Dérivabilité en un point d'une fonction numérique - Exercice 1

45 min
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Soit ff, la fonction numérique (d'une variable) définit sur R\mathbb{R} par l'image fonctionnelle suivante :
f(x)=x2(x−1)3f(x) = \sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)}
Question 1

Etudier la dérivabilité de ff en x=0x=0 .

Correction
Etude de la deˊrivabiliteˊ en\red{\text{Etude de la dérivabilité en}} x=0:\red{x = 0 :}
Etudions la limite suivante (associée à la définition de la dérivabilité en un point) :
lim⁡x⟶0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x⟶0x2(x−1)3−02(0−1)3x=lim⁡x⟶0x2(x−1)3−0x=lim⁡x⟶0x2(x−1)x33\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)}-\sqrt[3]{0^2 \left( 0 - 1 \right)}}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)}-0}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\dfrac{x^2 \left( x - 1 \right)}{x^3}}
Comme x⟶0x \longrightarrow 0 cela signifie que x≠0x \neq 0, on va pouvoir simplifier par x2x^2. On obtient alors :
lim⁡x⟶0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x⟶0x−1x3=lim⁡x⟶0−1x3=lim⁡x⟶0−13x3=lim⁡x⟶0−1x3=−lim⁡x⟶01x3\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\dfrac{x - 1}{x}} = \lim_{x \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\dfrac{- 1}{x}} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{-1}}{\sqrt[3]{x}} = \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{-1}{\sqrt[3]{x}} = - \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{1}{\sqrt[3]{x}}.
Donc, en distinguant les cas x⟶0+x \longrightarrow 0^+ et x⟶0−x \longrightarrow 0^-, on trouve alors que :
    ↬  lim⁡x⟶0+f(x)−f(0)x−0=−lim⁡x⟶0+1x3=−×+∞=−∞\,\,\,\, \looparrowright \,\, \lim_{x \longrightarrow 0^+} \dfrac{f(x)-f(0)}{x-0} = - \lim_{x \longrightarrow 0^+} \dfrac{1}{\sqrt[3]{x}} = - \times +\infty = - \infty
    ↬  lim⁡x⟶0−f(x)−f(0)x−0=−lim⁡x⟶0−1x3=−×−∞=+∞\,\,\,\, \looparrowright \,\, \lim_{x \longrightarrow 0^-} \dfrac{f(x)-f(0)}{x-0} = - \lim_{x \longrightarrow 0^-} \dfrac{1}{\sqrt[3]{x}} = - \times -\infty = + \infty
Ces deux résultats étant des valeurs réelles non finies, on en déduit que la fonction ff est non dérivable en x=0x=0. Il y a existence de deux tangentes verticales.
Question 2

Etudier la dérivabilité de ff en x=23x=\dfrac{2}{3} .

Correction
Etude de la deˊrivabiliteˊ en\red{\text{Etude de la dérivabilité en}} x=23:\red{x = \dfrac{2}{3} :}
Etudions la limite suivante (associée à la définition de la dérivabilité en un point) :
lim⁡x⟶23f(x)−f(23)x−23=lim⁡x⟶23x2(x−1)3−(23)2(23−1)3x−23=lim⁡x⟶23x2(x−1)3−−4273x−23=lim⁡x⟶23x2(x−1)3−−4333x−23=lim⁡x⟶23x2(x−1)3−−433x−23\lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{f(x)-f\left(\dfrac{2}{3}\right)}{x-\dfrac{2}{3}} = \lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)} - \sqrt[3]{\left( \dfrac{2}{3} \right)^2 \left( \dfrac{2}{3} - 1 \right)}}{x-\dfrac{2}{3}} = \lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)} - \sqrt[3]{-\dfrac{4}{27}}}{x-\dfrac{2}{3}} = \lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)} - \sqrt[3]{-\dfrac{4}{3^3}}}{x-\dfrac{2}{3}} =\lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)} - \dfrac{\sqrt[3]{-4}}{3}}{x-\dfrac{2}{3}}
Comme −43=−1×43=−13×43=−43\sqrt[3]{-4} = \sqrt[3]{-1 \times 4} = \sqrt[3]{-1} \times \sqrt[3]{4}= - \sqrt[3]{4}, on en déduit que :
lim⁡x⟶23f(x)−f(23)x−23=lim⁡x⟶23x2(x−1)3+433x−23\lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{f(x)-f\left(\frac{2}{3}\right)}{x-\dfrac{2}{3}} =\lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)} + \dfrac{\sqrt[3]{4}}{3}}{x-\dfrac{2}{3}}
Pour déterminer cette limite on va poser h=x−23h = x - \dfrac{2}{3}, ainsi x=h+23x = h + \dfrac{2}{3}. Comme x⟶23x \longrightarrow \frac{2}{3} alors h⟶0h \longrightarrow 0. On obtient alors :
lim⁡x⟶23f(x)−f(23)x−23=lim⁡h⟶0(h+23)2(h+23−1)3+433h=lim⁡h⟶0(0+23)2(0+23−1)3+433h=lim⁡h⟶0(23)2(−13)3+433h=lim⁡h⟶049(−13)3+433h\lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{f(x)-f\left(\dfrac{2}{3}\right)}{x-\dfrac{2}{3}} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{\left( h + \dfrac{2}{3} \right)^2 \left( h + \dfrac{2}{3} - 1 \right)} + \dfrac{\sqrt[3]{4}}{3}}{h} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{\left( 0 + \dfrac{2}{3} \right)^2 \left( 0 + \dfrac{2}{3} - 1 \right)} + \dfrac{\sqrt[3]{4}}{3}}{h} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{\left( \dfrac{2}{3} \right)^2 \left( -\dfrac{1}{3} \right)} + \dfrac{\sqrt[3]{4}}{3}}{h} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{\dfrac{4}{9} \left( -\dfrac{1}{3} \right)} + \dfrac{\sqrt[3]{4}}{3}}{h}
Ce qui nous donne :
lim⁡x⟶23f(x)−f(23)x−23=lim⁡h⟶0−4273+433h=lim⁡h⟶0−433+433h=lim⁡h⟶00h=lim⁡h⟶00=0∈R\lim_{x \longrightarrow \frac{2}{3}} \dfrac{f(x)-f\left(\dfrac{2}{3}\right)}{x-\dfrac{2}{3}} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{-\dfrac{4}{27} } + \dfrac{\sqrt[3]{4}}{3}}{h} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{-\dfrac{\sqrt[3]{4}}{3} + \dfrac{\sqrt[3]{4}}{3}}{h} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{0}{h} = \lim_{h \longrightarrow 0} 0 = 0 \in \mathbb{R}
Ainsi la dérivée de ff, en x=23x = \dfrac{2}{3}, est nulle. Donc, en x=23x = \dfrac{2}{3} la fonction admet un extremum. Il y a une tangente horizontale.
Question 3

