درس Dérivation d'une fonction numérique — الأولى باك علوم تجريبية

درس «Dérivation d'une fonction numérique» لتلاميذ الأولى باك علوم تجريبية بالفرنسية والعربية: Nombre dérivé - Tangente - Demi-tangentes - Dérivées usuelles - Opérations - Variations - Extremums - Applications. Cours Dérivation d'une fonction numérique — 1ère année Bac sciences expérimentales.

📖 حل فـ MathsClick (الورقة بخط اليد، بالعربية والفرنسية)

Dérivabilité en un point — Nombre dérivé

Définition

Soit $f$ une fonction définie sur un intervalle ouvert $I$ contenant $a$.

$f$ est dérivable en $a$ si la limite suivante existe et est finie :

$\lim\limits_{x\to a}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}=\lim\limits_{h\to0}\dfrac{f(a+h)-f(a)}{h}=\ell$

Ce réel $\ell$ s’appelle le nombre dérivé de $f$ en $a$ et se note $f'(a)$.

Méthode

1. On écrit le taux de variation $T(x)=\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}$.

2. On le simplifie (factorisation, réduction au même dénominateur, conjugué).

3. On calcule sa limite quand $x\to a$ : si elle est finie, c’est $f'(a)$.

Exemple Polynôme

$f(x)=x^2$ en $a=3$ :

$\dfrac{f(x)-f(3)}{x-3}=\dfrac{x^2-9}{x-3}=\dfrac{(x-3)(x+3)}{x-3}=x+3$

$\lim\limits_{x\to3}(x+3)=6$, donc $f$ est dérivable en $3$ et $f'(3)=6$

Exemple Fonction inverse

$f(x)=\dfrac{1}{x}$ en $a=2$ :

$\dfrac{f(x)-f(2)}{x-2}=\dfrac{\dfrac{1}{x}-\dfrac{1}{2}}{x-2}=\dfrac{2-x}{2x(x-2)}$

$=-\dfrac{1}{2x}$

$\lim\limits_{x\to2}\left(-\dfrac{1}{2x}\right)=-\dfrac{1}{4}$ : $f'(2)=-\dfrac{1}{4}$

Exemple Avec une racine (conjugué)

$g(x)=\sqrt{x+1}$ en $a=3$ :

$\dfrac{g(x)-g(3)}{x-3}=\dfrac{\sqrt{x+1}-2}{x-3}=\dfrac{(x+1)-4}{(x-3)(\sqrt{x+1}+2)}$

$=\dfrac{1}{\sqrt{x+1}+2}$

$g'(3)=\dfrac{1}{4}$

Interprétation géométrique — Approximation affine

Propriété Tangente

Si $f$ est dérivable en $a$, la courbe $(C_f)$ admet au point $A(a;f(a))$ une tangente de coefficient directeur $f'(a)$, d’équation :

$(T):\ y=f'(a)(x-a)+f(a)$

Exemple

$f(x)=x^3-2x$ : tangente au point d’abscisse $1$.

$f(1)=1-2=-1$

$\dfrac{f(1+h)-f(1)}{h}=\dfrac{(1+h)^3-2(1+h)+1}{h}=\dfrac{h+3h^2+h^3}{h}$

$=1+3h+h^2$

$\lim\limits_{h\to0}(1+3h+h^2)=1$, donc $f'(1)=1$.

$(T):\ y=1\times(x-1)+(-1)$

$(T):\ y=x-2$

Propriété Approximation affine

Pour $h$ proche de $0$ : $f(a+h)\approx f(a)+h\,f'(a)$.

Exemple : $f(x)=\sqrt{x}$, $f(1)=1$ et $f'(1)=\dfrac{1}{2}$, donc $\sqrt{1+h}\approx1+\dfrac{h}{2}$.

