درس Étude d'une fonction numérique — الثانية باك علوم فيزيائية

درس «Étude d'une fonction numérique» لتلاميذ الثانية باك علوم فيزيائية بالفرنسية والعربية: Branches infinies - Asymptotes - Branches paraboliques - Concavité - Points d’inflexion - Symétries - Plan d’étude - Résolution graphique. Cours Étude d'une fonction numérique — 2ème année Bac sciences…

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

Branches infinies

Définition

On dit que $(C_f)$ admet une branche infinie si l’une des coordonnées d’un point $M(x;f(x))$ de la courbe tend vers l’infini.

Asymptotes

Propriété

  • $\lim\limits_{x\to a^\pm}f(x)=\pm\infty$ : la droite $x=a$ est une asymptote verticale.
  • $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=b$ : la droite $y=b$ est une asymptote horizontale au voisinage de $\pm\infty$.
  • $\lim\limits_{x\to\pm\infty}\left[f(x)-(ax+b)\right]=0$ : la droite $y=ax+b$ est une asymptote oblique.

Méthode Chercher une asymptote oblique

Si $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=\pm\infty$ : on calcule $a=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f(x)}{x}$ ; si $a\in\mathbb{R}^*$, on calcule $b=\lim\limits_{x\to+\infty}\left[f(x)-ax\right]$ ; si $b\in\mathbb{R}$, $y=ax+b$ est asymptote.

>> Position relative : on étudie le signe de $f(x)-(ax+b)$ ; positif ⇒ $(C_f)$ au-dessus de l’asymptote.

Branches paraboliques

Propriété Si $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=\pm\infty$

| $\lim\dfrac{f(x)}{x}$ | $\lim\left[f(x)-ax\right]$ | Conclusion |

| $\pm\infty$ | — | branche parabolique de direction l’axe des ordonnées |

| $0$ | — | branche parabolique de direction l’axe des abscisses |

| $a\in\mathbb{R}^*$ | $b\in\mathbb{R}$ | asymptote oblique $y=ax+b$ |

| $a\in\mathbb{R}^*$ | $\pm\infty$ | branche parabolique de direction $y=ax$ |

Exemple

$f(x)=\sqrt{x}$ : $\lim\limits_{x\to+\infty}\sqrt{x}=+\infty$ et $\dfrac{\sqrt{x}}{x}=\dfrac{1}{\sqrt{x}}\to0$.

Branche parabolique de direction l’axe des abscisses

$g(x)=\dfrac{x^2}{8}$ : $\dfrac{g(x)}{x}=\dfrac{x}{8}\to+\infty$.

Branche parabolique de direction l’axe des ordonnées

Concavité et points d’inflexion

Définition

Soit $f$ deux fois dérivable sur un intervalle $I$ ; $f''$ est la dérivée seconde de $f$ (dérivée de $f'$).

  • $(C_f)$ est convexe sur $I$ si elle est au-dessus de toutes ses tangentes ; concave si elle est en dessous.
  • Un point d’inflexion est un point où la courbe traverse sa tangente (changement de concavité).

Théorème

  • Si $f''\geq0$ sur $I$, $(C_f)$ est convexe sur $I$ ; si $f''\leq0$, $(C_f)$ est concave.
  • Si $f''$ s’annule en $a$ en changeant de signe, le point $A(a;f(a))$ est un point d’inflexion.
  • Si $f'$ s’annule en $a$ sans changer de signe, $A(a;f(a))$ est un point d’inflexion (à tangente horizontale).

Exemple $f(x)=x^3+3x^2+1$

$f'(x)=3x^2+6x$ et $f''(x)=6x+6$ ; $f''(x)=0\iff x=-1$, avec changement de signe.

$f''<0$ sur $]-\infty;-1[$ : concave ; $f''>0$ sur $]-1;+\infty[$ : convexe ; $f(-1)=3$.

Tangente en $I$ : $f'(-1)=-3$, donc $(T)\ :\ y=-3(x+1)+3=-3x$ ; la courbe traverse $(T)$ en $I$.

$I(-1;3)$ est un point d’inflexion de $(C_f)$

Éléments de symétrie — Périodicité

Propriété

  • La droite $x=a$ est axe de symétrie de $(C_f)$ si : $(\forall x\in D_f)\ 2a-x\in D_f$ et $f(2a-x)=f(x)$.
  • $\Omega(a;b)$ est centre de symétrie de $(C_f)$ si : $(\forall x\in D_f)\ 2a-x\in D_f$ et $f(2a-x)+f(x)=2b$.
  • $f$ est périodique de période $T>0$ si : $(\forall x\in D_f)\ x\pm T\in D_f$ et $f(x+T)=f(x)$ ; on l’étudie sur un intervalle de longueur $T$.

