Taux de variation, nombre dérivé, tangente et fonctions dérivées
Un GPS enregistre la position d’une voiture toutes les secondes. À \(t = 3\,\text{s}\), elle est à \(45\,\text{m}\) du départ ; à \(t = 4\,\text{s}\), elle est à \(64\,\text{m}\).
La vitesse moyenne sur cet intervalle vaut \(\dfrac{64 - 45}{4 - 3} = 19\,\text{m/s}\). Mais cette valeur correspond à la vitesse à quel moment exactement ? À \(t = 3{,}5\,\text{s}\) ? À \(t = 3\,\text{s}\) ?
C’est précisément la question qu’ont posée Newton et Leibniz au XVIIe siècle — et la réponse s’appelle la dérivée.
Isaac Newton (1643–1727) développe son calcul des « fluxions » vers 1666 pour décrire le mouvement des planètes, mais ne publie pas immédiatement. Gottfried Leibniz (1646–1716) arrive aux mêmes idées indépendamment vers 1675 et publie en 1684 avec la notation \(\dfrac{dy}{dx}\) que l’on utilise encore aujourd’hui.
S’ensuit l’une des plus célèbres controverses de l’histoire des sciences : les partisans de Newton accusent Leibniz de plagiat. La communauté mathématique se divise pendant des décennies entre l’école anglaise (notations de Newton : \(\dot{x}\)) et l’école continentale (notations de Leibniz). Aujourd’hui, c’est la notation de Leibniz qui a triomphé.
Augustin-Louis Cauchy (1789–1857) donnera enfin une définition rigoureuse de la limite au XIXe siècle, fondant l’analyse moderne sur des bases solides.
Mais l’histoire commence bien avant Newton : Sharaf al-Dīn al-Tūsī (XIIe siècle, Iran) calculait déjà les maxima de polynômes par un procédé équivalent à l’annulation de la dérivée — cinq siècles avant le calcul différentiel.
📜 Lire l’article — Al-Tūsī, Newton et Leibniz : la dérivée avant la dérivée →
Soit la fonction \(f(x) = x^2\). On cherche le coefficient directeur de la tangente à la courbe au point d’abscisse \(a\).
On calcule le taux de variation entre \(a\) et \(a + h\) :
\(\dfrac{f(a+h) - f(a)}{h} = \dfrac{(a+h)^2 - a^2}{h}\)
On écrit souvent \(b = a + h\) avec \(h \neq 0\), ce qui donne le taux de variation :
$$\frac{f(a+h) - f(a)}{h}$$
Courbe \(\mathcal{C}_f\) (bleu) et tangentes (rouge) : lire graphiquement \(f(a)\) et \(f'(a)\) = pente de la tangente. Point anguleux en \(x=1\) : \(f\) n’y est pas dérivable.
La droite sécante (AB) a pour pente le taux de variation \(\dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}\)
La tangente en \(A(a, f(a))\) est la droite passant par \(A\) dont la pente est \(f'(a)\) (par définition du nombre dérivé comme pente limite des sécantes).
L’équation d’une droite passant par le point \((a, f(a))\) de pente \(m\) est \(y - f(a) = m(x - a)\), soit \(y = f(a) + m(x-a)\).
