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# Exercices
## Exercice 1 : Définition formelle de la dérivée
En utilisant uniquement la définition formelle de la dérivée avec la limite, montrez que si $f(x) = x^3$, alors $f'(x) = 3x^2$.
$ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h} $
## Exercice 2 : Opérations sur les dérivées
Calculer la dérivée des fonctions suivantes :
1. $f(x) = 4x^3 - 7x^2 + 5x - 10$
2. $g(x) = x^2 e^x$
3. $h(x) = (x^2 + 1) \ln(x)$
4. $i(x) = \frac{\sin(x)}{x^2 + 1}$
5. $j(x) = \frac{e^{2x}}{x-1}$
6. $k(x) = \frac{x \ln(x)}{x+1}$
7. $l(x) = (3x^2 - x)^4$
8. $m(x) = \cos(x^3 - 2x)$
9. $n(x) = \sqrt{x^2 + e^x}$
10. $o(x)=\ln(\tan x)$
11. $p(x) = \frac{1}{(x^2+x+1)^4}$
12. $q(x) = \cos^3(4x)$
13. $r(x)=e^{\cos(x^2)}$
## Exercice 3 : Dérivation logarithmique
En utilisant la dérivation logarithmique, calculez la dérivée de :
a. $f(x) = (\sin x)^x$ pour $x \in ]0, \pi[$
b. $g(x) = \frac{(x^2+1)^2 e^{-3x}}{\sqrt{x+1}}$ pour $x > -1$
## Exercice 4 : Dérivation réciproque
Calculez la dérivée de la fonction $\text{arccosh}(x)$ pour $x > 1$ en utilisant la dérivée de la fonction réciproque de $\text{cosh}(x)$.
*Indice : $(\cosh(x))'=\sinh(x)$ et $\cosh^2(y)-\sinh^2(y)=1$
## Exercice 5 : Dérivée d'ordre supérieur
Calculez les dérivées première, seconde et troisième de $f(x) = x e^{-x}$.
## Exercice 6 : Formule de Leibniz
En utilisant la formule de Leibniz, calculez la dérivée seconde de $f(x) = (x^3+1)\cos x$.
## Exercice 7 : Équation de la tangente
Soit la fonction $f(x) = x^2 + 2x - 1$.
1. Calculez la dérivée $f'(x)$.
2. Déterminez l'équation de la droite tangente à la courbe de $f$ au point d'abscisse $x_0 = 1$.
## Exercice 8 : Tangentes horizontales
Soit la fonction $f(x) = x^3 - 3x^2 + 1$.
Déterminez les coordonnées des points de la courbe de $f$ où la tangente est horizontale.
*(Indice : Une tangente horizontale a une pente de 0)*.
## Exercice 9 : Problème d'application complet
Soit la fonction $f(x) = \sqrt{2x+1}$.
1. Déterminez le domaine de définition de $f$.
2. Calculez les limites de $f(x)$ à l'infini.
3. Etudiez l'existence d'une asymptote.
4. Calculez la dérivée $f'(x)$.
5. Déterminez l'équation de la tangente à la courbe de $f$ au point d'abscisse $x_0 = 4$.
6. En quel point la pente de la tangente à la courbe de $f$ vaut-elle $1/3$ ?
7. Etudier le signe de $f'(x)$ et tracer le tableau de variation de $f(x)$.
8. Tracer le graphe de la fonction $f(x)$.
# Solutions Détaillées
## Correction de l'exercice 1 :
On applique la définition pour $f(x) = x^3$.
$ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{(x+h)^3 - x^3}{h} $
On développe $(x+h)^3 = x^3 + 3x^2h + 3xh^2 + h^3$.
$ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{(x^3 + 3x^2h + 3xh^2 + h^3) - x^3}{h} $
$ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{3x^2h + 3xh^2 + h^3}{h} $
On factorise par $h$ au numérateur (puisque $h \neq 0$) :
$ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{h(3x^2 + 3xh + h^2)}{h} $
$ f'(x) = \lim_{h \to 0} (3x^2 + 3xh + h^2) $
Quand $h \to 0$, les termes $3xh$ et $h^2$ tendent vers 0.