$\sqrt{1{,}02}\approx1+\dfrac{0{,}02}{2}=1{,}01$

Dérivabilité à droite, à gauche — Demi-tangentes

Définition

  • $f$ est dérivable à droite en $a$ si $\lim\limits_{x\to a^+}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}=f'_d(a)$ existe et est finie ;
  • à gauche de même avec $x\to a^-$ : $f'_g(a)$.

$f$ est dérivable en $a\iff f'_d(a)=f'_g(a)$

Remarque Interprétation

  • $f'_d(a)\neq f'_g(a)$ : deux demi-tangentes différentes en $A$ (point anguleux) ;
  • taux de variation qui tend vers $\pm\infty$ : demi-tangente verticale en $A$ (vers le haut si $+\infty$ à droite).

Exemple Point anguleux

$f(x)=|x-1|$ en $1$ : $\dfrac{f(x)-f(1)}{x-1}=\dfrac{|x-1|}{x-1}$.

  • Si $x>1$ : il vaut $1$, donc $f'_d(1)=1$ ;
  • si $x<1$ : il vaut $-1$, donc $f'_g(1)=-1$.

$f'_d(1)\neq f'_g(1)$ : $f$ n’est pas dérivable en $1$ ; $(C_f)$ a un point anguleux en $A(1;0)$

Exemple Demi-tangente verticale

$g(x)=\sqrt{x}$ à droite en $0$ : $\dfrac{g(x)-g(0)}{x-0}=\dfrac{\sqrt{x}}{x}=\dfrac{1}{\sqrt{x}}$.

$\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{1}{\sqrt{x}}=+\infty$ (limite infinie).

$g$ n’est pas dérivable à droite en $0$ ; $(C_g)$ admet en $O$ une demi-tangente verticale dirigée vers le haut

Fonction dérivée — Dérivées usuelles

Définition

$f$ est dérivable sur un intervalle ouvert $I$ si elle est dérivable en tout point de $I$. La fonction $f':x\mapsto f'(x)$ est la fonction dérivée de $f$.

Propriété Dérivées usuelles

| $f(x)$ | $f'(x)$ | Intervalle |

| $k$ (constante) | $0$ | $\mathbb{R}$ |

| $x$ | $1$ | $\mathbb{R}$ |

| $x^n$ ($n\in\mathbb{N}^*$) | $nx^{n-1}$ | $\mathbb{R}$ |

| $\dfrac{1}{x}$ | $-\dfrac{1}{x^2}$ | $]-\infty;0[$ ou $]0;+\infty[$ |

| $\sqrt{x}$ | $\dfrac{1}{2\sqrt{x}}$ | $]0;+\infty[$ |

| $\sin x$ | $\cos x$ | $\mathbb{R}$ |

| $\cos x$ | $-\sin x$ | $\mathbb{R}$ |

Opérations sur les fonctions dérivables

Propriété

Si $u$ et $v$ sont dérivables sur $I$ (et $v$ ne s’annule pas sur $I$ pour les quotients) :

| Fonction | Dérivée |

| $u+v$ | $u'+v'$ |

| $ku$ | $ku'$ |

| $uv$ | $u'v+uv'$ |

| $\dfrac{1}{v}$ | $-\dfrac{v'}{v^2}$ |

| $\dfrac{u}{v}$ | $\dfrac{u'v-uv'}{v^2}$ |

| $u^n$ | $nu'u^{n-1}$ |

| $\sqrt{u}$ ($u>0$) | $\dfrac{u'}{2\sqrt{u}}$ |

| $x\mapsto f(ax+b)$ | $x\mapsto a\,f'(ax+b)$ |

>> Conséquences : un polynôme est dérivable sur $\mathbb{R}$ ; une fonction rationnelle est dérivable sur chaque intervalle de son ensemble de définition.

Méthode Calculer une dérivée

1. Dérivabilité : « $f$ est dérivable sur $I$ car … » (polynôme / quotient dont le dénominateur ne s’annule pas / $u>0$ et dérivable).