>> Ces propriétés permettent de réduire le domaine d’étude.

Plan d’étude d’une fonction

Méthode

1. Ensemble de définition ; parité, périodicité éventuelles (réduction du domaine).

2. Limites aux bornes du domaine ; continuité ; branches infinies.

3. Dérivabilité (et pourquoi), calcul de $f'(x)$, résolution de $f'(x)=0$, signe, tableau de variations.

4. Dérivée seconde : concavité, points d’inflexion.

5. Points particuliers (intersections avec les axes), tangentes utiles, puis tracé.

Exemple Fonction rationnelle : $f(x)=\dfrac{x^2-x+1}{x-1}$

1. $D_f=\mathbb{R}-\{1\}$ ; on vérifie que $f(x)=x+\dfrac{1}{x-1}$.

2. En $1$ : « $\dfrac{1}{0}$ » : $\lim\limits_{x\to1^-}f(x)=-\infty$, $\lim\limits_{x\to1^+}f(x)=+\infty$ : asymptote $x=1$.

En $\pm\infty$ : $f(x)-x=\dfrac{1}{x-1}\to0$ : asymptote oblique $y=x$ ; $(C_f)$ au-dessus pour $x>1$, en dessous pour $x<1$.

3. Dérivable sur $D_f$ (rationnelle) : $f'(x)=1-\dfrac{1}{(x-1)^2}=\dfrac{x(x-2)}{(x-1)^2}$ ; $f'(x)=0\iff x=0$ ou $x=2$.

4. $f''(x)=\dfrac{2}{(x-1)^3}$ : concave sur $]-\infty;1[$, convexe sur $]1;+\infty[$ ; $\Omega(1;1)$ est centre de symétrie.

Exemple : fonction irrationnelle

Exemple $f(x)=x-2\sqrt{x}+1=(\sqrt{x}-1)^2$ sur $[0;+\infty[$

**Dérivabilité en $0$** : $\dfrac{f(x)-f(0)}{x}=1-\dfrac{2}{\sqrt{x}}\to-\infty$ : demi-tangente verticale en $A(0;1)$.

Sur $]0;+\infty[$ : $f'(x)=1-\dfrac{1}{\sqrt{x}}=\dfrac{\sqrt{x}-1}{\sqrt{x}}$ ; décroissante sur $[0;1]$, croissante sur $[1;+\infty[$ ; $f(1)=0$.

En $+\infty$ : $f(x)=\sqrt{x}(\sqrt{x}-2)+1\to+\infty$ ; $\dfrac{f(x)}{x}\to1$ ; $f(x)-x=1-2\sqrt{x}\to-\infty$.

Branche parabolique de direction la droite $y=x$

Utilisation de la courbe

Méthode Résolution graphique

  • Les solutions de $f(x)=m$ sont les abscisses des points d’intersection de $(C_f)$ et de la droite $y=m$.
  • Les solutions de $f(x)>g(x)$ sont les abscisses des points où $(C_f)$ est au-dessus de $(C_g)$.

Exemple

Avec $f(x)=\dfrac{x^2-x+1}{x-1}$ (IV) : nombre de solutions de $f(x)=m$ selon $m$.

  • $m<-1$ ou $m>3$ : deux solutions ; $m=-1$ ou $m=3$ : une solution ; $-1<m<3$ : aucune.

Erreur fréquente

  • Conclure à une asymptote oblique sans calculer $b$, ou sans vérifier que $b$ est fini.
  • Confondre $f'=0$ (extremum possible) et $f''=0$ (inflexion possible) : il faut un changement de signe.

À retenir

  • $\lim f=\pm\infty$ en $\pm\infty$ : on calcule $\lim\dfrac{f(x)}{x}$ puis $\lim\left[f(x)-ax\right]$.
  • Signe de $f''$ ⇒ concavité ; changement de signe de $f''$ ⇒ point d’inflexion.

النسخة العربية

الفروع اللانهائية

تعريف

نقول إن $(C_f)$ يقبل فرعاً لانهائياً إذا آلت إحدى إحداثيتي نقطة $M(x;f(x))$ من المنحنى إلى اللانهاية.