Avec \(m = f'(a)\), on obtient \(y = f(a) + f'(a)(x - a)\). \(\square\)
| Fonction \(f(x)\) | Domaine de dérivabilité | Dérivée \(f'(x)\) |
|---|---|---|
| \(k\) (constante) | \(\mathbb{R}\) | \(0\) |
| \(x\) | \(\mathbb{R}\) | \(1\) |
| \(x^2\) | \(\mathbb{R}\) | \(2x\) |
| \(x^3\) | \(\mathbb{R}\) | \(3x^2\) |
| \(x^n\) \((n \in \mathbb{Z})\) | \(\mathbb{R}\) si \(n \geq 0\), \(\mathbb{R}^*\) si \(n < 0\) | \(nx^{n-1}\) |
| \(\dfrac{1}{x}\) | \(\mathbb{R}^*\) | \(-\dfrac{1}{x^2}\) |
| \(\sqrt{x}\) | \(]0, +\infty[\) | \(\dfrac{1}{2\sqrt{x}}\) |
| \(e^x\) | \(\mathbb{R}\) | \(e^x\) |
| \(\ln x\) (Terminale) | \(]0, +\infty[\) | \(\dfrac{1}{x}\) |
| \(\cos x\) (voir ch8) | \(\mathbb{R}\) | \(-\sin x\) |
| \(\sin x\) (voir ch8) | \(\mathbb{R}\) | \(\cos x\) |
Si \(u\) et \(v\) sont deux fonctions dérivables sur un intervalle \(I\), et \(\lambda\) un réel :
| Opération | Dérivée |
|---|---|
| \((\lambda u)'\) | \(\lambda u'\) |
| \((u + v)'\) | \(u' + v'\) |
| \((u \times v)'\) | \(u'v + uv'\) |
| \(\left(\dfrac{1}{v}\right)'\) (si \(v \neq 0\)) | \(-\dfrac{v'}{v^2}\) |
| \(\left(\dfrac{u}{v}\right)'\) (si \(v \neq 0\)) | \(\dfrac{u'v - uv'}{v^2}\) |
| \((g(ax+b))'\) | \(a \cdot g'(ax+b)\) |
Montrons que \((u + v)' = u' + v'\). Pour \(h \neq 0\) :
\(\dfrac{(u+v)(x+h) - (u+v)(x)}{h} = \dfrac{u(x+h) - u(x)}{h} + \dfrac{v(x+h) - v(x)}{h}\)
Quand \(h \to 0\), le premier quotient tend vers \(u'(x)\) et le second vers \(v'(x)\). Par somme de limites : \((u+v)'(x) = u'(x) + v'(x)\). \(\square\)
La démonstration de la dérivée d’un produit est donnée dans le bloc ci-dessous.
Soit \(v\) dérivable sur un intervalle \(I\), avec \(v(x) \neq 0\) pour tout \(x \in I\). Posons \(g = \dfrac{1}{v}\). Pour \(h \neq 0\) tel que \(x+h \in I\) :
$$\frac{g(x+h)-g(x)}{h} = \frac{1}{h}\left(\frac{1}{v(x+h)} - \frac{1}{v(x)}\right) = \frac{1}{h} \cdot \frac{v(x) - v(x+h)}{v(x+h)\,v(x)}$$On factorise par \(-1\) au numérateur pour reconnaître le taux de variation de \(v\) :
$$= -\frac{v(x+h) - v(x)}{h} \cdot \frac{1}{v(x+h)\,v(x)}$$Quand \(h \to 0\) : le premier facteur tend vers \(v'(x)\) (par dérivabilité de \(v\)), et \(v(x+h) \to v(x)\) (par continuité), donc le second facteur tend vers \(\dfrac{1}{v(x)^2}\). Par produit de limites :
$$\left(\frac{1}{v}\right)'(x) = -\frac{v'(x)}{v(x)^2}. \quad \square$$Soient \(u\) et \(v\) dérivables sur un intervalle \(I\), avec \(v(x) \neq 0\). On écrit \(\dfrac{u}{v} = u \cdot \dfrac{1}{v}\) et on applique la règle du produit puis celle de l’inverse démontrées ci-dessus :
$$\left(\frac{u}{v}\right)' = \left(u \cdot \frac{1}{v}\right)' = u' \cdot \frac{1}{v} + u \cdot \left(\frac{1}{v}\right)' = \frac{u'}{v} + u \cdot \left(-\frac{v'}{v^2}\right)$$On met au même dénominateur \(v^2\) :
$$= \frac{u'\,v}{v^2} - \frac{u\,v'}{v^2} = \frac{u'v - uv'}{v^2}. \quad \square$$Remarque : attention au signe au numérateur — c’est \(u'v - uv'\) (avec un moins), pas \(u'v + uv'\).
La valeur absolue est un cas particulier important de fonction non dérivable en un point. Elle illustre qu’une fonction peut etre continue partout mais ne pas admettre de tangente.
| Notion | Définition / Formule | Piège à éviter |
|---|---|---|
| Nombre dérivé | \(f'(a) = \displaystyle\lim_{h \to 0} \dfrac{f(a+h)-f(a)}{h}\) | C’est une limite, pas juste un quotient |
| Tangente en \(a\) | \(y = f'(a)(x-a) + f(a)\) | Ne pas oublier le \(+ f(a)\) à la fin |
| Dérivées usuelles | \((x^n)' = nx^{n-1}\), \((\sqrt{x})' = \dfrac{1}{2\sqrt{x}}\), \((1/x)' = -\dfrac{1}{x^2}\) | Ne pas oublier le coefficient \(n\) devant \(x^{n-1}\) |
| Somme, multiple | \((u+v)' = u'+v'\), \((ku)' = ku'\) | La dérivation est linéaire (pas de piège ici) |
| Produit | \((uv)' = u'v + uv'\) | \((uv)' \neq u' \times v'\) — erreur très fréquente |
| Quotient | \(\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2}\) | C’est \(u'v - uv'\) (avec un moins), pas \(u'v + uv'\) |
| Composée affine | \((g(ax+b))' = a \cdot g'(ax+b)\) | Ne pas oublier le facteur \(a\) |
| Signe de \(f'\) et variations | \(f' > 0 \Rightarrow f\) croissante | \(f'(a) = 0\) ne suffit pas pour conclure à un extremum |
Dérivation : teste d’abord ton intuition.
