Calcul d'une fonction dérivée (6) - Exercice 1

45 min
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Question 1

Soit x∈[−12 ; 12]x \in \left[-\dfrac{1}{2} \,;\,\dfrac{1}{2} \right]. Calculer la fonction dérivée f′f' de l'image fonctionnelle suivante :
f(x)=sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f(x) = \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}

Correction
Soit x∈[−12 ; 12]x \in \left[-\dfrac{1}{2} \,;\,\dfrac{1}{2} \right]. La fonction dérivée ff dont l'image fonctionnelle est
f(x)=sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f(x) = \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
est de la forme
f(x)=g(x)f(x) = \sqrt{g(x)}
avec :
g(x)=sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)g(x) = \dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}
Cette fonction gg n'est jamais nulle sur l'intervalle considéré [−12 ; 12]\left[-\dfrac{1}{2} \,;\,\dfrac{1}{2} \right].
Ainsi, la dérivée f′f' va prendre la forme suivante :
f′(x)=g′(x)2g(x)=g′(x)2g(x)g(x)f'(x) = \dfrac{g'(x)}{2\sqrt{g(x)}} = \dfrac{g'(x)}{2g(x)}\sqrt{g(x)}
Ce qui nous permet d'écrire que :
f′(x)=(sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2))′2×sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = \dfrac{\left( \dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)} \right)'}{2\times \dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
Soit :
f′(x)=12(sin⁡(x2)+cos⁡(x2))′×(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))−(sin⁡(x2)+cos⁡(x2))×(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))′(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))2sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = \dfrac{1}{2}\dfrac{\dfrac{\left(\sin(x^2) + \cos(x^2)\right)' \times (\sin(x^2) - \cos(x^2)) - (\sin(x^2) + \cos(x^2)) \times \left(\sin(x^2) - \cos(x^2)\right)'}{\left(\sin(x^2) - \cos(x^2) \right)^2}}{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
Ce qui nous donne, avec (sin⁡(x2)+cos⁡(x2))′=(sin⁡(x2))′+(cos⁡(x2))′=(x2)′cos⁡(x2)−(x2)′sin⁡(x2)=2xcos⁡(x2)−2xsin⁡(x2)=2x(cos⁡(x2)−sin⁡(x2))\left(\sin(x^2) + \cos(x^2)\right)' = \left(\sin(x^2)\right)' + \left(\cos(x^2)\right)' = (x^2)'\cos(x^2) - (x^2)'\sin(x^2) = 2x \cos(x^2) - 2x \sin(x^2) = 2x \left( \cos(x^2) - \sin(x^2) \right) et aussi l'autre dérivée présente (sin⁡(x2)−cos⁡(x2))′=(sin⁡(x2))′−(cos⁡(x2))′=(x2)′cos⁡(x2)+(x2)′sin⁡(x2)=2xcos⁡(x2)+2xsin⁡(x2)=2x(cos⁡(x2)+sin⁡(x2))\left(\sin(x^2) - \cos(x^2)\right)' = \left(\sin(x^2)\right)' - \left(\cos(x^2)\right)' = (x^2)'\cos(x^2) + (x^2)'\sin(x^2) = 2x \cos(x^2) + 2x \sin(x^2) = 2x \left( \cos(x^2) + \sin(x^2) \right), l'expression suivante :
f′(x)=122x(cos⁡(x2)−sin⁡(x2))×(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))−(sin⁡(x2)+cos⁡(x2))×2x(cos⁡(x2)+sin⁡(x2))(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))2sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = \dfrac{1}{2}\dfrac{\dfrac{2x \left( \cos(x^2) - \sin(x^2) \right) \times (\sin(x^2) - \cos(x^2)) - (\sin(x^2) + \cos(x^2)) \times 2x \left( \cos(x^2) + \sin(x^2) \right)}{\left(\sin(x^2) - \cos(x^2) \right)^2}}{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
Ce qui nous donne :