المقاربات

خاصية

  • $\lim\limits_{x\to a^\pm}f(x)=\pm\infty$ : المستقيم $x=a$ مقارب عمودي.
  • $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=b$ : المستقيم $y=b$ مقارب أفقي بجوار $\pm\infty$.
  • $\lim\limits_{x\to\pm\infty}\left[f(x)-(ax+b)\right]=0$ : المستقيم $y=ax+b$ مقارب مائل.

طريقة البحث عن مقارب مائل

إذا كان $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=\pm\infty$ : نحسب $a=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f(x)}{x}$ ؛ إذا كان $a\in\mathbb{R}^*$ نحسب $b=\lim\limits_{x\to+\infty}\left[f(x)-ax\right]$ ؛ وإذا كان $b\in\mathbb{R}$ فإن $y=ax+b$ مقارب.

>> الوضع النسبي : ندرس إشارة $f(x)-(ax+b)$ ؛ موجبة ⇐ $(C_f)$ فوق المقارب.

الفروع الشلجمية

خاصية إذا كان $\lim\limits_{x\to\pm\infty}f(x)=\pm\infty$

| $\lim\dfrac{f(x)}{x}$ | $\lim\left[f(x)-ax\right]$ | الاستنتاج |

| $\pm\infty$ | — | فرع شلجمي في اتجاه محور الأراتيب |

| $0$ | — | فرع شلجمي في اتجاه محور الأفاصيل |

| $a\in\mathbb{R}^*$ | $b\in\mathbb{R}$ | مقارب مائل $y=ax+b$ |

| $a\in\mathbb{R}^*$ | $\pm\infty$ | فرع شلجمي في اتجاه $y=ax$ |

مثال

$f(x)=\sqrt{x}$ : $\lim\limits_{x\to+\infty}\sqrt{x}=+\infty$ و $\dfrac{\sqrt{x}}{x}=\dfrac{1}{\sqrt{x}}\to0$.

فرع شلجمي في اتجاه محور الأفاصيل

$g(x)=\dfrac{x^2}{8}$ : $\dfrac{g(x)}{x}=\dfrac{x}{8}\to+\infty$.

فرع شلجمي في اتجاه محور الأراتيب

التقعر ونقط الانعطاف

تعريف

لتكن $f$ قابلة للاشتقاق مرتين على مجال $I$ ؛ $f''$ هي المشتقة الثانية للدالة $f$ (مشتقة $f'$).

  • يكون $(C_f)$ محدباً على $I$ إذا كان فوق جميع مماساته ؛ ومقعراً إذا كان تحتها.
  • نقطة الانعطاف نقطة يخترق فيها المنحنى مماسه (تغير التقعر).

مبرهنة

  • إذا كان $f''\geq0$ على $I$ فإن $(C_f)$ محدب على $I$ ؛ وإذا كان $f''\leq0$ فإن $(C_f)$ مقعر.
  • إذا انعدمت $f''$ في $a$ مع تغيير إشارتها، فإن النقطة $A(a;f(a))$ نقطة انعطاف.
  • إذا انعدمت $f'$ في $a$ دون تغيير إشارتها، فإن $A(a;f(a))$ نقطة انعطاف (مماسها أفقي).

مثال $f(x)=x^3+3x^2+1$

$f'(x)=3x^2+6x$ و $f''(x)=6x+6$ ؛ $f''(x)=0\iff x=-1$، مع تغيير الإشارة.

$f''<0$ على $]-\infty;-1[$ : مقعر ؛ $f''>0$ على $]-1;+\infty[$ : محدب ؛ $f(-1)=3$.

المماس في $I$ : $f'(-1)=-3$، إذن $(T)\ :\ y=-3(x+1)+3=-3x$ ؛ المنحنى يخترق $(T)$ في $I$.

$I(-1;3)$ نقطة انعطاف لـ $(C_f)$

عناصر التماثل — الدورية

خاصية

  • المستقيم $x=a$ محور تماثل لـ $(C_f)$ إذا كان : $(\forall x\in D_f)\ 2a-x\in D_f$ و $f(2a-x)=f(x)$.
  • $\Omega(a;b)$ مركز تماثل لـ $(C_f)$ إذا كان : $(\forall x\in D_f)\ 2a-x\in D_f$ و $f(2a-x)+f(x)=2b$.
  • تكون $f$ دورية دورها $T>0$ إذا كان : $(\forall x\in D_f)\ x\pm T\in D_f$ و $f(x+T)=f(x)$ ؛ وندرسها على مجال طوله $T$.

