Université · Section Mathématiques

Dérivées

Taux de variation · Tangentes · Optimisation · Analyse locale des fonctions

01

Définition par la limite

La dérivée d’une fonction f en un point a est la limite du taux d’accroissement quand l’accroissement tend vers 0. Géométriquement, c’est la pente de la tangente à la courbe en ce point.

Définition fondamentale
f′(a) = limh→0 f(a+h) − f(a)h
Glissez pour déplacer le point de tangence

📊 Sens géométrique

f′(a) est la pente de la droite tangente à la courbe y=f(x) au point (a, f(a)). Équation de la tangente : y = f(a) + f′(a)(x − a)

⏱️ Sens physique

Si f(t) est une position, f′(t) est la vitesse instantanée. Si f(t) est une vitesse, f′(t) est l’accélération. La dérivée = taux de variation instantané.

⚖️ Sens économique

La dérivée d’un coût total C(q) est le coût marginal : coût de production d’une unité supplémentaire. Fondamental en microéconomie.

Une fonction est dite dérivable en a si la limite ci-dessus existe et est finie. Elle est dérivable sur un intervalle si elle l’est en chaque point. Toute fonction dérivable est continue, mais la réciproque est fausse (ex. : |x| en 0).

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Notations historiques

f′(x)
Lagrange (1797)

Notation prime. La plus utilisée en cours. f″(x) pour la dérivée seconde, f(n)(x) pour l’ordre n.

dy/dx
Leibniz (1675)

Notation fractionnaire. Intuitive (dy infiniment petit / dx infiniment petit). Commode pour la règle de la chaîne : dz/dx = dz/dy · dy/dx.

ẋ
Newton (1666)

Point au-dessus (dot notation). Réservée aux dérivées par rapport au temps en physique : ẋ = vitesse, ẋ̇ = accélération.

Df(x)
Arbogast, Cauchy

Notation opérateur. D est l’opérateur de dérivation. Dnf = dérivée n-ième. Commode pour les développements opératoriels.

∂f/∂x
Legendre, Jacobi

Dérivée partielle (signe ∂ rond). Utilisée pour les fonctions de plusieurs variables : on dérive par rapport à x en fixant les autres variables.

δf/δx
Variation

Différentielle : df = f′(x) dx. La différentielle est l’application linéaire approximant f au voisinage de x. Fondamentale en géométrie différentielle.

03

Formules de dérivation

Fonctions algébriques
c0c constante
xnn xn−1n quelconque
1/x−1/x2x ≠ 0
√x1/(2√x)x > 0
x1/n(1/n) x1/n−1x > 0
|x|x/|x|x ≠ 0
Exponentielle & logarithme
exex—
axax ln aa > 0
eg(x)g′(x) eg(x)ch. variable
ln x1/xx > 0
loga x1/(x ln a)x,a > 0
ln|x|1/xx ≠ 0
ln g(x)g′(x)/g(x)g(x) > 0
Fonctions trigonométriques
sin xcos x—
cos x−sin x—
tan x1/cos2xcos x≠0
cot x−1/sin2xsin x≠0
sin2xsin 2x—
cos2x−sin 2x—
Fonctions réciproques
arcsin x1/√(1−x2)|x|<1
arccos x−1/√(1−x2)|x|<1
arctan x1/(1+x2)—
arccot x−1/(1+x2)—
sh xch xhyperbolique
ch xsh xhyperbolique
th x1/ch2xhyperbolique
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Règles de calcul

Linéarité
(αf + βg)′ = αf′ + βg′

La dérivation est linéaire : on peut dériver terme à terme. Ex. : (3x2 + 5x)′ = 6x + 5.

Règle du produit (Leibniz)
(fg)′ = f′g + fg′

Ex. : (x2 sin x)′ = 2x sin x + x2 cos x. Généralisée : (fgh)′ = f′gh + fg′h + fgh′.

Règle du quotient
(f/g)′ = (f′g − fg′) / g2

Ex. : (sin x / x)′ = (x cos x − sin x) / x2. Moyen mnémotechnique : « bas haut prime − haut bas prime sur bas carré ».

Règle de la chaîne (composition)
(fˆg)′(x) = f′(g(x)) · g′(x)

Ex. : (sin(x2))′ = cos(x2) · 2x. En notation Leibniz : dz/dx = dz/dy · dy/dx.

Dérivation des fonctions composées
[f(g(x))]′ = f′(g(x)) ċ g′(x)

Cas fréquents :
(eg(x))′ = g′(x) eg(x)
(ln g(x))′ = g′(x)/g(x)
([g(x)]n)′ = n g′(x) [g(x)]n−1

Dérivation de la fonction réciproque
(f−1)′(y) = 1 / f′(f−1(y))

Ex. : arcsin′(x) = 1/cos(arcsin x) = 1/√(1−x2). Justifie toutes les formules des fonctions réciproques.

Dérivation logarithmique
(ln f)′ = f′/f

Très utile pour les produits et puissances complexes. Ex. : y = xx → ln y = x ln x → y′/y = ln x+1 → y′ = xx(1+ln x).

Dérivation implicite
d/dx [F(x,y)] = 0 → dy/dx

Pour les courbes définies implicitement. Ex. : x2+y2=1 → 2x+2y·y′=0 → y′=−x/y.

