Calculs de dérivées et de différentielles : Mise en pratique - Exercice 1

1 h
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Savoir calculer une fonction dérivée est ESSENTIEL{\color{red}{\textbf{ESSENTIEL}}}. Cette compétence est utile dans toutes les disciplines scientifiques.
Pour chacune des fonction ff qui vous seront proposées, déterminer la fonction dérivée f′f', puis sa différentielle dfdf.
Question 1

Soit x∈R⟼f(x)=cos⁡(1+x2)x \in \mathbb{R} \longmapsto f(x) = \cos\left( \sqrt{1+x^2} \right).

Correction
Il s'agit d'une fonction composée. On a alors :
f′(x)=(cos⁡(1+x2))′=cos⁡′(1+x2)×(1+x2)′=−sin⁡(1+x2)×(1+x2)′21+x2f'(x) = \left( \cos\left( \sqrt{1+x^2} \right) \right)' = \cos'\left( \sqrt{1+x^2} \right) \times \left( \sqrt{1+x^2} \right)' = -\sin\left( \sqrt{1+x^2} \right) \times \dfrac{\left(1+x^2 \right)'}{2\sqrt{1+x^2}}
Ce qui nous donne :
f′(x)=−sin⁡(1+x2)×2x21+x2f'(x) = -\sin\left( \sqrt{1+x^2} \right) \times \dfrac{2x}{2\sqrt{1+x^2}}
Finalement :
f′(x)=−x1+x2sin⁡(1+x2){\color{red}{\boxed{f'(x) = -\dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}}\sin\left( \sqrt{1+x^2} \right)}}}
On a alors :
f′(x)=dfdx(x)f'(x) = \dfrac{df}{dx}(x)
En faisant usage de l'écriture de LeibnizLeibniz, on peut donc écrire que :
df(x)=f′(x) dxdf(x) = f'(x) \, dx
Ainsi, la différentielle de ff est donnée par l'expression suivante :
df(x)=−x1+x2sin⁡(1+x2) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = -\dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}}\sin\left( \sqrt{1+x^2} \right) \, dx}}}
Question 2

Soit x∈[−1 ; 1]⟼f(x)=111+11+x2cos⁡(x)x \in [-1\,;\,1] \longmapsto f(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\dfrac{1}{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}}.

Correction
Il s'agit d'une composée de fonctions. Ce qui nous donne :
f′(x)=(111+11+x2cos⁡(x))′=−(11+11+x2cos⁡(x))′(11+11+x2cos⁡(x))2=−(11+11+x2cos⁡(x))′11+11+x2cos⁡(x)f'(x) = \left(\dfrac{1}{\sqrt{\dfrac{1}{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}} \right)' = \dfrac{-\left( \sqrt{\dfrac{1}{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}\right)'}{\left( \sqrt{\dfrac{1}{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}} \right)^2} = \dfrac{-\left( \dfrac{1}{\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}\right)'}{ \dfrac{1}{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}
Ce qui nous donne :
f′(x)=−(1+11+x2cos⁡(x))(11+11+x2cos⁡(x))′f'(x) = - \left( 1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}} \right) \left( \dfrac{1}{\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}\right)'
Soit encore :
f′(x)=−(1+11+x2cos⁡(x))−(1+11+x2cos⁡(x))′(1+11+x2cos⁡(x))2f'(x) = - \left( 1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}} \right) \dfrac{-\left(\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}\right)'}{\left(\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}\right)^2}
On obtient alors :
f′(x)=(1+11+x2cos⁡(x))(1+11+x2cos⁡(x))′1+11+x2cos⁡(x)=(1+11+x2cos⁡(x))′f'(x) = \left( 1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}} \right) \dfrac{\left(\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}\right)'}{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}} = \left(\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}\right)'
Ainsi, nous pouvons écrire que :
f′(x)=(1+11+x2cos⁡(x))′21+11+x2cos⁡(x)=(11+x2cos⁡(x))′21+11+x2cos⁡(x)=(11+x2cos⁡(x))′211+x2cos⁡(x)21+11+x2cos⁡(x)f'(x) = \dfrac{\left( 1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}} \right)'}{2\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}} = \dfrac{\left( \sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}} \right)'}{2\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}} = \dfrac{\dfrac{\left( \dfrac{1}{1+x^2\cos(x)} \right)'}{2\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}{2\sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}
On en déduit donc que :
f′(x)=(11+x2cos⁡(x))′4×11+x2cos⁡(x)×1+11+x2cos⁡(x)=−(1+x2cos⁡(x))′(1+x2cos⁡(x))24×11+x2cos⁡(x)×1+11+x2cos⁡(x)f'(x) = \dfrac{\left( \dfrac{1}{1+x^2\cos(x)} \right)'}{4 \times \sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}} \times \sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}} = \dfrac{-\dfrac{\left(1+x^2\cos(x) \right)'}{\left(1+x^2\cos(x) \right)^2} }{4 \times \dfrac{1}{\sqrt{1+x^2\cos(x)}} \times \sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}
Ainsi :
f′(x)=−(x2cos⁡(x))′4×(1+x2cos⁡(x))2×11+x2cos⁡(x)×1+11+x2cos⁡(x)f'(x) = - \dfrac{\left(x^2\cos(x) \right)' }{4 \times \left(1+x^2\cos(x) \right)^2 \times \dfrac{1}{\sqrt{1+x^2\cos(x)}} \times \sqrt{1+\sqrt{\dfrac{1}{1+x^2\cos(x)}}}}
On en déduit donc que :
f′(x)=−2xcos⁡(x)−x2sin⁡(x)4×(1+x2cos⁡(x))32×1+11+x2cos⁡(x)f'(x) = - \dfrac{2x\cos(x) -x^2\sin(x) }{4 \times \left(1+x^2\cos(x) \right)^\frac{3}{2} \times \sqrt{1+\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2\cos(x)}}}}
Soit encore :
f′(x)=x(xsin⁡(x)−2cos⁡(x))4×(1+x2cos⁡(x))×1+x2cos⁡(x)+1+x2cos⁡(x)1+x2cos⁡(x)f'(x) = \dfrac{x \left(x\sin(x) - 2\cos(x)\right) }{4 \times \left(1+x^2\cos(x) \right) \times \sqrt{1+x^2\cos(x)+\dfrac{1+x^2\cos(x)}{\sqrt{1+x^2\cos(x)}}}}
Après simplification, on obtient finalement :
f′(x)=x(xsin⁡(x)−2cos⁡(x))4(1+x2cos⁡(x))1+x2cos⁡(x)+1+x2cos⁡(x){\color{red}{\boxed{f'(x) = \dfrac{x \left(x\sin(x) - 2\cos(x)\right) }{4 \left(1+x^2\cos(x) \right) \sqrt{1+x^2\cos(x)+\sqrt{1+x^2\cos(x)}}}}}}
On a alors :
f′(x)=dfdx(x)f'(x) = \dfrac{df}{dx}(x)
En faisant usage de l'écriture de LeibnizLeibniz, on peut donc écrire que :
df(x)=f′(x) dxdf(x) = f'(x) \, dx
Ainsi, la différentielle de ff est donnée par l'expression suivante :
df(x)=x(xsin⁡(x)−2cos⁡(x))4(1+x2cos⁡(x))1+x2cos⁡(x)+1+x2cos⁡(x) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = \dfrac{x \left(x\sin(x) - 2\cos(x)\right) }{4 \left(1+x^2\cos(x) \right) \sqrt{1+x^2\cos(x)+\sqrt{1+x^2\cos(x)}}} \, dx}}}
Question 3

