}. \]

La formule obtenue suggère une valeur nulle au point \(2\), mais la dérivabilité doit être établie à partir de la définition.

En \(2\) :

\[ \frac{f(x)-f(2)}{x-2} = \frac{|x-2|^{4/3}}{x-2} \longrightarrow0. \]
\[ \boxed{ f'(x)=\frac43\sqrt[3]{x-2} } \quad\text{pour tout }x\in\mathbb R. \]
Question 7 — Quotient comportant \(\sqrt{x}\) et \(\sqrt[3]x\) \[ f(x)=\frac{4\sqrt[3]{x}}{x\sqrt{x}+1}. \]
Méthode. La racine carrée impose \(x\geq0\). Pour \(x\gt0\), on utilise la formule du quotient. Au point \(0\), situé au bord du domaine, on revient à la définition de la dérivée à droite.
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Le domaine est \(D_f=[0;+\infty[\). Pour \(x\gt0\), on écrit :

\[ f(x)=\frac{4x^{1/3}}{x^{3/2}+1}. \]

La formule du quotient donne :

\[ \boxed{ f'(x) = \frac{4-14x^{3/2}} {3x^{2/3}(x^{3/2}+1)^2} }. \]

La formule n’est pas définie en \(0\). On étudie donc directement le quotient à droite.

En \(0\) :

\[ \frac{f(x)-f(0)}x = \frac4{x^{2/3}(x\sqrt{x}+1)} \longrightarrow+\infty. \]
La fonction n’est pas dérivable à droite en \(0\) au sens fini ; sa courbe admet une demi-tangente verticale à droite.
Question 8 — Produit avec une racine cubique d’un quotient \[ f(x)=x\sqrt[3]{\frac{x+2}{x-2}}. \]
Méthode. Le quotient intérieur doit être défini, ce qui exclut seulement \(2\). La formule de composition s’applique lorsque le quotient intérieur est non nul ; son zéro \(x=-2\) doit donc être étudié séparément.
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Le domaine est \(D_f=\mathbb R\setminus\{2\}\). Posons :

\[ u(x)=\frac{x+2}{x-2}, \qquad u'(x)=-\frac4{(x-2)^2}. \]

Pour \(x\notin\{-2;2\}\) :

\[ \boxed{ f'(x) = \sqrt[3]{\frac{x+2}{x-2}} - \frac{4x} {3(x-2)^2 \sqrt[3]{\left(\frac{x+2}{x-2}\right)^2}} }. \]

Au point \(-2\), la fonction elle-même reste définie, mais la formule de dérivation précédente ne l’est plus.

En \(x=-2\), le quotient de dérivabilité devient infini.

La fonction n’est pas dérivable en \(-2\) ; sa courbe y admet une tangente verticale.
Question 9 — Inverse d’une racine cubique \[ f(x)=\frac1{\sqrt[3]{x^2-2x}}. \]
Méthode. La racine cubique peut être calculée pour tout réel, mais elle se trouve ici au dénominateur. Son argument doit donc être non nul, ce qui détermine d’abord le domaine.
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Le dénominateur doit être non nul. Donc :

\[ D_f=\mathbb R\setminus\{0;2\}. \]

On écrit \(f(x)=(x^2-2x)^{-1/3}\). Ainsi :

\[ \boxed{ f'(x) = -\frac{2(x-1)} {3\left(x^2-2x\right)^{4/3}} }, \qquad x\in D_f. \]
Question 10 — Racine quatrième d’un quotient \[ f(x)=\sqrt[4]{\frac{x}{x^2+3}}. \]
Méthode. Comme \(x^2+3\) est toujours strictement positif, le signe du quotient dépend uniquement de \(x\). La racine quatrième impose donc \(x\geq0\). La formule de dérivation s’applique pour \(x\gt0\), puis le point \(0\) est étudié à droite.
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Comme \(x^2+3\gt0\), le domaine est :

\[ D_f=[0;+\infty[. \]

Pour \(x\gt0\), posons \(u(x)=\dfrac{x}{x^2+3}\). On a :

\[ u'(x)=\frac{3-x^2}{(x^2+3)^2}. \]

Donc :

\[ \boxed{ f'(x) = \frac{3-x^2} {4x^{3/4}(x^2+3)^{5/4}} }. \]

Le point \(0\) est une extrémité du domaine et la formule précédente y est indéfinie.

En \(0\), le quotient de dérivabilité à droite tend vers \(+\infty\).

La fonction n’est pas dérivable à droite en \(0\) au sens fini ; sa courbe admet une demi-tangente verticale à droite.

