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Étudier les variations d'une fonction avec sa dérivée

Niveau 6 · Première

Rappel éclair· On réveille ce que tu sais déjà avant d'attaquer.

Rappel des formules : quelle est la dérivée de f(x) = x³ ?

Le cours en entier

À relire à tout moment, y compris pendant les exercices.

Imagine que tu marches le long d'une courbe, de gauche à droite, comme sur un sentier de montagne. À chaque instant, la pente sous tes pieds te dit si tu montes ou si tu descends. Cette pente, c'est exactement le nombre dérivé. Voilà l'idée centrale de ce cours : le signe de f′ commande le sens de variation de f.

Le théorème s'énonce simplement. Si f′(x) > 0 sur un intervalle, alors f est strictement croissante sur cet intervalle : la pente est positive, ça monte. Si f′(x) < 0, alors f est strictement décroissante : ça descend. Et si f′ s'annule en changeant de signe, la fonction passe d'une montée à une descente (ou l'inverse) : c'est un sommet ou un creux, autrement dit un extremum local.

La méthode d'étude est toujours la même, en trois temps : calculer f′(x), étudier le signe de f′(x), puis dresser le tableau de variations. Le tableau rassemble tout : les intervalles de croissance et de décroissance, et les valeurs de f aux points où f′ change de signe.

Un point de vigilance pour finir : f′(a) = 0 ne suffit pas à garantir un extremum en a. Il faut que f′ change de signe. La fonction x³ en donne un exemple fameux : sa dérivée 3x² s'annule en 0, mais reste positive de part et d'autre, et la fonction continue de monter. Pas de sommet, juste un palier instantané.

L'exemple, pas à pas

Étudie les variations de f(x) = x² - 4x + 1 sur ℝ.

  1. f′(x) = 2x - 4

    Je dérive terme à terme : x² donne 2x, -4x donne -4, et la constante 1 disparaît.

  2. 2x - 4 = 0 ⟺ x = 2

    J'étudie le signe de f′ : elle s'annule en x = 2, est négative avant, positive après.

  3. f(2) = 4 - 8 + 1 = -3

    Je calcule la valeur de f au point de changement de signe : c'est le minimum.

  4. ↘ sur ]-∞ ; 2], ↗ sur [2 ; +∞[

    Je conclus avec le tableau : f décroît jusqu'à x = 2, atteint son minimum -3, puis croît.

Résultat : f est décroissante sur ]-∞ ; 2] et croissante sur [2 ; +∞[, avec un minimum de -3 atteint en x = 2.

Étudie les variations de f(x) = x³ - 3x sur ℝ.

  1. f′(x) = 3x² - 3 = 3(x² - 1)

    Je dérive puis je factorise pour lire le signe plus facilement : 3(x - 1)(x + 1).

  2. f′(x) = 0 ⟺ x = -1 ou x = 1

    La dérivée s'annule en -1 et en 1. Elle est positive à l'extérieur des racines, négative entre.

  3. f(-1) = -1 + 3 = 2

    En x = -1, f′ passe du positif au négatif : c'est un maximum local, de valeur 2.

  4. f(1) = 1 - 3 = -2

    En x = 1, f′ passe du négatif au positif : c'est un minimum local, de valeur -2. Le tableau se lit : montée, descente, montée.

Résultat : f croît sur ]-∞ ; -1], décroît sur [-1 ; 1], puis croît sur [1 ; +∞[. Maximum local 2 en x = -1, minimum local -2 en x = 1.