Continuité, dérivation, lectures graphiques et convexité

Etude de la convexité avec le calcul de dérivées d'une fonction donnée - Exercice 1

15 min
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On considère la fonction ff définie sur [10;20]\left[-10;20\right] définie par f(x)=x3+3x2x+1f\left(x\right)=-x^{3} +3x^{2} -x+1
Question 1

Calculer pour tour réel x[10;20]x\in \left[-10;20\right], f(x)f'\left(x\right) et f(x)f''\left(x\right) .

Correction
f(x)=3x2+6x1f'\left(x\right)=-3x^{2} +6x-1 et f(x)=6x+6f''\left(x\right)=-6x+6
Question 2

Etudiez la convexité de la fonction ff

Correction
Pour étudier la convexité de la fonction ff, il faut étudier le signe de ff''.
  • Lorsque f(x)0f''\left(x\right)\ge 0 sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est convexe.
  • Lorsque f(x)0f''\left(x\right)\le 0 sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est concave.
ff'' est une fonction affine.
Pour étudier son signe on résout l'inéquation 6x+60-6x+6\ge 0, il vient alors :
6x+60-6x+6\ge 0 équivaut successivement à :
6x6-6x\ge -6
x66x\le \frac{-6}{-6} (on change le sens de l'inéquation car on divise par un nombre négatif)
x1x\le 1
Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de 6x+6-6x+6 lorsque xx sera inférieur ou égale à 11.
Il en résulte :
Question 3

La courbe représentative de ff possède-t-elle un point d'inflexion ?
Si oui, déterminer ses coordonnées.

Correction
  • ff possède un point d'inflexion lorsque sa dérivée seconde s'annule et change de signe en ce point.
Résolvons :
f(x)=0f''\left(x\right)=0 équivaut successivement à :
6x+6=0-6x+6=0
6x=6-6x=-6
x=66x=\frac{-6}{-6}
x=1x=1
ff admet un point d'inflexion au point d'abscisse 11. En effet, d'après la question précédente, la dérivée seconde change bien de signe en 11.
Pour déterminer ses coordonnées, calculons f(1)f\left(1\right).
f(1)=13+3×121+1f\left(1\right)=-1^{3} +3\times 1^{2} -1+1
f(1)=2f\left(1\right)=2
Les coordonnées du point d'inflexion de ff sont (1;2)\left(1;2\right).