2. On reconnaît la forme ($uv$, $\dfrac{u}{v}$, $u^n$, $\sqrt{u}$…) et on applique la règle.

3. On calcule ligne après ligne et on simplifie.

Exemple Produit

$f(x)=(2x-1)(x^2+3)$ : $f$ est un polynôme, donc dérivable sur $\mathbb{R}$. Pour tout $x\in\mathbb{R}$ (forme $uv$) :

$f'(x)=2(x^2+3)+(2x-1)\times2x$

$=2x^2+6+4x^2-2x$

$f'(x)=6x^2-2x+6$

Exemple Quotient

$g(x)=\dfrac{x+1}{x-2}$ : $g$ est dérivable sur $]-\infty;2[$ et sur $]2;+\infty[$ car le dénominateur ne s’annule pas. Pour $x\neq2$ (forme $\dfrac{u}{v}$) :

$g'(x)=\dfrac{1\times(x-2)-(x+1)\times1}{(x-2)^2}$

$g'(x)=\dfrac{-3}{(x-2)^2}$

Exemple Puissance et racine

$h(x)=(3x^2-1)^4$ : polynôme, dérivable sur $\mathbb{R}$ ; forme $u^n$ avec $u=3x^2-1$ et $u'=6x$ :

$h'(x)=4\times6x\times(3x^2-1)^3=24x(3x^2-1)^3$

$k(x)=\sqrt{x^2+1}$ : $u=x^2+1>0$ et dérivable sur $\mathbb{R}$, donc $k$ est dérivable sur $\mathbb{R}$ (forme $\sqrt{u}$) :

$k'(x)=\dfrac{2x}{2\sqrt{x^2+1}}=\dfrac{x}{\sqrt{x^2+1}}$

Erreur fréquente

  • $(uv)'\neq u'v'$ et $\left(\dfrac{u}{v}\right)'\neq\dfrac{u'}{v'}$.
  • Oublier $u'$ dans $(u^n)'=nu'u^{n-1}$ et dans $(\sqrt{u})'$.

Dérivées des fonctions trigonométriques

Propriété

Pour $a\neq0$ et $b\in\mathbb{R}$, pour tout $x$ où les fonctions sont définies :

  • $(\sin(ax+b))'=a\cos(ax+b)$
  • $(\cos(ax+b))'=-a\sin(ax+b)$
  • $(\tan(ax+b))'=a(1+\tan^2(ax+b))$

Exemple

$f(x)=\sin2x+\cos^2x$, dérivable sur $\mathbb{R}$ ($\cos^2x=u^2$ avec $u=\cos x$) :

$f'(x)=2\cos2x+2\times(-\sin x)\times\cos x$

$f'(x)=2\cos2x-\sin2x$

$g(x)=x\cos x$ (forme $uv$) :

$g'(x)=\cos x-x\sin x$

Dérivée et sens de variation

Théorème

Soit $f$ dérivable sur un intervalle $I$ :

  • si $f'\geq0$ sur $I$ (et ne s’annule qu’en un nombre fini de points), $f$ est strictement croissante sur $I$ ;
  • si $f'\leq0$ sur $I$ (même condition), $f$ est strictement décroissante sur $I$ ;
  • si $f'=0$ sur $I$, $f$ est constante sur $I$.

Méthode Étudier les variations

1. Dérivabilité (et pourquoi), puis calcul de $f'(x)$ ligne après ligne.

2. On résout $f'(x)=0$ équivalence après équivalence.

3. On dresse le tableau de signes de $f'(x)$.

4. On en déduit le tableau de variations de $f$.

Exemple $f(x)=x^3-3x+1$

Dérivabilité : $f$ est un polynôme, donc dérivable sur $\mathbb{R}$. Pour tout $x\in\mathbb{R}$ :

$f'(x)=3x^2-3$

On résout $f'(x)=0$ :

$f'(x)=0\iff3x^2-3=0$

$\iff x^2=1$

$\iff x=-1$ ou $x=1$

Signe : $f'(x)=3(x-1)(x+1)$ est un trinôme de coefficient $3>0$ : positif à l’extérieur des racines.