Etudier la dérivabilité de ff en x=1x=1 .

Correction
Etude de la deˊrivabiliteˊ en\red{\text{Etude de la dérivabilité en}} x=1:\red{x = 1:}
Etudions la limite suivante (associée à la définition de la dérivabilité en un point) :
lim⁡x⟶1f(x)−f(1)x−1=lim⁡x⟶1x2(x−1)3−12(1−1)3x−1=lim⁡x⟶1x2(x−1)3−0x−1=lim⁡x⟶1x2(x−1)(x−1)33\lim_{x \longrightarrow 1} \dfrac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \longrightarrow 1} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)}-\sqrt[3]{1^2 \left( 1 - 1 \right)}}{x-1} = \lim_{x \longrightarrow 1} \dfrac{\sqrt[3]{x^2 \left( x - 1 \right)}-0}{x-1} = \lim_{x \longrightarrow 1} \sqrt[3]{\dfrac{x^2 \left( x - 1 \right)}{(x-1)^3}}
Comme x⟶1x \longrightarrow 1 cela signifie que x≠1x \neq 1, et donc que x−1≠0x-1 \neq 0, on va pouvoir simplifier par (x−1)(x-1). On obtient alors :
lim⁡x⟶1f(x)−f(1)x−1=lim⁡x⟶1x2(x−1)23=lim⁡x⟶1(xx−1)23\lim_{x \longrightarrow 1} \dfrac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \longrightarrow 1} \sqrt[3]{\dfrac{x^2}{(x-1)^2}} = \lim_{x \longrightarrow 1} \sqrt[3]{\left(\dfrac{x}{x-1}\right)^2}.
Pour déterminer cette limite on va poser h=x−1h = x - 1, ainsi x=h+1x = h + 1. Comme x⟶1x \longrightarrow 1 alors h⟶0h \longrightarrow 0. On obtient alors :
lim⁡x⟶1f(x)−f(1)x−1=lim⁡h⟶0(h+1h)23=lim⁡h⟶0(0+1h)23=lim⁡h⟶0(1h)23=lim⁡h⟶012h23=lim⁡h⟶01h23=lim⁡h⟶013h23=lim⁡h⟶01h23=+∞\lim_{x \longrightarrow 1} \dfrac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{h \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\left(\dfrac{h+1}{h}\right)^2} = \lim_{h \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\left(\dfrac{0+1}{h}\right)^2} = \lim_{h \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\left(\dfrac{1}{h}\right)^2} = \lim_{h \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\dfrac{1^2}{h^2}} = \lim_{h \longrightarrow 0} \sqrt[3]{\dfrac{1}{h^2}} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{\sqrt[3]{1}}{\sqrt[3]{h^2}} = \lim_{h \longrightarrow 0} \dfrac{1}{\sqrt[3]{h^2}} = + \infty.
La présence de la puissance 22 sur le hh fait que le signe de hh n'influence pas le résultat final. Que l'on ait x⟶0+x \longrightarrow 0^+, ou x⟶0−x \longrightarrow 0^-, on trouve alors le même résultat, à savoir +∞+\infty.
Ce résultat étant une valeur réelle non finie, on en déduit que la fonction ff est non dérivable en x=1x=1. Il y a existence d'une tangente verticale.

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