f′(x)=x(cos⁡(x2)−sin⁡(x2))2−(cos⁡(x2)+sin⁡(x2))2(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))2sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = x\dfrac{\dfrac{\left( \cos(x^2) - \sin(x^2) \right)^2 - \left( \cos(x^2) + \sin(x^2) \right)^2}{\left(\sin(x^2) - \cos(x^2) \right)^2}}{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
D'où :
f′(x)=xcos⁡2(x2)−2cos⁡(x2)sin⁡(x2)+sin⁡2(x2)−cos⁡2(x2)−2cos⁡(x2)sin⁡(x2)−sin⁡2(x2)(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))2sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = x\dfrac{\dfrac{\cos^2(x^2) - 2\cos(x^2)\sin(x^2) + \sin^2(x^2) - \cos^2(x^2) - 2\cos(x^2)\sin(x^2) - \sin^2(x^2) }{\left(\sin(x^2) - \cos(x^2) \right)^2}}{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
Soit encore après simplification :
f′(x)=x−4cos⁡(x2)sin⁡(x2)(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))2sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = x \dfrac{\dfrac{- 4\cos(x^2)\sin(x^2)}{\left(\sin(x^2) - \cos(x^2) \right)^2}}{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
Or, x∈[−12 ; 12]x \in \left[-\dfrac{1}{2} \,;\,\dfrac{1}{2} \right] ce qui implique que sin⁡(x2)−cos⁡(x2)≠0\sin(x^2) - \cos(x^2) \neq 0. De ce fait, on peut effectuer la simplification par ce terme, et obtenir :
f′(x)=x−4cos⁡(x2)sin⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)1sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = x \dfrac{\dfrac{- 4\cos(x^2)\sin(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{1}} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
Soit :
f′(x)=−2x2cos⁡(x2)sin⁡(x2)(sin⁡(x2)−cos⁡(x2))×(sin⁡(x2)+cos⁡(x2))sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)=−2x2cos⁡(x2)sin⁡(x2)sin⁡2(x2)+sin⁡(x2)cos⁡(x2)−cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡2(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = -2x \dfrac{2\cos(x^2)\sin(x^2)}{\left( \sin(x^2) - \cos(x^2) \right) \times \left( \sin(x^2) + \cos(x^2) \right)} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} = -2x \dfrac{2\cos(x^2)\sin(x^2)}{\sin^2(x^2) + \sin(x^2)\cos(x^2) - \cos(x^2)\sin(x^2) - \cos^2(x^2)} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
En simplifiant, on obtient :
f′(x)=−2x2cos⁡(x2)sin⁡(x2)sin⁡2(x2)−cos⁡2(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)=−2x2cos⁡(x2)sin⁡(x2)sin⁡2(x2)−cos⁡2(x2)+cos⁡2(x2)−cos⁡2(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)=−2x2cos⁡(x2)sin⁡(x2)1−2cos⁡2(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = -2x \dfrac{2\cos(x^2)\sin(x^2)}{\sin^2(x^2) - \cos^2(x^2)} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}= -2x \dfrac{2\cos(x^2)\sin(x^2)}{\sin^2(x^2) - \cos^2(x^2) + \cos^2(x^2) - \cos^2(x^2)} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}} = -2x \dfrac{2\cos(x^2)\sin(x^2)}{1 - 2\cos^2(x^2)} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}
Puis, on sait que pour tout XX réel, on a 2cos⁡(X)sin⁡(X)=sin⁡(2X)2\cos(X)\sin(X) = \sin(2X). D'où :
f′(x)=−2xsin⁡(2x2)1−2cos⁡2(x2)sin⁡(x2)+cos⁡(x2)sin⁡(x2)−cos⁡(x2)f'(x) = - 2x \dfrac{\sin(2x^2)}{1 - 2\cos^2(x^2)} \sqrt{\dfrac{\sin(x^2) + \cos(x^2)}{\sin(x^2) - \cos(x^2)}}

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