Calculs de dérivées et de différentielles : Mise en pratique épisode 3 - Exercice 1

1 h
90
Toujours pour maîtriser le calcul des fonctions dérivées.
Question 1
Pour chacune des fonctions ff qui vous seront proposées, determiner la fonction dérivée f′f' ainsi que la différentielle associée dfdf.

Soit x∈ ]0 ; π]⟼f(x)=xcos⁡(x)x \in \, ]0\,;\,\pi] \longmapsto f(x) = x^{\cos(x)}.

Correction
On a :
f(x)=xcos⁡(x)=eln⁡(xcos⁡(x))=ecos⁡(x)ln⁡(x)f(x) = x^{\cos(x)} = e^{\ln\left(x^{\cos(x)}\right)} = e^{\cos(x) \ln(x)}.
Donc :
f′(x)=(xcos⁡(x))′=(ecos⁡(x)ln⁡(x))′=(cos⁡(x)ln⁡(x))′×ecos⁡(x)ln⁡(x)f'(x) = \left(x^{\cos(x)}\right)' = \left( e^{\cos(x) \ln(x)} \right)' = \left( \cos(x) \ln(x) \right)' \times e^{\cos(x) \ln(x)}.
Ce qui nous donne :
f′(x)=(−sin⁡(x)ln⁡(x)+cos⁡(x)1x)×ecos⁡(x)ln⁡(x)f'(x) = \left( -\sin(x) \ln(x) + \cos(x)\dfrac{1}{x}\right) \times e^{\cos(x) \ln(x)}
Soit encore :
f′(x)=(−1xsin⁡(x)xln⁡(x)+cos⁡(x)1x)×ecos⁡(x)ln⁡(x)f'(x) = \left( -\dfrac{1}{x}\sin(x) x\ln(x) + \cos(x)\dfrac{1}{x}\right) \times e^{\cos(x) \ln(x)}
Finalement, on obtient :
f′(x)=1x(cos⁡(x)−sin⁡(x)xln⁡(x))ecos⁡(x)ln⁡(x)=1x(cos⁡(x)−sin⁡(x)xln⁡(x))xcos⁡(x){\color{red}{\boxed{ f'(x) = \dfrac{1}{x} \left( \cos(x) -\sin(x) x \ln(x) \right) e^{\cos(x) \ln(x)} = \dfrac{1}{x} \left( \cos(x) -\sin(x) x \ln(x) \right) x^{\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)=1x(cos⁡(x)−sin⁡(x)xln⁡(x))xcos⁡(x) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = \dfrac{1}{x} \left( \cos(x) -\sin(x) x \ln(x) \right) x^{\cos(x)} \, dx}}}
Question 2

Soit x∈ ]0 ; 1]⟼f(x)=xxcos⁡(x)x \in \, ]0\,;\,1] \longmapsto f(x) = x^{\frac{x}{\cos(x)}}.