Exercice 15 — Dérivées de fonctions à puissances fractionnaires

Repère de cours — Puissances rationnelles

Une puissance fractionnaire doit être étudiée avec son domaine de définition. Lorsque l’exposant fait intervenir une racine paire, l’expression concernée doit être positive ou nulle. Les formules de dérivation sont ensuite utilisées sur les intervalles où les fonctions sont dérivables. Les points où une puissance fractionnaire s’annule peuvent exiger une étude spécifique du quotient de dérivabilité.

Question 1 — Puissance \(\dfrac32\) \[ f(x)=\left(x^{1/3}-x^{2/3}\right)^{3/2}. \]
Méthode. L’exposant \(\dfrac32\) impose que l’expression intérieure soit positive ou nulle. Le changement de variable \(t=\sqrt[3]{x}\) permet d’étudier simplement cette condition. Les deux extrémités du domaine sont ensuite étudiées séparément.
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Posons \(t=\sqrt[3]{x}\). L’expression intérieure vaut \(t-t^2=t(1-t)\), qui est positive ou nulle si et seulement si \(t\in[0;1]\). Donc :

\[ D_f=[0;1]. \]

Pour \(x\in]0;1[\) :

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

Il faut encore examiner les deux extrémités \(0\) et \(1\), car elles ne sont pas couvertes par la formule précédente.

En \(0\), la dérivée à droite est \(+\infty\). En \(1\), en posant \(t=\sqrt[3]{x}\), on obtient :

\[ \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = -\frac{t^{3/2}\sqrt{1-t}}{t^2+t+1} \longrightarrow0. \]
La fonction n’est pas dérivable à droite en \(0\) au sens fini, mais elle est dérivable à gauche en \(1\), avec : \[ \boxed{f'_g(1)=0}. \]
Question 2 — Somme de deux racines cubiques \[ g(x)=\sqrt[3]{x^4}+\sqrt[3]{x-1}. \]
Méthode. Les deux racines cubiques sont définies sur \(\mathbb R\). Le premier terme reste dérivable en \(0\), tandis que le second présente un point particulier lorsque \(x-1=0\).
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La fonction est définie sur \(\mathbb R\). Pour \(x\neq1\) :

\[ \boxed{ g'(x) = \frac43\sqrt[3]{x} + \frac1{3(x-1)^{2/3}} }. \]

Le premier terme \(\sqrt[3]{x^4}=|x|^{4/3}\) est dérivable en \(0\), avec dérivée nulle. En revanche, le second terme n’est pas dérivable en \(1\).

La fonction \(g\) est dérivable sur \(\mathbb R\setminus\{1\}\) et sa courbe admet une tangente verticale au point d’abscisse \(1\).
Question 3 — Puissance d’une valeur absolue \[ h(x)=|4x-2|^{5/3}. \]
Méthode. Le point où \(4x-2\) s’annule est \(x=\dfrac12\). On dérive d’abord de part et d’autre de ce point, puis on vérifie directement la dérivabilité au point de raccordement.
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La fonction est définie et dérivable sur \(\mathbb R\). Pour \(x\neq\dfrac12\) :

\[ h'(x) = \frac{20}{3}|4x-2|^{2/3}\operatorname{sgn}(4x-2). \]

Il reste à déterminer ce qui se passe exactement lorsque la valeur absolue s’annule.

En \(x=\dfrac12\), le quotient de dérivabilité tend vers \(0\).

\[ \boxed{ h'(x)= \begin{cases} -\dfrac{20}{3}(2-4x)^{2/3} & \text{si }x\lt\dfrac12,\\[2mm] 0 & \text{si }x=\dfrac12,\\[2mm] \dfrac{20}{3}(4x-2)^{2/3} & \text{si }x\gt\dfrac12. \end{cases} } \]
Contrairement à la fonction valeur absolue simple, la puissance \(\dfrac53\) rend ici le raccordement suffisamment régulier pour obtenir une dérivée nulle en \(x=\dfrac12\).
Question 4 — Différence de deux puissances fractionnaires \[ k(x)=x^{2/3}-\sqrt[4]{x^3+1}. \]
Méthode. La racine quatrième impose \(x^3+1\geq0\), ce qui détermine le domaine. À l’intérieur du domaine, les formules usuelles sont applicables sauf au point \(0\) pour le terme \(x^{2/3}\). Les points \(-1\) et \(0\) doivent donc être contrôlés séparément.
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La racine quatrième impose \(x^3+1\geq0\), donc :

\[ D_k=[-1;+\infty[. \]

Pour \(x\in]-1;0[\cup]0;+\infty[\) :

\[ \boxed{ k'(x) = \frac{2x}{3(x^2)^{2/3}} - \frac{3x^2}{4(x^3+1)^{3/4}} }. \]

Les points exclus de la formule correspondent précisément aux difficultés créées par les puissances fractionnaires.

En \(-1\), la dérivée à droite est infinie. En \(0\), le terme \(x^{2/3}=|x|^{2/3}\) possède des dérivées latérales infinies de signes opposés.

