Exercices types : 11ère partie - Exercice 4

25 min
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Soit la fonction gg définie sur l'intervalle I=[0;π]I=\left[0;\pi \right] par : g(x)=xcos⁡(x)−sin⁡(x)g\left(x\right)=x\cos \left(x\right)-\sin \left(x\right) .
Question 1

Calculer g(0)g\left(0\right) et g(π)g\left(\pi\right).

Correction
g(0)=0×cos⁡(0)−sin⁡(0)g\left(0\right)=0\times \cos \left(0\right)-\sin \left(0\right) ainsi :
g(0)=0g\left(0\right)=0

g(π)=π×cos⁡(π)−sin⁡(π)g\left(\pi\right)=\pi\times \cos \left(\pi\right)-\sin \left(\pi\right) ainsi :
g(π)=−πg\left(\pi\right)=-\pi
Question 2

Etudier gg et dresser son tableau de variation.

Correction
gg est dérivable sur [0;π]\left[0;\pi \right].
Ici on reconnaît la forme (uv+w)′=u′v+uv′+w′\left(uv+w\right)'=u'v+uv'+w' avec u(x)=xu\left(x\right)=x et v(x)=cos⁡(x)v\left(x\right)=\cos \left(x\right) et w(x)=−sin⁡(x)w\left(x\right)=-\sin \left(x\right)
Ainsi : u′(x)=1u'\left(x\right)=1 et v′(x)=−sin⁡(x)v'\left(x\right)=-\sin \left(x\right) , enfin w′(x)=−cos⁡(x)w'\left(x\right)=-\cos \left(x\right)
Il vient alors que :
g′(x)=1×cos⁡(x)+x×(−sin⁡(x))−cos⁡(x)g'\left(x\right)=1\times \cos \left(x\right)+x\times (-\sin \left(x\right))-\cos \left(x\right)
g′(x)=−xsin⁡(x)g'\left(x\right)=-x\sin \left(x\right)

Pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;π]\left[0;\pi \right], on sait que x≥0x\ge 0 donc −x≤0-x\le 0.
Pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;π]\left[0;\pi \right], on sait que sin⁡(x)≥0\sin \left(x\right)\ge0.
Nous allons traduire cela dans un tableau de variation :
Question 3
Soit la fonction ff définie sur l'intervalle I=[0;π]I=\left[0;\pi \right] par : f(x)=sin⁡(x)−x+x36f\left(x\right)=\sin \left(x\right)-x+\frac{x^{3}}{6}.

Calculer f′(x)f'\left(x\right) puis f′′(x)f''\left(x\right) et enfin f′′′(x)f'''\left(x\right).

Correction
ff est dérivable sur [0;π]\left[0;\pi \right]. Ainsi :
f′(x)=cos⁡(x)−1+x22f'\left(x\right)=\cos \left(x\right)-1+\frac{x^{2}}{2}

f′f' est dérivable sur [0;π]\left[0;\pi \right]. Ainsi :
f′′(x)=−sin⁡(x)+xf''\left(x\right)=-\sin \left(x\right)+x

f′′f'' est dérivable sur [0;π]\left[0;\pi \right]. Ainsi :
f′′′(x)=−cos⁡(x)+1f'''\left(x\right)=-\cos \left(x\right)+1
Question 4

Dresser le tableau de variation de f′′f'' sur [0;π]\left[0;\pi \right].

Correction
Pour tout réel xx appartenant à [0;π]\left[0;\pi \right] , on a : f′′′(x)=−cos⁡(x)+1f'''\left(x\right)=-\cos \left(x\right)+1
Or :
−1≤cos⁡(x)≤1-1\le \cos \left(x\right)\le 1 équivaut successivement à :
−1≤−cos⁡(x)≤1-1\le -\cos \left(x\right)\le 1
0≤−cos⁡(x)+1≤10\le -\cos \left(x\right)+1\le 1
0≤f′′′(x)≤10\le f'''\left(x\right)\le 1 . Ainsi sur l'intervalle [0;π]\left[0;\pi \right], on a : f′′′(x)≥0f'''\left(x\right)\ge0.
De plus :
f′′(0)=−sin⁡(0)+0f''\left(0\right)=-\sin \left(0\right)+0 c'est à dire f′′(0)=0f''\left(0\right)=0
f′′(π)=−sin⁡(π)+πf''\left(\pi\right)=-\sin \left(\pi\right)+\pi c'est à dire f′′(π)=πf''\left(\pi\right)=\pi
Nous traduisons cela dans un tableau de variation :
Question 5

En déduire les variations de f′f' sur [0;π]\left[0;\pi \right].

Correction
D'après la question 44, on vérifie facilement que f′′(x)≥0f''\left(x\right)\ge0. En effet, f′′f'' est strictement croissante et son minimum vaut 00.
Il en résulte donc que f′f' est croissante sur l'intervalle [0;π]\left[0;\pi \right].
De plus :
f′(0)=cos⁡(0)−1+022f'\left(0\right)=\cos \left(0\right)-1+\frac{0^{2}}{2} ainsi f′(0)=0f'\left(0\right)=0
f′(π)=cos⁡(π)−1+π22f'\left(\pi\right)=\cos \left(\pi\right)-1+\frac{\pi^{2}}{2} ainsi f′(π)=−2+π22f'\left(\pi\right)=-2+\frac{\pi^{2}}{2} et f′(π)≈2,93>0f'\left(\pi\right)\approx2,93>0
Nous traduisons cela dans un tableau de variation :
Question 6

En déduire les variations de ff sur [0;π]\left[0;\pi \right].

Correction
D'après la question 55, on vérifie facilement que f′(x)≥0f'\left(x\right)\ge0. En effet, f′f' est strictement croissante et son minimum vaut 00.
Il en résulte donc que ff est croissante sur l'intervalle [0;π]\left[0;\pi \right].
De plus :
f(0)=sin⁡(0)−0+036f\left(0\right)=\sin \left(0\right)-0+\frac{0^{3}}{6} ainsi f(0)=0f\left(0\right)=0
f(π)=sin⁡(π)−π+π36f\left(\pi\right)=\sin \left(\pi\right)-\pi+\frac{\pi^{3}}{6} ainsi f(π)=−π+π36f\left(\pi\right)=-\pi+\frac{\pi^{3}}{6} et f(π)≈2,02>0f\left(\pi\right)\approx2,02>0
Nous traduisons cela dans un tableau de variation :
Question 7

En déduire que pour tout réel xx appartenant à [0;π]\left[0;\pi \right], on a : x−x36≤sin⁡(x)≤1x-\frac{x^{3}}{6}\le \sin \left(x\right)\le 1

Correction
D'après la question 66, on vérifie facilement que f(x)≥0f\left(x\right)\ge0. En effet, ff est strictement croissante et son minimum vaut 00.
Il en résulte donc que sur l'intervalle [0;π]\left[0;\pi \right], on a :
sin⁡(x)−x+x36≥0\sin \left(x\right)-x+\frac{x^{3}}{6}\ge0 ce qui signifie que : sin⁡(x)≥x−x36\sin \left(x\right)\ge x-\frac{x^{3}}{6}.
De plus, pour tout réel xx appartenant à [0;π]\left[0;\pi \right], on a : sin⁡(x)≤1\sin \left(x\right)\le 1.
Autrement, pour tout réel xx appartenant à [0;π]\left[0;\pi \right] :
x−x36≤sin⁡(x)≤1x-\frac{x^{3}}{6}\le \sin \left(x\right)\le 1

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