$f(-1)=-1+3+1=3$ et $f(1)=1-3+1=-1$ ; $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=\lim\limits_{x\to\pm\infty}x^3=\pm\infty$.

Exemple $f(x)=\dfrac{x^2}{x-1}$

Dérivabilité : $f$ est dérivable sur $]-\infty;1[$ et sur $]1;+\infty[$ (dénominateur non nul). Pour $x\neq1$ :

$f'(x)=\dfrac{2x(x-1)-x^2\times1}{(x-1)^2}$

$=\dfrac{x^2-2x}{(x-1)^2}=\dfrac{x(x-2)}{(x-1)^2}$

$f'(x)=0\iff x(x-2)=0$

$\iff x=0$ ou $x=2$

$(x-1)^2>0$ : $f'(x)$ a le signe de $x(x-2)$. $f(0)=0$ et $f(2)=4$.

Extremums d’une fonction

Propriété

Soit $f$ dérivable sur un intervalle ouvert $I$ et $a\in I$ :

  • si $f$ admet un extremum relatif en $a$, alors $f'(a)=0$ ;
  • si $f'$ s’annule en $a$ en changeant de signe, alors $f(a)$ est un extremum relatif de $f$.

Remarque

[!] $f'(a)=0$ ne suffit pas : pour $f(x)=x^3$, $f'(0)=0$ mais $f'$ ne change pas de signe : pas d’extremum en $0$.

Exemple

Pour $f(x)=x^3-3x+1$ (VII) : $f'$ s’annule en $-1$ et en $1$ en changeant de signe.

$f(-1)=3$ est un maximum relatif et $f(1)=-1$ un minimum relatif

Applications : inégalités et optimisation

Méthode

  • Pour montrer $f(x)\geq g(x)$ sur $I$ : on étudie les variations de $h=f-g$ et on montre que son minimum est positif.
  • Optimisation : on exprime la grandeur en fonction d’une variable, puis on cherche son extremum.

Exemple Une inégalité

Montrer que $(\forall x\geq0)\ \sin x\leq x$. Soit $h(x)=x-\sin x$, dérivable sur $\mathbb{R}$ :

$h'(x)=1-\cos x\geq0$

donc $h$ est croissante sur $[0;+\infty[$ et $h(x)\geq h(0)=0$.

$(\forall x\geq0)\ \sin x\leq x$

Application Optimisation

Parmi les rectangles de périmètre $20$, lequel a la plus grande aire ?

Réponse

Côtés $x$ et $10-x$ avec $x\in]0;10[$ : aire $A(x)=x(10-x)=10x-x^2$.

$A'(x)=10-2x$

$A'(x)=0\iff x=5$

$A'(x)>0$ si $x<5$ et $A'(x)<0$ si $x>5$ : maximum en $5$.

Le carré de côté $5$, d’aire maximale $25$

À retenir

  • $f'(a)=\lim\limits_{x\to a}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}$ ; tangente : $y=f'(a)(x-a)+f(a)$.
  • Avant toute dérivée : « $f$ est dérivable sur $I$ car … ».
  • $(uv)'=u'v+uv'$ ; $\left(\dfrac{u}{v}\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2}$ ; $(u^n)'=nu'u^{n-1}$ ; $(\sqrt{u})'=\dfrac{u'}{2\sqrt{u}}$.
  • Variations : $f'(x)=0$, tableau de signes, tableau de variations ; extremum si $f'$ s’annule en changeant de signe.

النسخة العربية

قابلية الاشتقاق في نقطة — العدد المشتق

تعريف

لتكن $f$ دالة معرفة على مجال مفتوح $I$ يحتوي على $a$.