Correction
On a :
f(x)=xxcos⁡(x)=eln⁡(xxcos⁡(x))=excos⁡(x)ln⁡(x)f(x) = x^{\frac{x}{\cos(x)}} = e^{\ln \left( x^{\frac{x}{\cos(x)}} \right)} = e^{\frac{x}{\cos(x)}\ln(x)}
Donc :
f′(x)=(excos⁡(x)ln⁡(x))′=(xcos⁡(x)ln⁡(x))′×excos⁡(x)ln⁡(x)f'(x) = \left( e^{\frac{x}{\cos(x)}\ln(x)} \right)' = \left( \dfrac{x}{\cos(x)}\ln(x) \right)' \times e^{\frac{x}{\cos(x)}\ln(x)}
Avec :
(xcos⁡(x)ln⁡(x))′=(xcos⁡(x))′ln⁡(x)+xcos⁡(x)1x=cos⁡(x)−xsin⁡(x)cos⁡2(x)ln⁡(x)+1cos⁡(x)\left( \dfrac{x}{\cos(x)}\ln(x) \right)' = \left( \dfrac{x}{\cos(x)} \right)'\ln(x) + \dfrac{x}{\cos(x)}\dfrac{1}{x} = \dfrac{\cos(x)-x\sin(x)}{\cos^2(x)} \ln(x) + \dfrac{1}{\cos(x)}
Soit :
(xcos⁡(x)ln⁡(x))′=1cos⁡(x)(cos⁡(x)−xsin⁡(x)cos⁡(x)ln⁡(x)+1)\left( \dfrac{x}{\cos(x)}\ln(x) \right)' = \dfrac{1}{\cos(x)}\left(\dfrac{\cos(x)-x\sin(x)}{\cos(x)} \ln(x) + 1 \right)
Ce qui nous permet d'obtenir :
f′(x)=1cos⁡(x)(cos⁡(x)−xsin⁡(x)cos⁡(x)ln⁡(x)+1)×excos⁡(x)ln⁡(x)f'(x) = \dfrac{1}{\cos(x)}\left(\dfrac{\cos(x)-x\sin(x)}{\cos(x)} \ln(x) + 1 \right) \times e^{\frac{x}{\cos(x)}\ln(x)}
Soit encore :
f′(x)=1cos⁡(x)((cos⁡(x)cos⁡(x)−xsin⁡(x)cos⁡(x))ln⁡(x)+1)×excos⁡(x)ln⁡(x)f'(x) = \dfrac{1}{\cos(x)}\left( \left(\dfrac{\cos(x)}{\cos(x)} - x\dfrac{\sin(x)}{\cos(x)} \right) \ln(x) + 1 \right) \times e^{\frac{x}{\cos(x)}\ln(x)}
Ce qui nous donne :
f′(x)=1cos⁡(x)((1−xtan⁡(x))ln⁡(x)+1)×excos⁡(x)ln⁡(x)f'(x) = \dfrac{1}{\cos(x)}\left( \left(1 - x\tan(x) \right) \ln(x) + 1 \right) \times e^{\frac{x}{\cos(x)}\ln(x)}
Finalement, on trouve que :
f′(x)=1+(1−xtan⁡(x))ln⁡(x)cos⁡(x)excos⁡(x)ln⁡(x)=1+(1−xtan⁡(x))ln⁡(x)cos⁡(x)xxcos⁡(x){\color{red}{\boxed{ f'(x) = \dfrac{1 + \left(1 - x\tan(x) \right) \ln(x) }{\cos(x)} e^{\frac{x}{\cos(x)}\ln(x)} = \dfrac{1 + \left(1 - x\tan(x) \right) \ln(x) }{\cos(x)} x^{\frac{x}{\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)=1+(1−xtan⁡(x))ln⁡(x)cos⁡(x)xxcos⁡(x) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = \dfrac{1 + \left(1 - x\tan(x) \right) \ln(x) }{\cos(x)} x^{\frac{x}{\cos(x)}} \, dx}}}
Question 3

Soit x∈ [0 ; 1]⟼f(x)=cos⁡(x)sin⁡(x)x \in \, [0\,;\,1] \longmapsto f(x) = \cos(x)^{\sin(x)}.

Correction
On a :
f(x)=cos⁡(x)sin⁡(x)=eln⁡(cos⁡(x)sin⁡(x))=esin⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))f(x) = \cos(x)^{\sin(x)} = e^{\ln\left( \cos(x)^{\sin(x)} \right)} = e^{\sin(x)\ln\left( \cos(x) \right)}
Donc :
f′(x)=(esin⁡(x)ln⁡(cos⁡(x)))′=(sin⁡(x)ln⁡(cos⁡(x)))′×esin⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))f'(x) = \left(e^{\sin(x)\ln\left( \cos(x) \right)} \right)' = \left(\sin(x)\ln\left( \cos(x) \right) \right)' \times e^{\sin(x)\ln\left( \cos(x) \right)}
Ce qui nous donne :
f′(x)=(cos⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))+sin⁡(x)(ln⁡(cos⁡(x)))′)×esin⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))f'(x) = \left(\cos(x)\ln\left( \cos(x) \right) + \sin(x) \left( \ln\left( \cos(x) \right) \right)'\right) \times e^{\sin(x)\ln\left( \cos(x) \right)}
De plus :
(ln⁡(cos⁡(x)))′=cos⁡′(x)cos⁡(x)=−sin⁡(x)cos⁡(x)=−tan⁡(x)\left( \ln\left( \cos(x) \right) \right)' = \dfrac{\cos'(x)}{\cos(x)} = -\dfrac{\sin(x)}{\cos(x)} = - \tan(x)
On obtient alors :
f′(x)=(cos⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))−sin⁡(x)tan⁡(x))×esin⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))f'(x) = \left(\cos(x)\ln\left( \cos(x) \right) - \sin(x) \tan(x) \right) \times e^{\sin(x)\ln\left( \cos(x) \right)}
Finalement, on obtient :
f′(x)=(cos⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))−sin⁡(x)tan⁡(x))esin⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))=(cos⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))−sin⁡(x)tan⁡(x))cos⁡(x)sin⁡(x){\color{red}{\boxed{ f'(x) = \left(\cos(x)\ln\left( \cos(x) \right) - \sin(x) \tan(x) \right) e^{\sin(x)\ln\left( \cos(x) \right)} = \left(\cos(x)\ln\left( \cos(x) \right) - \sin(x) \tan(x) \right) \cos(x)^{\sin(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)=(cos⁡(x)ln⁡(cos⁡(x))−sin⁡(x)tan⁡(x))cos⁡(x)sin⁡(x) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = \left(\cos(x)\ln\left( \cos(x) \right) - \sin(x) \tan(x) \right) \cos(x)^{\sin(x)} \, dx}}}
Question 4

