Cours – Fonctions réelles d’une variable réelle : dérivabilité, convexité

Chapitre 05

Auteur·rice

Saîd MAHARI

Date de publication

19 septembre 2026

ECT (1re année) — Chapitre 05. Dérivabilité, monotonie, extremum local, dérivées successives, convexité, points d’inflexion.

Ce chapitre a été réalisé conformément au programme marocain de mathématiques de la filière ECT.

1 Dérivabilité

1.1 Définition

Définition 1.1 — (Dérivabilité en un point)

f : I \to \mathbb{R} est dérivable en a \in I si la limite : f'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h) - f(a)}{h} existe et est finie.

Proposition 1.1 — (Dérivabilité implique continuité)

Si f est dérivable en a, alors f est continue en a.

La réciproque est fausse : f(x) = |x| est continue en 0 mais non dérivable en 0.

1.2 Opérations sur les fonctions dérivables

Proposition 1.2 — (Opérations)

Soient f et g dérivables en a. Alors :

  1. (f + g)'(a) = f'(a) + g'(a)
  2. (\lambda f)'(a) = \lambda f'(a)
  3. (fg)'(a) = f'(a)g(a) + f(a)g'(a)
  4. \left(\dfrac{f}{g}\right)'(a) = \dfrac{f'(a)g(a) - f(a)g'(a)}{(g(a))^2} si g(a) \neq 0
  5. (g \circ f)'(a) = g'(f(a)) \cdot f'(a) (règle de la chaîne)

Proposition 1.3 — (Dérivées des fonctions usuelles)

f(x) f'(x)
x^n nx^{n-1}
e^x e^x
\ln x \frac{1}{x}
\sin x \cos x
\cos x -\sin x
\tan x \frac{1}{\cos^2 x}

2 Monotonie et extremum local

2.1 Monotonie

Théorème 2.1 — (Lien entre dérivée et monotonie)

Soit f : I \to \mathbb{R} dérivable sur un intervalle I.

  1. f'(x) \geq 0 pour tout x \in I \iff f est croissante sur I.
  2. f'(x) \leq 0 pour tout x \in I \iff f est décroissante sur I.
  3. f'(x) = 0 pour tout x \in I \iff f est constante sur I.
  4. f'(x) > 0 pour tout x \in I \implies f est strictement croissante sur I.

2.2 Extremum local

Définition 2.1 — (Extremum local)

f admet un maximum local (resp. minimum local) en a s’il existe un voisinage V de a tel que f(x) \leq f(a) (resp. f(x) \geq f(a)) pour tout x \in V.

Théorème 2.2 — (Condition nécessaire)

Si f est dérivable en a et admet un extremum local en a (point intérieur), alors f'(a) = 0.

La réciproque est fausse : f(x) = x^3 vérifie f'(0) = 0 mais n’admet pas d’extremum en 0.

3 Dérivées successives et classes \mathcal{C}^k

Définition 3.1 — (Dérivées d’ordre supérieur)

Si f est dérivable sur I, on note f' sa dérivée. Si f' est dérivable, on note f'' = (f')' la dérivée seconde. Par récurrence, on définit f^{(n)} = (f^{(n-1)})'.

Définition 3.2 — (Classes \boldsymbol{\mathcal{C}^k})

f est de classe \mathcal{C}^k sur I si f est k fois dérivable et f^{(k)} est continue sur I. f est de classe \mathcal{C}^\infty si elle est indéfiniment dérivable.

4 Convexité

4.1 Définition

Définition 4.1 — (Fonction convexe)

f : I \to \mathbb{R} est convexe sur I si pour tous x, y \in I et tout \lambda \in [0,1] : f(\lambda x + (1-\lambda)y) \leq \lambda f(x) + (1-\lambda)f(y)

f est concave si -f est convexe.

4.2 Caractérisation par la dérivée seconde

Théorème 4.1 — (Critère de convexité)

Soit f : I \to \mathbb{R} de classe \mathcal{C}^2 sur I. Alors :

  • f est convexe sur I \iff f''(x) \geq 0 pour tout x \in I.
  • f est concave sur I \iff f''(x) \leq 0 pour tout x \in I.

4.3 Points d’inflexion

Définition 4.2 — (Point d’inflexion)

Un point a est un point d’inflexion de f si la courbe de f traverse sa tangente en a. Si f est de classe \mathcal{C}^2, alors f''(a) = 0 et f'' change de signe en a.

Exemple 4.1

f(x) = x^3 admet un point d’inflexion en 0 car f''(x) = 6x s’annule en 0 en changeant de signe.

5 Exercices

Exercice 5.1

Calculer les dérivées des fonctions suivantes :

  1. f(x) = x^3 e^x
  2. f(x) = \frac{\ln x}{x}
  3. f(x) = \sin(x^2)
  4. f(x) = e^{\cos x}

Exercice 5.2

Étudier les variations de f(x) = x^2 e^{-x} sur \mathbb{R}.

Exercice 5.3

Soit f(x) = x^3 - 3x + 1.

  1. Étudier les variations de f.
  2. Déterminer les extremums locaux.
  3. Montrer que f admet trois racines réelles.

Exercice 5.4

Montrer que f(x) = e^x est convexe sur \mathbb{R} et que g(x) = \ln x est concave sur ]0, +\infty[.

Exercice 5.5

Soit f(x) = x^3 - 3x^2 + 2. Déterminer les points d’inflexion de f.

Exercice 5.6

Montrer que pour tout x \in \mathbb{R} : e^x \geq 1 + x.

Indication : Étudier g(x) = e^x - 1 - x et montrer que g admet un minimum en 0.

Exercice 5.7

Soit f : [a,b] \to \mathbb{R} dérivable avec f'(a) < 0 et f'(b) > 0. Montrer que f admet un minimum local en un point c \in ]a,b[.

Exercice 5.8

Soit f : \mathbb{R} \to \mathbb{R} de classe \mathcal{C}^2 avec f''(x) \geq 0 pour tout x. Montrer que f(x) \geq f(a) + f'(a)(x-a) pour tout x (la tangente est en dessous de la courbe).

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📝 Chapitre 05 : Fonctions réelles d’une variable réelle : dérivabilité, convexité

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