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Nombre dérivé et tangente

Dérivation

Nombre dérivé et tangente

Introduction — Le problème de la tangente

Comment mesurer la « vitesse de variation » d'une fonction en un point ? Comment tracer la tangente à une courbe ?

Ces deux questions fondamentales sont à l'origine du concept de dérivée, l'un des outils les plus puissants de l'analyse mathématique.


Taux de variation

Définition

Soit $f$ une fonction définie sur un intervalle $I$ et soient $a$ et $a+h$ deux points de $I$ (avec $h \neq 0$).

Le taux de variation de $f$ entre $a$ et $a+h$ est :

$$\tau(h) = \frac{f(a+h) - f(a)}{h}$$

Géométriquement, c'est la pente de la sécante passant par les points $A(a ; f(a))$ et $B(a+h ; f(a+h))$.


Nombre dérivé

Définition

Si le taux de variation $\frac{f(a+h)-f(a)}{h}$ admet une limite finie quand $h$ tend vers $0$, on dit que $f$ est dérivable en $a$ et on note cette limite :

$$f'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h) - f(a)}{h}$$

$f'(a)$ est le nombre dérivé de $f$ en $a$.

Interprétation géométrique

$f'(a)$ est la pente de la tangente à la courbe de $f$ au point $A(a ; f(a))$.

Quand $h \to 0$, la sécante « pivote » vers la tangente, et sa pente tend vers $f'(a)$.

Interprétation cinématique

Si $f(t)$ représente la position d'un mobile à l'instant $t$, alors $f'(t)$ est sa vitesse instantanée.


Équation de la tangente

L'équation de la tangente à la courbe de $f$ au point d'abscisse $a$ est :

$$\boxed{y = f'(a)(x - a) + f(a)}$$

C'est l'équation d'une droite de pente $f'(a)$ passant par le point $(a ; f(a))$.


Exemples de calcul du nombre dérivé

Exemple 1 : $f(x) = x^2$ en $a = 3$

$$\frac{f(3+h)-f(3)}{h} = \frac{(3+h)^2 - 9}{h} = \frac{9 + 6h + h^2 - 9}{h} = \frac{6h + h^2}{h} = 6 + h$$

Pour $h \to 0$ : $f'(3) = 6$.

La tangente en $(3 ; 9)$ a pour équation : $y = 6(x-3) + 9 = 6x - 9$.

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

$$\frac{f(2+h)-f(2)}{h} = \frac{\frac{1}{2+h} - \frac{1}{2}}{h} = \frac{2-(2+h)}{h \cdot 2(2+h)} = \frac{-1}{2(2+h)}$$

Pour $h \to 0$ : $f'(2) = -\frac{1}{4}$.

La tangente en $\left(2 ; \frac{1}{2}\right)$ a pour équation : $y = -\frac{1}{4}(x-2) + \frac{1}{2} = -\frac{1}{4}x + 1$.

Exemple 3 : $f(x) = \sqrt{x}$ en $a = 9$

$$\frac{f(9+h) - f(9)}{h} = \frac{\sqrt{9+h} - 3}{h}$$

On multiplie numérateur et dénominateur par la quantité conjuguée $\sqrt{9+h} + 3$ :

$$= \frac{(\sqrt{9+h} - 3)(\sqrt{9+h} + 3)}{h(\sqrt{9+h} + 3)} = \frac{(9+h) - 9}{h(\sqrt{9+h} + 3)} = \frac{1}{\sqrt{9+h} + 3}$$

Pour $h \to 0$ : $f'(9) = \frac{1}{3 + 3} = \frac{1}{6}$.

La tangente en $(9 ; 3)$ a pour équation : $y = \frac{1}{6}(x - 9) + 3 = \frac{1}{6}x + \frac{3}{2}$.


Méthode : déterminer l'équation d'une tangente

Pour trouver l'équation de la tangente à la courbe de $f$ au point d'abscisse $a$, on suit quatre étapes :

  1. Calculer $f(a)$ : c'est l'ordonnée du point de tangence.
  2. Calculer $f'(a)$ : soit par la définition (limite du taux de variation), soit à l'aide des formules de dérivation.
  3. Écrire l'équation : $y = f'(a)(x - a) + f(a)$.
  4. Simplifier en développant et réduisant.

Approximation affine

La tangente fournit une approximation affine de $f$ au voisinage de $a$ :

$$f(a + h) \approx f(a) + h \cdot f'(a) \quad \text{pour } h \text{ proche de } 0$$

Application : calculer une valeur approchée de $\sqrt{10}$.

On pose $f(x) = \sqrt{x}$, $a = 9$ et $h = 1$ :

$$\sqrt{10} \approx f(9) + 1 \times f'(9) = 3 + \frac{1}{6} \approx 3{,}167$$

La valeur exacte est $\sqrt{10} \approx 3{,}162$ : l'approximation est excellente.


Dérivabilité et continuité

Propriété : si $f$ est dérivable en $a$, alors $f$ est continue en $a$. La réciproque est fausse.

Contre-exemple : la fonction valeur absolue $f(x) = |x|$ est continue en $0$ mais pas dérivable en $0$ (la courbe présente un « angle »).

En effet, $\frac{|0+h| - |0|}{h} = \frac{|h|}{h}$ vaut $1$ si $h > 0$ et $-1$ si $h < 0$ : il n'y a pas de limite unique, donc pas de nombre dérivé.


Exercice résolu

Énoncé : soit $f(x) = x^2 - 4x + 3$.

  1. Déterminer l'équation de la tangente au point d'abscisse $x = 1$.
  2. En quel point la tangente à la courbe est-elle horizontale ?

Solution :

1. On calcule $f(1) = 1 - 4 + 3 = 0$.

Le taux de variation en $a = 1$ :

$$\frac{f(1+h) - f(1)}{h} = \frac{(1+h)^2 - 4(1+h) + 3}{h} = \frac{h^2 - 2h}{h} = h - 2$$

Donc $f'(1) = \lim_{h \to 0}(h - 2) = -2$.

Équation de la tangente : $y = -2(x - 1) + 0 = -2x + 2$.

2. Tangente horizontale $\Leftrightarrow f'(a) = 0$.

On montre que $f'(a) = 2a - 4$ (même méthode). Donc $2a - 4 = 0$, soit $a = 2$.

Le point est $(2 ; f(2)) = (2 ; -1)$. La tangente horizontale a pour équation $y = -1$.


À retenir

  • Le nombre dérivé $f'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h)-f(a)}{h}$ mesure la pente de la tangente.
  • L'équation de la tangente en $a$ est $y = f'(a)(x-a)+f(a)$.
  • L'approximation affine : $f(a+h) \approx f(a) + hf'(a)$ pour $h$ petit.
  • Dérivable $\Rightarrow$ continue, mais la réciproque est fausse.
  • Pour calculer un nombre dérivé : former le quotient, simplifier par $h$, puis faire tendre $h$ vers $0$.

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