La fonction \(k\) n’est pas dérivable en \(-1\) ni en \(0\).

Exercice 16 — Dérivabilité de fonctions composées

Repère de cours — Dérivée d’une fonction composée

Si \(u\) est dérivable au point considéré et si la fonction extérieure est dérivable en \(u(x)\), alors la composée est dérivable et sa dérivée s’obtient en multipliant la dérivée de la fonction extérieure par celle de la fonction intérieure. Aux extrémités d’un domaine, cette règle doit être complétée par l’étude directe du quotient de dérivabilité latéral.

Question 1 — Fonction \(f(x)=\sin(x\sqrt{x})\)

Montrer que la fonction \(f\), définie sur \(\mathbb R_+^\ast\) par :

\[ f(x)=\sin(x\sqrt{x}), \]

est dérivable sur \(\mathbb R_+^\ast\), puis déterminer sa dérivée.

Méthode. Pour \(x\gt0\), la fonction \(x\mapsto x\sqrt{x}\) est dérivable et le sinus est dérivable sur tout \(\mathbb R\). Les conditions de la règle de composition sont donc satisfaites sur \(\mathbb R_+^\ast\).
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Pour \(x\gt0\), posons :

\[ u(x)=x\sqrt{x}=x^{3/2}. \]

Alors :

\[ u'(x)=\frac32\sqrt{x}. \]

Comme le sinus est dérivable sur \(\mathbb R\), on applique la règle de dérivation d’une fonction composée.

Par dérivation d’une fonction composée :

\[ \boxed{ f'(x)=\frac32\sqrt{x}\cos(x\sqrt{x}) }, \qquad x\gt0. \]
Question 2 — Fonction \(g(x)=\cos\sqrt{x^2-x}\)

Étudier la dérivabilité de la fonction \(g\) définie par :

\[ g(x)=\cos\left(\sqrt{x^2-x}\right) \]

sur son domaine de définition, puis déterminer sa dérivée.

Méthode. La condition \(x^2-x\geq0\) détermine d’abord le domaine. Sur les intervalles ouverts où \(x^2-x\gt0\), la règle de composition s’applique. Aux deux extrémités \(0\) et \(1\), la formule obtenue contient une division par zéro : il faut donc revenir au quotient de dérivabilité à gauche ou à droite.
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La condition \(x^2-x\geq0\) donne :

\[ D_g=]-\infty;0]\cup[1;+\infty[. \]

À l’intérieur de chacun des deux intervalles du domaine, l’expression sous la racine est strictement positive ; la composition peut donc être dérivée.

Pour \(x\in]-\infty;0[\cup]1;+\infty[\) :

\[ \boxed{ g'(x) = -\frac{(2x-1)\sin\left(\sqrt{x^2-x}\right)} {2\sqrt{x^2-x}} }. \]

Les points \(0\) et \(1\) appartiennent au domaine, mais ils ne sont pas couverts par cette formule. On utilise donc la définition latérale.

Étudions les extrémités du domaine. En \(0\) :

\[ \lim_{x\to0^-}\frac{g(x)-g(0)}x=\frac12. \]

De même, en \(1\) :

\[ \lim_{x\to1^+}\frac{g(x)-g(1)}{x-1}=-\frac12. \]
La fonction \(g\) est dérivable sur son domaine au sens adapté aux extrémités, avec : \[ \boxed{g'_g(0)=\frac12} \qquad\text{et}\qquad \boxed{g'_d(1)=-\frac12}. \]
La formule de dérivation par composition donne la dérivée sur les intervalles ouverts. Aux extrémités \(0\) et \(1\), seules les dérivées latérales correspondant au domaine ont un sens.
À retenir.

Le calcul d’une dérivée ne commence pas par l’application automatique d’une formule. Il faut d’abord reconnaître la structure de la fonction et déterminer son domaine de définition. Pour une somme, un produit ou un quotient de fonctions dérivables, les règles usuelles s’appliquent sur les intervalles où leurs conditions sont satisfaites. Pour une fonction composée, il faut également vérifier que la fonction intérieure prend ses valeurs dans un domaine où la fonction extérieure est dérivable.

Les racines et les puissances fractionnaires demandent une attention particulière aux points où leur argument s’annule. Lorsque la formule générale ne s’applique plus, le quotient de dérivabilité permet de décider si le nombre dérivé reste fini ou si la courbe possède une tangente ou une demi-tangente verticale. Enfin, l’approximation affine montre l’interprétation concrète du nombre dérivé : au voisinage d’un point, la fonction peut être approchée par sa tangente.

Correction rédigée par Professeur Hammou Boudraa — Parcours Maths Maroc (PMM)
Lycée Oum Erbiaâ — M’rirt

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