Soit x∈R⟼f(x)=sin⁡(11+cos⁡2(x2))x \in \mathbb{R} \longmapsto f(x) = \sin\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right).

Correction
On a :
f′(x)=(sin⁡(11+cos⁡2(x2)))′=sin⁡′(11+cos⁡2(x2))×(11+cos⁡2(x2))′f'(x) = \left( \sin\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \right)' = \sin'\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right)'
Donc :
f′(x)=cos⁡(11+cos⁡2(x2))×(−(1+cos⁡2(x2))′(1+cos⁡2(x2))2)f'(x) = \cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \left( \dfrac{-\left(1+\cos^2(x^2) \right)'}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2}\right)
Ainsi :
f′(x)=−cos⁡(11+cos⁡2(x2))×(cos⁡2(x2))′(1+cos⁡2(x2))2f'(x) = -\cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \dfrac{\left(\cos^2(x^2) \right)'}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2}
Soit encore :
f′(x)=−cos⁡(11+cos⁡2(x2))×2cos⁡(x2)×(cos⁡(x2))′(1+cos⁡2(x2))2f'(x) = -\cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \dfrac{2\cos(x^2) \times \left( \cos(x^2)\right)'}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2}
Ce qui nous donne :
f′(x)=−cos⁡(11+cos⁡2(x2))×2cos⁡(x2)×(−(x2)′sin⁡(x2))(1+cos⁡2(x2))2f'(x) = -\cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \dfrac{2\cos(x^2) \times \left(-\left( x^2\right)'\sin(x^2)\right)}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2}
On obtient :
f′(x)=cos⁡(11+cos⁡2(x2))×2cos⁡(x2)×2xsin⁡(x2)(1+cos⁡2(x2))2f'(x) = \cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \dfrac{2\cos(x^2) \times 2x\sin(x^2)}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2}
On peut donc écrire ceci comme :
f′(x)=cos⁡(11+cos⁡2(x2))×2x×2cos⁡(x2)sin⁡(x2)(1+cos⁡2(x2))2f'(x) = \cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \dfrac{2x \times 2\cos(x^2) \sin(x^2)}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2}
Or, pour X∈RX \in \mathbb{R}, on a 2cos⁡(X)sin⁡(X)=sin⁡(2X)2\cos(X)\sin(X) = \sin(2X). Donc, on en déduit que :
f′(x)=cos⁡(11+cos⁡2(x2))×2x×sin⁡(2x2)(1+cos⁡2(x2))2f'(x) = \cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \times \dfrac{2x \times \sin(2x^2)}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2}
Finalement, on trouve que :
f′(x)=2xsin⁡(2x2)(1+cos⁡2(x2))2cos⁡(11+cos⁡2(x2)){\color{red}{\boxed{f'(x) = \dfrac{2x \sin(2x^2)}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2} \cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right)}}}
On a alors :
f′(x)=dfdx(x)f'(x) = \dfrac{df}{dx}(x)
En faisant usage de l'écriture de LeibnizLeibniz, on peut donc écrire que :
df(x)=f′(x) dxdf(x) = f'(x) \, dx
Ainsi, la différentielle de ff est donnée par l'expression suivante :
df(x)=2xsin⁡(2x2)(1+cos⁡2(x2))2cos⁡(11+cos⁡2(x2)) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = \dfrac{2x \sin(2x^2)}{\left(1+\cos^2(x^2)\right)^2} \cos\left( \dfrac{1}{1+\cos^2(x^2)}\right) \, dx}}}
Question 4