« \((uv)' = u'v'\). »
Cette affirmation est-elle correcte ?
Faux. La dérivée d’un produit est \((uv)' = u'v + uv'\). On ne dérive pas chaque facteur séparément !
Mini-test : \((x \cdot e^x)' = \) ?
« \((u/v)' = u'/v'\). »
Cette affirmation est-elle correcte ?
Faux. La dérivée d’un quotient est \(\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2}\).
Mini-test : \(\left(\dfrac{1}{x}\right)' = \) ?
« Si \(f'(a) = 0\), alors \(f\) a un maximum en \(a\). »
Cette affirmation est-elle correcte ?
Faux. \(f'(a) = 0\) signifie que la tangente est horizontale en \(a\), mais ce peut être un minimum (ex: \(x^2\) en 0), un maximum, ou un point d’inflexion (ex: \(x^3\) en 0).
Mini-test : \(f(x) = x^3\). En \(x = 0\), \(f'(0) = 0\). C’est :
« La dérivée de \(x^n\) est \(x^{n-1}\). »
Cette affirmation est-elle correcte ?
Faux. Il manque le facteur \(n\) : la dérivée de \(x^n\) est \(nx^{n-1}\).
Mini-test : \((x^5)' = \) ?
« La dérivée de \(e^{2x}\) est \(e^{2x}\). »
Cette affirmation est-elle correcte ?
Faux. Par la règle de dérivation d’une composée avec une fonction affine, \((e^{2x})' = 2e^{2x}\). Il faut multiplier par la dérivée de la fonction intérieure \(2x\).
Mini-test : \((e^{3x})' = \) ?
« \((u + v)' = u' + v'\) (linéarité de la dérivation). »
Cette affirmation est-elle correcte ?
C’est vrai ! La dérivation est une opération linéaire : la dérivée d’une somme est la somme des dérivées. De même, \((ku)' = ku'\) pour toute constante \(k\).
Mini-test : \((3x^2 + 5x)' = \) ?
On suppose que la position de la voiture est modélisée par une fonction \(d(t)\) (en mètres) du temps \(t\) (en secondes). On sait que \(d(3) = 45\) et \(d(4) = 64\).
Vitesse moyenne sur \([3\,;\,4]\)
\(v_{\text{moy}} = \dfrac{d(4) - d(3)}{4 - 3} = \dfrac{64 - 45}{1} = 19\) m/s
Vers la vitesse instantanée
Pour se rapprocher de la vitesse à l’instant \(t = 3\), on calcule le taux de variation sur un intervalle de plus en plus court :
\(\dfrac{d(3+h) - d(3)}{h}\)
en faisant tendre \(h\) vers 0. C’est exactement la définition du nombre dérivé :
$$v(3) = d'(3) = \lim_{h \to 0} \dfrac{d(3+h) - d(3)}{h}$$
Application numérique
Si par exemple \(d(t) = t^2 + 12t\) (un modèle simple compatible avec les données : \(d(3) = 9 + 36 = 45\) m et \(d(4) = 16 + 48 = 64\) m), alors \(d'(t) = 2t + 12\) et :
\(d'(3) = 6 + 12 = 18\) m/s \(\approx 65\) km/h
La vitesse instantanée à \(t = 3\) s est de 18 m/s, légèrement inférieure à la vitesse moyenne de 19 m/s sur \([3\,;\,4]\) (la voiture accélère sur l'intervalle). La dérivée formalise ce passage de la vitesse moyenne à la vitesse instantanée.
\(\dfrac{(a+h)^2 - a^2}{h} = \dfrac{a^2 + 2ah + h^2 - a^2}{h} = \dfrac{2ah + h^2}{h} = 2a + h\)
Quand \(h \to 0\), on obtient \(2a\). La tangente à \(y = x^2\) au point d’abscisse \(a\) a donc pour pente \(2a\). On dit que \(f'(a) = 2a\), soit \(f'(x) = 2x\).