$ f'(x) = 3x^2 $
## Correction de l'exercice 2 :
1. On utilise la linéarité de la dérivation et la formule $(x^n)' = nx^{n-1}$.
$f(x) = 4x^3 - 7x^2 + 5x - 10$
$f'(x) = 4 \cdot (3x^2) - 7 \cdot (2x) + 5 \cdot (1) - 0$
$f'(x) = 12x^2 - 14x + 5$
2. On pose $u(x) = x^2$ et $v(x) = e^x$. Alors $u'(x) = 2x$ et $v'(x) = e^x$.
On applique la formule $(uv)' = u'v + uv'$ :
$g'(x) = (2x)(e^x) + (x^2)(e^x)$
$g'(x) = e^x (2x + x^2)$
3. $h(x) = (x^2 + 1) \ln(x)$
$u(x) = x^2+1 \Rightarrow u'(x) = 2x$
$v(x) = \ln(x) \Rightarrow v'(x) = \frac{1}{x}$
$h'(x) = u'v + uv' = 2x \ln(x) + (x^2+1)\frac{1}{x} = 2x\ln(x)+x+\frac{1}{x}$
4. On pose $u(x) = \sin(x)$ et $v(x) = x^2 + 1$. Alors $u'(x) = \cos(x)$ et $v'(x) = 2x$.
On applique la formule $(\frac{u}{v})' = \frac{u'v - uv'}{v^2}$ :
$ i'(x) = \frac{\cos(x)(x^2 + 1) - \sin(x)(2x)}{(x^2 + 1)^2} $
$ i'(x) = \frac{(x^2+1)\cos(x) - 2x\sin(x)}{(x^2 + 1)^2} $
5. $j(x) = \frac{e^{2x}}{x-1}$ (Règle du quotient $\frac{u}{v}$)
$u(x) = e^{2x} \Rightarrow u'(x) = 2e^{2x}$ (Règle de la chaîne pour $e^{2x}$)
$v(x) = x-1 \Rightarrow v'(x) = 1$ $j'(x) = \frac{u'v - uv'}{v^2} = \frac{2e^{2x}(x-1) - e^{2x}(1)}{(x-1)^2} = \frac{e^{2x}(2x-2-1)}{(x-1)^2} = \frac{e^{2x}(2x-3)}{(x-1)^2}$
6. C'est un quotient $\frac{U}{V}$ où $U(x) = x \ln(x)$ et $V(x) = x+1$.
- Dérivons d'abord $U(x)$ avec la règle du produit :
$U'(x) = (x)'\ln(x) + x(\ln(x))' = 1 \cdot \ln(x) + x \cdot \frac{1}{x} = \ln(x) + 1$.
- Dérivons $V(x)$ : $V'(x) = 1$.
- Appliquons la règle du quotient $\frac{U'V - UV'}{V^2}$ : $ k'(x) = \frac{(\ln(x) + 1)(x+1) - (x \ln(x))(1)}{(x+1)^2} $$ k'(x) = \frac{x\ln(x) + \ln(x) + x + 1 - x\ln(x)}{(x+1)^2} $$ k'(x) = \frac{\ln(x) + x + 1}{(x+1)^2} $
7. On a une fonction de la forme $(u(x))^n$ avec $u(x) = 3x^2 - x$ et $n=4$.
La dérivée est $n(u(x))^{n-1} \cdot u'(x)$.
Ici, $u'(x) = 6x - 1$.
$ l'(x) = 4(3x^2 - x)^{4-1} \cdot (6x - 1) $
$ l'(x) = 4(6x-1)(3x^2 - x)^3 $
8. $m(x) = \cos(x^3 - 2x)$ (Règle de la chaîne $m(g(x))$)
Fonction extérieure $m(u) = \cos(u) \Rightarrow m'(u) = -\sin(u)$
Fonction intérieure $g(x) = x^3 - 2x \Rightarrow g'(x) = 3x^2 - 2$ $m'(x) = m'(g(x)) \cdot g'(x) = -\sin(x^3 - 2x) \cdot (3x^2 - 2) = -(3x^2 - 2)\sin(x^3 - 2x)$
9. $n(x) = \sqrt{x^2 + e^x}$ (Règle de la chaîne $\sqrt{u(x)}$)
Fonction intérieure $u(x) = x^2 + e^x \Rightarrow u'(x) = 2x + e^x$
$n'(x) = \frac{u'(x)}{2\sqrt{u(x)}} = \frac{2x + e^x}{2\sqrt{x^2 + e^x}}$
10. On reconnaît $o(x)=\ln(u(x))$ avec $u(x)=\tan x$.
Règle : $(\ln u)'=\dfrac{u'}{u}$.
