Vérification d'une égalité à l'aide de la dérivation (3)\left(3\right) - Exercice 1

30 min
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Question 1

Soit xx un nombre réel.
Simplifier, en faisant usage de la dérivation, l'expression arctan⁡(1+x2−x)\arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right).

Correction
Soit x∈Rx \in \mathbb{R}.
L'application x⟼1+x2−xx \longmapsto \sqrt{1+x^2} - x existe sur R\mathbb{R} et, sur ce même ensemble, y est dérivable.
La fonction arctan⁡\arctan est définie et dérivable sur R\mathbb{R}.
Ainsi, par composition, la fonction x⟼arctan⁡(1+x2−x)x \longmapsto \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) est dérivable sur R\mathbb{R}.
On a alors :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=11+(1+x2−x)2×(1+x2−x)′\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = \dfrac{1}{1 + \left( \sqrt{1+x^2} - x \right)^2} \times \left( \sqrt{1+x^2} - x \right)'
Ce qui nous donne :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=11+1+x2−2x1+x2+x2×((1+x2)′21+x2−1)\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = \dfrac{1}{1 + 1+x^2 - 2x\sqrt{1+x^2} + x^2} \times \left(\dfrac{(1+x^2)'}{2 \sqrt{1+x^2}} - 1 \right)
Soit :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=12+2x2−2x1+x2×(2x21+x2−1)\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = \dfrac{1}{2+2x^2 - 2x\sqrt{1+x^2}} \times \left(\dfrac{2x}{2 \sqrt{1+x^2}} - 1 \right)
Soit encore :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=12(1+x2−x1+x2)×(x1+x2−1+x21+x2)\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = \dfrac{1}{2\left(1+x^2 - x\sqrt{1+x^2} \right)} \times \left(\dfrac{x}{ \sqrt{1+x^2}} - \dfrac{\sqrt{1+x^2}}{ \sqrt{1+x^2}} \right)
De même :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=12((1+x2)2−x1+x2)×(x−1+x21+x2)\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = \dfrac{1}{2\left(\left(\sqrt{1+x^2}\right)^2 - x\sqrt{1+x^2} \right)} \times \left(\dfrac{x-\sqrt{1+x^2}}{\sqrt{1+x^2}} \right)
Ce qui nous donne :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=−121+x2(1+x2−x)×1+x2−x1+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = -\dfrac{1}{2 \sqrt{1+x^2}\left(\sqrt{1+x^2} - x \right)} \times \dfrac{\sqrt{1+x^2}-x}{\sqrt{1+x^2}}
En simplifiant par le terme non nul 1+x2−x\sqrt{1+x^2}-x on obtient :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=−121+x2×11+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = -\dfrac{1}{2 \sqrt{1+x^2}} \times \dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}
Finalement :
∀x∈R,  (arctan⁡(1+x2−x))′=−12×11+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \left( \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) \right)' = -\dfrac{1}{2} \times\dfrac{1}{1+x^2}
De fait, on en déduit immédiatement que :
∀x∈R,  arctan⁡(1+x2−x)=−12arctan⁡(x)+K     (K∈R)\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) = -\dfrac{1}{2} \arctan(x) + K \,\,\,\,\ (K \in \mathbb{R})
Posons x=0∈Rx = 0 \in \mathbb{R} , on a alors :
arctan⁡(1+02−0)=−12arctan⁡(0)+K   ⟺   arctan⁡(1)=−12×0+K   ⟺   arctan⁡(1)=K\arctan \left( \sqrt{1+0^2} - 0 \right) = -\dfrac{1}{2} \arctan(0) + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \arctan \left( 1 \right) = -\dfrac{1}{2}\times 0 + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \arctan \left( 1 \right) = K
or, on a arctan⁡(1)=π4\arctan \left( 1 \right) = \dfrac{\pi}{4}. Donc K=π4K = \dfrac{\pi}{4}. Ceci implique que
∀x∈R,  arctan⁡(1+x2−x)=−12arctan⁡(x)+π4\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \arctan \left( \sqrt{1+x^2} - x \right) = -\dfrac{1}{2} \arctan(x) + \dfrac{\pi}{4}

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