نقول إن $f$ قابلة للاشتقاق في $a$ إذا كانت النهاية التالية موجودة ومنتهية :

$\lim\limits_{x\to a}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}=\lim\limits_{h\to0}\dfrac{f(a+h)-f(a)}{h}=\ell$

يسمى العدد $\ell$ العدد المشتق للدالة $f$ في $a$ ونرمز له بـ $f'(a)$.

طريقة

1. نكتب معدل التغير $T(x)=\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}$.

2. نبسطه (تعميل، توحيد المقامات، المرافق).

3. نحسب نهايته عندما $x\to a$ : إذا كانت منتهية فهي $f'(a)$.

مثال حدودية

$f(x)=x^2$ في $a=3$ :

$\dfrac{f(x)-f(3)}{x-3}=\dfrac{x^2-9}{x-3}=\dfrac{(x-3)(x+3)}{x-3}=x+3$

$\lim\limits_{x\to3}(x+3)=6$، إذن $f$ قابلة للاشتقاق في $3$ و $f'(3)=6$

مثال دالة مقلوب

$f(x)=\dfrac{1}{x}$ في $a=2$ :

$\dfrac{f(x)-f(2)}{x-2}=\dfrac{\dfrac{1}{x}-\dfrac{1}{2}}{x-2}=\dfrac{2-x}{2x(x-2)}$

$=-\dfrac{1}{2x}$

$\lim\limits_{x\to2}\left(-\dfrac{1}{2x}\right)=-\dfrac{1}{4}$ : $f'(2)=-\dfrac{1}{4}$

مثال بجذر (المرافق)

$g(x)=\sqrt{x+1}$ في $a=3$ :

$\dfrac{g(x)-g(3)}{x-3}=\dfrac{\sqrt{x+1}-2}{x-3}=\dfrac{(x+1)-4}{(x-3)(\sqrt{x+1}+2)}$

$=\dfrac{1}{\sqrt{x+1}+2}$

$g'(3)=\dfrac{1}{4}$

التأويل الهندسي — التقريب التآلفي

خاصية المماس

إذا كانت $f$ قابلة للاشتقاق في $a$، فإن المنحنى $(C_f)$ يقبل في النقطة $A(a;f(a))$ مماساً معامله الموجه $f'(a)$ ومعادلته :

$(T):\ y=f'(a)(x-a)+f(a)$

مثال

$f(x)=x^3-2x$ : المماس في النقطة ذات الأفصول $1$.

$f(1)=1-2=-1$

$\dfrac{f(1+h)-f(1)}{h}=\dfrac{(1+h)^3-2(1+h)+1}{h}=\dfrac{h+3h^2+h^3}{h}$

$=1+3h+h^2$

$\lim\limits_{h\to0}(1+3h+h^2)=1$، إذن $f'(1)=1$.

$(T):\ y=1\times(x-1)+(-1)$

$(T):\ y=x-2$

خاصية التقريب التآلفي

من أجل $h$ قريب من $0$ : $f(a+h)\approx f(a)+h\,f'(a)$.

مثال : $f(x)=\sqrt{x}$، $f(1)=1$ و $f'(1)=\dfrac{1}{2}$، إذن $\sqrt{1+h}\approx1+\dfrac{h}{2}$.

$\sqrt{1{,}02}\approx1+\dfrac{0{,}02}{2}=1{,}01$

قابلية الاشتقاق على اليمين وعلى اليسار — نصفا المماس

تعريف

  • $f$ قابلة للاشتقاق على اليمين في $a$ إذا كانت $\lim\limits_{x\to a^+}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}=f'_d(a)$ موجودة ومنتهية ؛
  • على اليسار بنفس الطريقة مع $x\to a^-$ : $f'_g(a)$.

$f$ قابلة للاشتقاق في $a\iff f'_d(a)=f'_g(a)$

ملاحظة التأويل

  • $f'_d(a)\neq f'_g(a)$ : نصفا مماس مختلفان في $A$ (نقطة مزواة) ؛
  • معدل تغير يؤول إلى $\pm\infty$ : نصف مماس عمودي في $A$ (نحو الأعلى إذا كان $+\infty$ على اليمين).