On calcule $u'(x)$ : $u'(x)=(\tan x)'=\frac{1}{\cos^2 x}$.
Donc : $o'(x)=\frac{\frac{1}{cos^2 x}}{\tan x}.$ On peut simplifier en utilisant $\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x}$ :
$o'(x)=\frac{1/\cos^2 x}{\sin x/\cos x}=\frac{1}{\cos^2 x}\frac{\cos x}{\sin x}=\frac{1}{\sin x\cos x}.$
11. On réécrit : $p(x)=(x^2+x+1)^{-4}.$ Posons $u(x)=x^2+x+1$. Alors $p(x)=u(x)^{-4}$.
On dérive : $u'(x)=2x+1.$
Règle : $(u^n)' = n u^{n-1}u'$. Ici $n=-4$ : $p'(x)=-4u(x)^{-5}\,u'(x).$
Donc : $p'(x)=-4(x^2+x+1)^{-5}(2x+1)=-\frac{4(2x+1)}{(x^2+x+1)^5}.$
12. On écrit : $q(x)=(\cos(4x))^3.$ Posons $u(x)=\cos(4x)$, alors $q(x)=u(x)^3$.
Règle : $(u^3)'=3u^2u'$.
Calcul de $u'(x)$ : $u(x)=\cos(4x)$ est une composition $\cos(v(x))$ avec $v(x)=4x$.
$u'(x)=-(\sin(4x))\cdot (4x)'= -4\sin(4x).$
Donc : $q'(x)=3(\cos(4x))^2\cdot(-4\sin(4x))=-12\cos^2(4x)\sin(4x).$
13. La fonction est de la forme $e^{u(x)}$ avec $u(x) = \cos(x^2)$. La dérivée est $e^{u(x)} \cdot u'(x)$.
Calculons $u'(x)$. C'est la dérivée de $\cos(v(x))$ avec $v(x) = x^2$.
$u'(x) = -\sin(v(x)) \cdot v'(x) = -\sin(x^2) \cdot 2x = -2x\sin(x^2)$.
On assemble le tout :
$ r'(x) = e^{\cos(x^2)} \cdot (-2x\sin(x^2)) $
$ r'(x) = -2x \sin(x^2) e^{\cos(x^2)} $
## Correction de l'exercice 3
a. On pose : $y=(\sin x)^x.$
On prend le logarithme (possible car $\sin x>0$ sur $(0,\pi)$) :
$\ln y = \ln\left((\sin x)^x\right)=x\ln(\sin x).$
On dérive les deux membres :
$(\ln y)' = \left(x\ln(\sin x)\right)'.$À gauche : $(\ln y)'=\dfrac{y'}{y}$.
À droite : dérivée d’un produit $x\cdot \ln(\sin x)$ :
$\left(x\ln(\sin x)\right)' = 1\cdot \ln(\sin x) + x\cdot (\ln(\sin x))'.$
Or $(\ln(\sin x))'=\frac{(\sin x)'}{\sin x}=\frac{\cos x}{\sin x}$
Donc :
$\frac{y'}{y}=\ln(\sin x)+x\frac{\cos x}{\sin x}.$
On multiplie par $y$ :
$y' = y\left(\ln(\sin x)+x\frac{\cos x}{\sin x}\right).$
On remplace $y=(\sin x)^x$ :
$f'(x)=(\sin x)^x\left(\ln(\sin x)+x\frac{\cos x}{\sin x}\right).$
b. On pose $y=g(x)$ : $y=\frac{(x^2+1)^2e^{-3x}}{(x+1)^{1/2}}.$
On prend le logarithme :
$\ln y=\ln\left((x^2+1)^2\right)+\ln(e^{-3x})-\ln\left((x+1)^{1/2}\right).$
On simplifie avec les propriétés : $\ln\left((x^2+1)^2\right)=2\ln(x^2+1),\quad\ln(e^{-3x})=-3x,\quad\ln\left((x+1)^{1/2}\right)=\frac12\ln(x+1).$
Donc :
$\ln y=2\ln(x^2+1)-3x-\frac12\ln(x+1).$
On dérive :
$\frac{y'}{y}=2\cdot \frac{(x^2+1)'}{x^2+1}-3-\frac12\cdot\frac{1}{x+1}.$
Donc :
$\frac{y'}{y}=2\cdot\frac{2x}{x^2+1}-3-\frac{1}{2(x+1)}
=\frac{4x}{x^2+1}-3-\frac{1}{2(x+1)}.$
Alors : $ y'=y\left(\frac{4x}{x^2+1}-3-\frac{1}{2(x+1)}\right).$En remplaçant $y=g(x)$ :
$g'(x)=\frac{(x^2+1)^2e^{-3x}}{\sqrt{x+1}}
\left(\frac{4x}{x^2+1}-3-\frac{1}{2(x+1)}\right)$
## Correction de l'exercice 4
On souhaite calculer la dérivée de la fonction $\operatorname{arccosh}(x)$ pour $x>1$.