Soit x∈[−π20 ; π20]⟼f(x)=sin⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))x \in \left[ -\dfrac{\pi}{20} \,;\, \dfrac{\pi}{20} \right] \longmapsto f(x) = \sin\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right).

Correction
On a :
f′(x)=(sin⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2)))′f'(x) = \left(\sin\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right)\right)'
Il s'agit d'une composée (successive) de fonctions. On a alors :
f′(x)=sin⁡′(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))×(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))′f'(x) = \sin'\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right) \times \left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right)'
Soit :
f′(x)=cos⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))×tan⁡′(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2)×(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2)′f'(x) = \cos\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right) \times \tan'\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \times \left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right)'
Soit encore :
f′(x)=cos⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))×1cos⁡2(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2)×(6x+2(cos⁡(x)cos⁡(3x))(cos⁡(x)cos⁡(3x))′)f'(x) = \cos\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right) \times \dfrac{1}{\cos^2\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right)} \times \left( 6x + 2\left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)\left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)'\right)
Ainsi, on obtient :
f′(x)=cos⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))cos⁡2(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2)×(6x+2cos⁡(x)cos⁡(3x)(−sin⁡(x)cos⁡(3x)+3sin⁡(3x)cos⁡(x)cos⁡2(3x)))f'(x) = \dfrac{\cos\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right)}{\cos^2\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right)} \times \left(6x + \dfrac{2\cos(x)}{\cos(3x)} \left(\dfrac{-\sin(x)\cos(3x)+3\sin(3x)\cos(x)}{\cos^2(3x)}\right) \right)
Donc :
f′(x)=cos⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))cos⁡2(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2)×(6x+−2cos⁡(x)sin⁡(x)cos⁡(3x)+6sin⁡(3x)cos⁡2(x)cos⁡3(3x))f'(x) = \dfrac{\cos\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right)}{\cos^2\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right)} \times \left(6x + \dfrac{-2\cos(x)\sin(x)\cos(3x)+6\sin(3x)\cos^2(x)}{\cos^3(3x)}\right)
Or, pour tout xx réel, on a 2cos⁡(x)sin⁡(x)=sin⁡(2x)2\cos(x)\sin(x) = \sin(2x). Donc, on obtient :
f′(x)=cos⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))cos⁡2(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2)×(6x+−sin⁡(2x)cos⁡(3x)+6sin⁡(3x)cos⁡2(x)cos⁡3(3x))f'(x) = \dfrac{\cos\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right)}{\cos^2\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right)} \times \left(6x + \dfrac{-\sin(2x)\cos(3x)+6\sin(3x)\cos^2(x)}{\cos^3(3x)}\right)
Finalement, on obtient :
f′(x)=(6x+6sin⁡(3x)cos⁡2(x)−sin⁡(2x)cos⁡(3x)cos⁡3(3x))cos⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))cos⁡2(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2){\color{red}{\boxed{f'(x) = \left(6x + \dfrac{6\sin(3x)\cos^2(x)-\sin(2x)\cos(3x)}{\cos^3(3x)}\right) \dfrac{\cos\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right)}{\cos^2\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right)}}}}
On a alors :
f′(x)=dfdx(x)f'(x) = \dfrac{df}{dx}(x)
En faisant usage de l'écriture de LeibnizLeibniz, on peut donc écrire que :
df(x)=f′(x) dxdf(x) = f'(x) \, dx
Ainsi, la différentielle de ff est donnée par l'expression suivante :
df(x)=(6x+6sin⁡(3x)cos⁡2(x)−sin⁡(2x)cos⁡(3x)cos⁡3(3x))cos⁡(tan⁡(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2))cos⁡2(3x2+(cos⁡(x)cos⁡(3x))2) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = \left(6x + \dfrac{6\sin(3x)\cos^2(x)-\sin(2x)\cos(3x)}{\cos^3(3x)}\right) \dfrac{\cos\left( \tan\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right) \right)}{\cos^2\left( 3x^2 + \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(3x)}\right)^2\right)} \, dx}}}

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