مثال نقطة مزواة

$f(x)=|x-1|$ في $1$ : $\dfrac{f(x)-f(1)}{x-1}=\dfrac{|x-1|}{x-1}$.

  • إذا كان $x>1$ : يساوي $1$، إذن $f'_d(1)=1$ ؛
  • إذا كان $x<1$ : يساوي $-1$، إذن $f'_g(1)=-1$.

$f'_d(1)\neq f'_g(1)$ : $f$ غير قابلة للاشتقاق في $1$ ؛ للمنحنى $(C_f)$ نقطة مزواة في $A(1;0)$

مثال نصف مماس عمودي

$g(x)=\sqrt{x}$ على اليمين في $0$ : $\dfrac{g(x)-g(0)}{x-0}=\dfrac{\sqrt{x}}{x}=\dfrac{1}{\sqrt{x}}$.

$\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{1}{\sqrt{x}}=+\infty$ (نهاية لامنتهية).

$g$ غير قابلة للاشتقاق على اليمين في $0$ ؛ يقبل $(C_g)$ في $O$ نصف مماس عمودياً موجهاً نحو الأعلى

الدالة المشتقة — المشتقات الاعتيادية

تعريف

تكون $f$ قابلة للاشتقاق على مجال مفتوح $I$ إذا كانت قابلة للاشتقاق في كل نقطة من $I$. الدالة $f':x\mapsto f'(x)$ هي الدالة المشتقة للدالة $f$.

خاصية المشتقات الاعتيادية

| $f(x)$ | $f'(x)$ | المجال |

| $k$ (ثابتة) | $0$ | $\mathbb{R}$ |

| $x$ | $1$ | $\mathbb{R}$ |

| $x^n$ ($n\in\mathbb{N}^*$) | $nx^{n-1}$ | $\mathbb{R}$ |

| $\dfrac{1}{x}$ | $-\dfrac{1}{x^2}$ | $]-\infty;0[$ أو $]0;+\infty[$ |

| $\sqrt{x}$ | $\dfrac{1}{2\sqrt{x}}$ | $]0;+\infty[$ |

| $\sin x$ | $\cos x$ | $\mathbb{R}$ |

| $\cos x$ | $-\sin x$ | $\mathbb{R}$ |

العمليات على الدوال القابلة للاشتقاق

خاصية

إذا كانت $u$ و $v$ قابلتين للاشتقاق على $I$ (و $v$ لا تنعدم على $I$ بالنسبة للخوارج) :

| الدالة | المشتقة |

| $u+v$ | $u'+v'$ |

| $ku$ | $ku'$ |

| $uv$ | $u'v+uv'$ |

| $\dfrac{1}{v}$ | $-\dfrac{v'}{v^2}$ |

| $\dfrac{u}{v}$ | $\dfrac{u'v-uv'}{v^2}$ |

| $u^n$ | $nu'u^{n-1}$ |

| $\sqrt{u}$ ($u>0$) | $\dfrac{u'}{2\sqrt{u}}$ |

| $x\mapsto f(ax+b)$ | $x\mapsto a\,f'(ax+b)$ |

>> نتائج : كل دالة حدودية قابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$ ؛ والدالة الجذرية قابلة للاشتقاق على كل مجال ضمن مجموعة تعريفها.

طريقة حساب مشتقة

1. قابلية الاشتقاق : « $f$ قابلة للاشتقاق على $I$ لأن … » (حدودية / خارج مقامه لا ينعدم / $u>0$ وقابلة للاشتقاق).

2. نتعرف على الشكل ($uv$، $\dfrac{u}{v}$، $u^n$، $\sqrt{u}$…) ونطبق القاعدة.

3. نحسب سطراً تحت سطر ونبسط.