La fonction $\cosh$ est continue, strictement croissante sur $[0,+\infty[$ et dérivable. Sa fonction réciproque sur $[1,+\infty[$ est $\operatorname{arccosh}$.
D'après le théorème de la dérivée d'une fonction réciproque : $ \left(\cosh^{-1}\right)'(y) = \frac{1}{\cosh'\left(\cosh^{-1}(y)\right)}. $Comme $\cosh^{-1}=\operatorname{arccosh}$ et que $ \cosh'(x)=\sinh(x),$on obtient $\operatorname{arccosh}'(x) = \frac{1}{\sinh(\operatorname{arccosh}(x))}.$Posons $u=\operatorname{arccosh}(x).$Alors $ \cosh(u)=x.$En utilisant l'identité hyperbolique $ \cosh^2(u)-\sinh^2(u)=1,$on obtient $ \sinh^2(u)=\cosh^2(u)-1=x^2-1. $Comme $u\ge 0$ pour $x>1$, on a $ \sinh(u)=\sqrt{x^2-1}. $Ainsi, $ \operatorname{arccosh}'(x) = \frac{1}{\sqrt{x^2-1}}.$
## Correction de l'exercice 5
Produit $u=x$ et $v=e^{-x}$.
$u'=1,\qquad v'=-e^{-x}.$
Donc :
$f'(x)=u'v+uv'=1\cdot e^{-x}+x(-e^{-x})=e^{-x}(1-x).$
On dérive $f'(x)=e^{-x}(1-x)$ (encore un produit).
Posons $a=e^{-x}$ et $b=1-x$ :
$a'=-e^{-x},\qquad b'=-1.$Donc :
$f''(x)=a'b+ab'=(-e^{-x})(1-x)+e^{-x}(-1)=e^{-x}(x-2).$
On dérive $f''(x)=e^{-x}(x-2)$.
Produit $c=e^{-x}$, $d=x-2$ :
$c'=-e^{-x},\qquad d'=1.$
$f'''(x)=c'd+cd'=(-e^{-x})(x-2)+e^{-x}\cdot 1=e^{-x}(1-x+2)=e^{-x}(3-x).$
## Correction de l'exercice 6
On pose : $u(x)=x^3+1,\qquad v(x)=\cos x,\qquad f(x)=u(x)v(x).$
La formule de Leibniz (pour la dérivée seconde d’un produit) est :
$(uv)'' = u''v + 2u'v' + uv''.$
On calcule : $u'(x)=3x^2,\qquad u''(x)=6x.$ et $v'(x)=-\sin x,\qquad v''(x)=-\cos x.$
On applique :
$f''(x)=u''v + 2u'v' + uv''
=6x\cos x + 2(3x^2)(-\sin x) + (x^3+1)(-\cos x).$
Donc : $f''(x)=6x\cos x - 6x^2\sin x - (x^3+1)\cos x.$On peut regrouper les termes en $\cos x$ :
$f''(x)=\bigl(6x-(x^3+1)\bigr)\cos x - 6x^2\sin x
=(-x^3+6x-1)\cos x - 6x^2\sin x.$
## Correction de l'exerice 7
1. **Calcul de la dérivée :**
$f(x) = x^2 + 2x - 1 \implies f'(x) = 2x + 2$.