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Dérivées d’ordre supérieur

La dérivée seconde f″(x) = (f′)′(x) mesure la concavité de la courbe : la variation du taux de variation. Elle est fondamentale pour l’étude de la courbure et l’optimisation.

Concavité

f″(x) > 0courbe convexe (concave vers le haut ∩) — tangente en dessous
f″(x) < 0courbe concave (concave vers le bas ∨) — tangente au-dessus
f″(x) = 0possible point d’inflexion (si changement de signe)

Formule de Leibniz

La dérivée n-ième d’un produit fg :

(fg)(n) = ∑k=0n C(n,k) f(k) g(n−k)

Analogue du binôme de Newton. Très utile pour calculer des dérivées d’ordre élevé de produits.

Dérivées n-ièmes usuelles

(xn)(k)= n!/(n−k)! xn−k si k≤n, sinon 0
(ex)(n)= ex
(sin x)(n)= sin(x + nπ/2)
(cos x)(n)= cos(x + nπ/2)
(ln x)(n)= (−1)n−1 (n−1)! / xn
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Applications des dérivées

📈 Croissance et décroissance

f′(x) > 0 sur I ⇒ f croissante sur I.
f′(x) < 0 sur I ⇒ f décroissante sur I.
f′(x) = 0 en x0 ⇒ x0 est un point critique (extrémum ou inflexion).

🎯 Extrema locaux

Condition nécessaire (Fermat) : si f admet un extrémum en a et est dérivable, alors f′(a)=0.
Test de la dérivée seconde : si f′(a)=0 et f″(a)>0 → minimum local. Si f″(a)<0 → maximum local.

📏 Points d’inflexion

En x0 point d’inflexion si f″ change de signe en x0. La courbe traverse sa tangente. Ex. : f(x)=x3 a un inflexion en 0 (f″(x)=6x change de signe).

𝓃 Newton-Raphson

Algorithme itératif pour trouver les zéros d’une fonction : xn+1 = xn − f(xn)/f′(xn). Converge quadratiquement près d’une racine simple. Utilisé dans les calculatrices et logiciels.

⟳ Règle de L’Hôpital

Pour les formes indéterminées 0/0 ou ∞/∞ :
lim f/g = lim f′/g′
Ex. : limx→0 sin x/x = limx→0 cos x/1 = 1.

🧮 Approximations linéaires

Au voisinage de a : f(x) ≈ f(a) + f′(a)(x−a).
Ex. : √(1+ε) ≈ 1 + ε/2 pour ε petit. Utilisé en physique et ingénierie pour linéariser les systèmes.

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Dérivées partielles

Pour une fonction de plusieurs variables f(x,y,z…), la dérivée partielle par rapport à x est la dérivée de f par rapport à x quand toutes les autres variables sont maintenues constantes.

Définition
∂f/∂x (a,b) = limh→0 [f(a+h, b) − f(a,b)] / h

Gradient

∇f = (∂f/∂x, ∂f/∂y, ∂f/∂z)

Vecteur dont les composantes sont les dérivées partielles. Il pointe dans la direction de plus grande pente et est perpendiculaire aux courbes de niveau.

Matrice jacobienne

J = (∂fi/∂xj)

Matrice des dérivées partielles d’une application vectorielle. Généralise la dérivée aux applications f : ℜn → ℜm.

Laplacien

Δf = ∂2f/∂x2 + ∂2f/∂y2 + ∂2f/∂z2

Somme des dérivées partielles secondes. Central en physique : équation de la chaleur ∂T/∂t = kΔT, équation de Laplace Δf=0.

Théorème de Schwarz

∂2f/∂x∂y = ∂2f/∂y∂x

Si les dérivées partielles d’ordre 2 sont continues, l’ordre de dérivation n’importe pas. Simplifie énormément les calculs.

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Optimisation

L’optimisation utilise les dérivées pour trouver les valeurs qui minimisent ou maximisent une quantité. C’est l’une des applications les plus importantes en mathématiques appliquées.

1

Identifier la fonction à optimiser

Exprimer la quantité à minimiser/maximiser comme fonction d’une ou plusieurs variables. Identifier le domaine de définition et les contraintes.

2

Trouver les points critiques

Résoudre f′(x) = 0 (une variable) ou ∇f = 0 (plusieurs variables). Ce sont les candidats à l’extrémum.

3

Tester la nature

Utiliser f″ ou la matrice hessienne (H = (∂2f/∂xi∂xj)). H définie positive → minimum. Définie négative → maximum.

4

Vérifier les bornes et contraintes

Comparer avec les valeurs aux bornes du domaine. Pour les contraintes : multiplicateurs de Lagrange ∇f = λ∇g (optimisation sous contrainte g(x)=0).

Exemples classiques

Boite à volume maximal : Parmi les boites sans couvercle de périmètre fixé, trouver celle de volume maximal. Dériver V(x) et résoudre V′=0.
Chemin le plus court : Principe de Fermat en optique (réfraction de la lumière). Le chemin parcouru minimise le temps → loi de Snell-Descartes par dérivation.
Profit marginal : Maximiser le profit π(q) = R(q) − C(q). Condition d’optimum π′=0, soit R′=C′ (recette marginale = coût marginal).
Machine learning : La descente de gradient — x ← x − α ∇f(x) — minimise la fonction de perte en suivant la dérivée dans le sens opposé.