مثال جداء

$f(x)=(2x-1)(x^2+3)$ : $f$ حدودية، إذن قابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$. لكل $x\in\mathbb{R}$ (الشكل $uv$) :

$f'(x)=2(x^2+3)+(2x-1)\times2x$

$=2x^2+6+4x^2-2x$

$f'(x)=6x^2-2x+6$

مثال خارج

$g(x)=\dfrac{x+1}{x-2}$ : $g$ قابلة للاشتقاق على $]-\infty;2[$ وعلى $]2;+\infty[$ لأن المقام لا ينعدم. من أجل $x\neq2$ (الشكل $\dfrac{u}{v}$) :

$g'(x)=\dfrac{1\times(x-2)-(x+1)\times1}{(x-2)^2}$

$g'(x)=\dfrac{-3}{(x-2)^2}$

مثال قوة وجذر

$h(x)=(3x^2-1)^4$ : حدودية، قابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$ ؛ الشكل $u^n$ مع $u=3x^2-1$ و $u'=6x$ :

$h'(x)=4\times6x\times(3x^2-1)^3=24x(3x^2-1)^3$

$k(x)=\sqrt{x^2+1}$ : $u=x^2+1>0$ وقابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$، إذن $k$ قابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$ (الشكل $\sqrt{u}$) :

$k'(x)=\dfrac{2x}{2\sqrt{x^2+1}}=\dfrac{x}{\sqrt{x^2+1}}$

خطأ شائع

  • $(uv)'\neq u'v'$ و $\left(\dfrac{u}{v}\right)'\neq\dfrac{u'}{v'}$.
  • نسيان $u'$ في $(u^n)'=nu'u^{n-1}$ وفي $(\sqrt{u})'$.

مشتقات الدوال المثلثية

خاصية

من أجل $a\neq0$ و $b\in\mathbb{R}$، لكل $x$ حيث الدوال معرفة :

  • $(\sin(ax+b))'=a\cos(ax+b)$
  • $(\cos(ax+b))'=-a\sin(ax+b)$
  • $(\tan(ax+b))'=a(1+\tan^2(ax+b))$

مثال

$f(x)=\sin2x+\cos^2x$، قابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$ ($\cos^2x=u^2$ مع $u=\cos x$) :

$f'(x)=2\cos2x+2\times(-\sin x)\times\cos x$

$f'(x)=2\cos2x-\sin2x$

$g(x)=x\cos x$ (الشكل $uv$) :

$g'(x)=\cos x-x\sin x$

المشتقة ومنحى التغيرات

مبرهنة

لتكن $f$ قابلة للاشتقاق على مجال $I$ :

  • إذا كان $f'\geq0$ على $I$ (ولا تنعدم إلا في عدد منته من النقط)، فإن $f$ تزايدية قطعاً على $I$ ؛
  • إذا كان $f'\leq0$ على $I$ (بنفس الشرط)، فإن $f$ تناقصية قطعاً على $I$ ؛
  • إذا كان $f'=0$ على $I$، فإن $f$ ثابتة على $I$.

طريقة دراسة التغيرات

1. قابلية الاشتقاق (ولماذا)، ثم حساب $f'(x)$ سطراً تحت سطر.

2. نحل $f'(x)=0$ تكافؤاً بعد تكافؤ.

3. ننجز جدول إشارة $f'(x)$.

4. نستنتج جدول تغيرات $f$.

مثال $f(x)=x^3-3x+1$

قابلية الاشتقاق : $f$ حدودية، إذن قابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$. لكل $x\in\mathbb{R}$ :

$f'(x)=3x^2-3$

نحل $f'(x)=0$ :

$f'(x)=0\iff3x^2-3=0$

$\iff x^2=1$

$\iff x=-1$ أو $x=1$

الإشارة : $f'(x)=3(x-1)(x+1)$ ثلاثية حدود معاملها $3>0$ : موجبة خارج الجذرين.