2. **Calcul des éléments au point $x_0 = 1$ :**
- Ordonnée du point : $f(1) = 1^2 + 2(1) - 1 = 2$. Le point est $(1, 2)$.
- Pente de la tangente : $f'(1) = 2(1) + 2 = 4$.
3. **Équation de la tangente :** On utilise la formule $y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)$.
$ y = 4(x - 1) + 2 $
$ y = 4x - 4 + 2 $
$ y = 4x - 2 $
## Correction de l'exercice 8
1. **Calcul de la dérivée :**
$f(x) = x^3 - 3x^2 + 1 \implies f'(x) = 3x^2 - 6x$.
2. **Recherche des points où la pente est nulle :**
On résout $f'(x) = 0$.
$ 3x^2 - 6x = 0 $
$ 3x(x - 2) = 0 $
Les solutions sont $x = 0$ et $x = 2$.
3. **Calcul des ordonnées :**
- Pour $x=0$, $f(0) = 0^3 - 3(0)^2 + 1 = 1$.
- Pour $x=2$, $f(2) = 2^3 - 3(2)^2 + 1 = 8 - 12 + 1 = -3$.
Les points où la tangente est horizontale sont **(0, 1)** et **(2, -3)**.
### Solution 10 : Problème d'application complet
1. **Domaine de définition :**
La fonction racine carrée est définie si son argument est positif ou nul.
$2x+1 \ge 0 \implies 2x \ge -1 \implies x \ge -1/2$.
Le domaine est **$[-1/2, +\infty[$**.
2. Lorsque $x \to +\infty$, $2x+1 \to +\infty$ et donc $\sqrt{2x+1}\to +\infty$. Ainsi $\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty$.
3. D'après la partie 2., on peut déduire que la fonction n'admet pas une asymptote horizontale en $+\infty$
On calcul $a$ pour vérifier si une asymptote $y=ax+b$ existe. $a= \lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}x=\lim_{x\to+\infty}\frac{\sqrt{2x+1}}x=\lim_{x\to+\infty}\frac{x\sqrt{\frac{2}{x}+\frac{1}{x^2}}}{x}=\lim_{x\to+\infty}\sqrt{\frac{2}{x}+\frac{1}{x^2}}=0.$ Il n'existe donc pas d'asymptote oblique.
4. **Calcul de la dérivée :**
C'est une fonction de la forme $\sqrt{u(x)}$ avec $u(x)=2x+1$. Sa dérivée est $\frac{u'(x)}{2\sqrt{u(x)}}$.
$u'(x) = 2$.
$ f'(x) = \frac{2}{2\sqrt{2x+1}} = \frac{1}{\sqrt{2x+1}} $
5. **Tangente en $x_0 = 4$ :**
- Point : $f(4) = \sqrt{2(4)+1} = \sqrt{9} = 3$. Le point est $(4, 3)$.
- Pente : $f'(4) = \frac{1}{\sqrt{2(4)+1}} = \frac{1}{\sqrt{9}} = \frac{1}{3}$.
- Équation : $y = \frac{1}{3}(x - 4) + 3 = \frac{1}{3}x - \frac{4}{3} + 3 = \frac{1}{3}x + \frac{5}{3}$.
L'équation est **$y = \frac{1}{3}x + \frac{5}{3}$**.
6. **Point où la pente vaut $1/3$ :**
On cherche $x$ tel que $f'(x) = 1/3$.
$ \frac{1}{\sqrt{2x+1}} = \frac{1}{3} $
$ \sqrt{2x+1} = 3 $
On met au carré : $2x+1 = 9 \implies 2x = 8 \implies x=4$.
Le point est celui que nous venons d'étudier : **$x=4$**.
7. La fonction racine carrée $\sqrt{2x+1}$ prend des valeurs positives $\forall x\geq-1/2$. Donc, $f'(x)>0\quad \forall x\in D_f$.
La fonction $f$ n'admet pas de points critiques car la dérivée ne s'annule pas.
| $x$ | $-\frac12$ | | $+\infty$ |
| ------- | ---------- | ---------- | --------- |
| $f'(x)$ | | $+$ | |
| $f(x)$ | $0$ | $\nearrow$ | $+\infty$ |
8. **Graphe de $f(x)$**
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# Historique
- Dernière MAJ: `17-juillet-2026`
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