>> هذه الخاصيات تمكّن من تقليص مجال الدراسة.

خطوات دراسة دالة

طريقة

1. مجموعة التعريف ؛ الزوجية والدورية إن وجدتا (تقليص مجال الدراسة).

2. النهايات عند أطراف مجموعة التعريف ؛ الاتصال ؛ الفروع اللانهائية.

3. قابلية الاشتقاق (ولماذا)، حساب $f'(x)$، حل $f'(x)=0$، الإشارة، جدول التغيرات.

4. المشتقة الثانية : التقعر ونقط الانعطاف.

5. نقط خاصة (التقاطع مع المحورين)، مماسات مفيدة، ثم الإنشاء.

مثال دالة جذرية : $f(x)=\dfrac{x^2-x+1}{x-1}$

1. $D_f=\mathbb{R}-\{1\}$ ؛ نتحقق أن $f(x)=x+\dfrac{1}{x-1}$.

2. في $1$ : « $\dfrac{1}{0}$ » : $\lim\limits_{x\to1^-}f(x)=-\infty$ و $\lim\limits_{x\to1^+}f(x)=+\infty$ : مقارب $x=1$.

عند $\pm\infty$ : $f(x)-x=\dfrac{1}{x-1}\to0$ : مقارب مائل $y=x$ ؛ $(C_f)$ فوقه من أجل $x>1$ وتحته من أجل $x<1$.

3. قابلة للاشتقاق على $D_f$ (جذرية) : $f'(x)=1-\dfrac{1}{(x-1)^2}=\dfrac{x(x-2)}{(x-1)^2}$ ؛ $f'(x)=0\iff x=0$ أو $x=2$.

4. $f''(x)=\dfrac{2}{(x-1)^3}$ : مقعر على $]-\infty;1[$، محدب على $]1;+\infty[$ ؛ و $\Omega(1;1)$ مركز تماثل.

مثال : دالة لاجذرية

مثال $f(x)=x-2\sqrt{x}+1=(\sqrt{x}-1)^2$ على $[0;+\infty[$

**قابلية الاشتقاق في $0$** : $\dfrac{f(x)-f(0)}{x}=1-\dfrac{2}{\sqrt{x}}\to-\infty$ : نصف مماس عمودي في $A(0;1)$.

على $]0;+\infty[$ : $f'(x)=1-\dfrac{1}{\sqrt{x}}=\dfrac{\sqrt{x}-1}{\sqrt{x}}$ ؛ تناقصية على $[0;1]$، تزايدية على $[1;+\infty[$ ؛ $f(1)=0$.

عند $+\infty$ : $f(x)=\sqrt{x}(\sqrt{x}-2)+1\to+\infty$ ؛ $\dfrac{f(x)}{x}\to1$ ؛ $f(x)-x=1-2\sqrt{x}\to-\infty$.

فرع شلجمي في اتجاه المستقيم $y=x$

استعمال المنحنى

طريقة الحل المبياني

  • حلول المعادلة $f(x)=m$ هي أفاصيل نقط تقاطع $(C_f)$ والمستقيم $y=m$.
  • حلول المتراجحة $f(x)>g(x)$ هي أفاصيل النقط التي يكون فيها $(C_f)$ فوق $(C_g)$.

مثال

مع $f(x)=\dfrac{x^2-x+1}{x-1}$ (IV) : عدد حلول $f(x)=m$ حسب $m$.

  • $m<-1$ أو $m>3$ : حلان ؛ $m=-1$ أو $m=3$ : حل واحد ؛ $-1<m<3$ : لا حل.

خطأ شائع

  • استنتاج مقارب مائل دون حساب $b$، أو دون التحقق من أن $b$ منته.
  • الخلط بين $f'=0$ (مطراف محتمل) و $f''=0$ (انعطاف محتمل) : يجب تغيير الإشارة.

للحفظ

  • $\lim f=\pm\infty$ عند $\pm\infty$ : نحسب $\lim\dfrac{f(x)}{x}$ ثم $\lim\left[f(x)-ax\right]$.
  • إشارة $f''$ ⇐ التقعر ؛ تغير إشارة $f''$ ⇐ نقطة انعطاف.

فنفس الدرس

← كل الدروس والفروض ديال الثانية باك علوم فيزيائية