$f(-1)=-1+3+1=3$ و $f(1)=1-3+1=-1$ ؛ $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=\lim\limits_{x\to\pm\infty}x^3=\pm\infty$.

مثال $f(x)=\dfrac{x^2}{x-1}$

قابلية الاشتقاق : $f$ قابلة للاشتقاق على $]-\infty;1[$ وعلى $]1;+\infty[$ (مقام غير منعدم). من أجل $x\neq1$ :

$f'(x)=\dfrac{2x(x-1)-x^2\times1}{(x-1)^2}$

$=\dfrac{x^2-2x}{(x-1)^2}=\dfrac{x(x-2)}{(x-1)^2}$

$f'(x)=0\iff x(x-2)=0$

$\iff x=0$ أو $x=2$

$(x-1)^2>0$ : $f'(x)$ لها إشارة $x(x-2)$. $f(0)=0$ و $f(2)=4$.

مطاريف دالة

خاصية

لتكن $f$ قابلة للاشتقاق على مجال مفتوح $I$ و $a\in I$ :

  • إذا قبلت $f$ مطرافاً نسبياً في $a$، فإن $f'(a)=0$ ؛
  • إذا انعدمت $f'$ في $a$ مع تغيير إشارتها، فإن $f(a)$ مطراف نسبي للدالة $f$.

ملاحظة

[!] $f'(a)=0$ غير كافٍ : بالنسبة لـ $f(x)=x^3$، $f'(0)=0$ لكن $f'$ لا تغير إشارتها : لا يوجد مطراف في $0$.

مثال

بالنسبة لـ $f(x)=x^3-3x+1$ (VII) : $f'$ تنعدم في $-1$ وفي $1$ مع تغيير إشارتها.

$f(-1)=3$ قيمة قصوى نسبية و $f(1)=-1$ قيمة دنيا نسبية

تطبيقات : المتفاوتات والاستمثال

طريقة

  • لإثبات $f(x)\geq g(x)$ على $I$ : ندرس تغيرات $h=f-g$ ونبين أن قيمتها الدنيا موجبة.
  • الاستمثال : نعبر عن المقدار بدلالة متغير واحد، ثم نبحث عن مطرافه.

مثال متفاوتة

بيّن أن $(\forall x\geq0)\ \sin x\leq x$. لتكن $h(x)=x-\sin x$، قابلة للاشتقاق على $\mathbb{R}$ :

$h'(x)=1-\cos x\geq0$

إذن $h$ تزايدية على $[0;+\infty[$ و $h(x)\geq h(0)=0$.

$(\forall x\geq0)\ \sin x\leq x$

تطبيق الاستمثال

من بين المستطيلات التي محيطها $20$، ما هو المستطيل الذي مساحته قصوى ؟

جواب

الضلعان $x$ و $10-x$ مع $x\in]0;10[$ : المساحة $A(x)=x(10-x)=10x-x^2$.

$A'(x)=10-2x$

$A'(x)=0\iff x=5$

$A'(x)>0$ إذا كان $x<5$ و $A'(x)<0$ إذا كان $x>5$ : قيمة قصوى في $5$.

المربع الذي ضلعه $5$، ومساحته القصوى $25$

للحفظ

  • $f'(a)=\lim\limits_{x\to a}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}$ ؛ المماس : $y=f'(a)(x-a)+f(a)$.
  • قبل كل مشتقة : « $f$ قابلة للاشتقاق على $I$ لأن … ».
  • $(uv)'=u'v+uv'$ ؛ $\left(\dfrac{u}{v}\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2}$ ؛ $(u^n)'=nu'u^{n-1}$ ؛ $(\sqrt{u})'=\dfrac{u'}{2\sqrt{u}}$.
  • التغيرات : $f'(x)=0$، جدول الإشارة، جدول التغيرات ؛ مطراف إذا انعدمت $f'$ مع تغيير إشارتها.

فنفس الدرس

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