Soit x∈ ]0 ; 1]⟼f(x)=cos⁡(xsin⁡(x))x \in \, ]0\,;\,1] \longmapsto f(x) = \cos\left(x^{\sin(x)} \right).

Correction
On a :
f(x)=(cos⁡(xsin⁡(x)))′=(xsin⁡(x))′×cos⁡′(xsin⁡(x))=−(xsin⁡(x))′×sin⁡(xsin⁡(x))f(x) = \left(\cos\left(x^{\sin(x)} \right)\right)' = \left( x^{\sin(x)} \right)' \times \cos'\left(x^{\sin(x)} \right) = - \left( x^{\sin(x)} \right)' \times \sin\left(x^{\sin(x)} \right)
Avec :
(xsin⁡(x))′=(eln⁡(xsin⁡(x)))′=(esin⁡(x)ln⁡(x))′=(sin⁡(x)ln⁡(x))′×esin⁡(x)ln⁡(x)\left( x^{\sin(x)} \right)' = \left( e^{\ln \left( x^{\sin(x)}\right)} \right)' = \left( e^{\sin(x)\ln \left( x\right)} \right)' = \left( \sin(x)\ln \left( x\right) \right)' \times e^{\sin(x)\ln \left( x\right)}
Ce qui nous donne :
(xsin⁡(x))′=(cos⁡(x)ln⁡(x)+sin⁡(x)x)×esin⁡(x)ln⁡(x)=(cos⁡(x)ln⁡(x)+sin⁡(x)x)xsin⁡(x)\left( x^{\sin(x)} \right)' = \left( \cos(x)\ln \left( x\right) + \dfrac{\sin(x)}{x}\right) \times e^{\sin(x)\ln \left( x\right)} = \left( \cos(x)\ln \left( x\right) + \dfrac{\sin(x)}{x}\right) x^{\sin(x)}
Ainsi on trouve que :
f(x)=−(cos⁡(x)ln⁡(x)+sin⁡(x)x)xsin⁡(x)×sin⁡(xsin⁡(x))f(x) = - \left( \cos(x)\ln \left( x\right) + \dfrac{\sin(x)}{x}\right) x^{\sin(x)} \times \sin\left(x^{\sin(x)} \right)
Finalement, on obtient :
f′(x)=−(xcos⁡(x)ln⁡(x)+sin⁡(x)x)xsin⁡(x)sin⁡(xsin⁡(x)){\color{red}{\boxed{ f'(x) = - \left( \dfrac{x\cos(x)\ln \left( x\right) +\sin(x)}{x}\right) x^{\sin(x)} \sin\left(x^{\sin(x)} \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)=−(xcos⁡(x)ln⁡(x)+sin⁡(x)x)xsin⁡(x)sin⁡(xsin⁡(x)) dx{\color{red}{\boxed{df(x) = - \left( \dfrac{x\cos(x)\ln \left( x\right) +\sin(x)}{x}\right) x^{\sin(x)} \sin\left(x^{\sin(x)} \right) \, dx}}}

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