Dérivabilité , Monotonie, Théorème de Rolle, Théorème des accroissements finis, Taylor-Lagrange

Dérivabilité, Monotonie, Théorème de Rolle, Théorème des accroissements finis, Taylor-Lagrange.

1Fonctiondeˊrivable{\color{red}{\bf{1 - Fonction \,\, dérivable}}}
Deˊfinition\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{blue}{\bf{\bullet \,\,Définition}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert de centre x0x_0, on dit que ff est deˊrivable{\color{red}{\bf{dérivable}}} en x0x_0 si
φ:hf(x0+h)f(x0)h\varphi : h \longrightarrow \dfrac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}
admet une limite lorsque h0h \longrightarrow 0. Lorsque cette limite existe elle est notée f(x0)f'(x_0) ou dfdx(x0)\dfrac{df}{dx}(x_0) et s'appelle le nombre dérivé en x0x_0.
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert de centre x0x_0, si ff est dérivable en x0x_0 alors ff est continue en x0x_0.
Deˊfinition\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{blue}{\bf{\bullet \bullet \,\,Définition}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle du type ]x0α;x0]]x_0 - \alpha \, ; \, x_0 ] (respectivement [x0;x0+α][x_0 \, ; \, x_0 + \alpha ]) où α>0\alpha >0, on dit que ff est deˊrivableaˋgauche{\color{red}{\bf{dérivable \,\, à \,\, gauche}}} (respectivement aˋdroite{\color{red}{\bf{à droite}}}) en x0x_0 si
φ:hf(x0+h)f(x0)h\varphi : h \longrightarrow \dfrac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}
admet une limite lorsque h0h \longrightarrow 0^- (respectivement h0+h \longrightarrow 0^+) de ff en x0x_0. Lorsque cette limite existe elle est notée fg(x0)f'_g(x_0) ou (dfdx)g(x0)\left(\dfrac{df}{dx}\right)_g(x_0) (respectivement fd(x0)f'_d(x_0) ou (dfdx)d(x0)\left(\dfrac{df}{dx}\right)_d(x_0)) et s'appelle le nombre dérivé à gauche (respectivement à droite).
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert de centre x0x_0. On dit que ff est deˊrivable{\color{red}{\bf{dérivable}}} en x0x_0 si et seulement si ff admet, en x0x_0, un nombre dérivé à gauche et un nombre dérivé à droite égaux.
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert de centre x0x_0. Soit gg une fonction définie sur un intervalle ouvert contenant f(x0)f(x_0) et dérivable en f(x0)f(x_0). Dans ce cas, on dit que gfg \circ f est dérivable en x0x_0, et :
(gf)(x0)=g(f(x0))×f(x0)(g \circ f)'(x_0) = g'\big( f(x_0) \big) \times f'(x_0)

dgfdx(x0)=dgdx(f(x0))×dfdx(x0)\dfrac{d \, g \circ f}{dx} (x_0) = \dfrac{dg}{dx} \big( f(x_0) \big) \times \dfrac{df}{dx} (x_0)
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \bullet \bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff et gg deux fonctions définies sur un intervalle ouvert de centre x0x_0. Dans ce cas f±gf \pm g et fgfg sont dérivable en x0x_0 et on a :
(f±g)(x0)=f(x0)+g(x0)\looparrowright \, (f \pm g)'(x_0) = f'(x_0) + g'(x_0)
(fg)(x0)=f(x0)g(x0)+f(x0)g(x0)\looparrowright \, (fg)'(x_0) = f'(x_0) g(x_0) + f(x_0) g'(x_0)
\looparrowright \, si f(x0)0f(x_0) \neq 0 alors 1f\dfrac{1}{f} est définie dans un intervalle ouvert de centre x0x_0 et 1f\dfrac{1}{f} est dérivable en x0x_0 avec (1f)(x0)=f(x0)(f(x0))2\left( \dfrac{1}{f}\right)'(x_0) = - \dfrac{f'(x_0)}{\big(f(x_0)\big)^2}
\looparrowright \, si g(x0)0g(x_0) \neq 0 alors fg\dfrac{f}{g} est définie dans un intervalle ouvert de centre x0x_0 et fg\dfrac{f}{g} est dérivable en x0x_0 avec (ff)(x0)=f(x0)g(x0)f(x0)g(x0)(g(x0))2\left( \dfrac{f}{f}\right)'(x_0) = \dfrac{f'(x_0)g(x_0) - f(x_0)g'(x_0)}{\big(g(x_0)\big)^2}
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff une fonction dérivable et strictement sur un intervalle ouvert II. Sa bijection réciproque Rf\mathcal{R}_f (où f1f^{-1}) est dérivable en tout point y0=f(x0)y_0 = f(x_0) de f(I)f(I) tel que f(x0)0f'(x_0) \neq 0 et
Rf(y0)=1f(x0)=1f(Rf(y0))\mathcal{R}'_f(y_0) = \dfrac{1}{f'(x_0)} = \dfrac{1}{f'\big(\mathcal{R}_f(y_0)\big)}
Si ff' ne s'annule pas sur un intervalle JJ, inclus dans II, alors Rf\mathcal{R}_f est dérivable sur f(J)f(J).
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff une fonction continue sur [a;b][a\,;\,b] et dérivable sur ]a;b[]a\,;\,b[. Si limxax>af(x)=+\lim_{\begin{array}{c} x \longrightarrow a \\x > a\end{array}} f'(x) = + \infty alors limxax>af(x)f(a)xa=+\lim_{\begin{array}{c} x \longrightarrow a \\x > a\end{array}} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = + \infty.
2Deˊriveˊessuccessives{\color{red}{\bf{2 - Dérivées \,\, successives}}}
Deˊfinition\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{blue}{\bf{\bullet \,\,Définition}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert II. On note f(0)=ff^{(0)} = f et f(1)=ff^{(1)} = f'.
Pour n1n \geqslant 1, si f(n1)f^{(n-1)} est dérivable sur II, alors on définit la nn-ième dérivée de ff par : f(n)=(f(n1))f^{(n)} = \big(f^{(n-1)}\big)'.
Soit nNn \in \mathbb{N}. On dit que ff est de classe{\color{red}{\bf{classe}}} CnC^n sur II si f(n)f^{(n)} existe et{\color{red}{\bf{et}}} est continue sur l'intervalle II.
On dit que ff est de classe{\color{red}{\bf{classe}}} CC^\infty sur II si ff est de classe CnC^n sur II pour tout nNn \in \mathbb{N}. Ceci est équivalent à dire que f(n)f^{(n)} existe pour tout nNn \in \mathbb{N}.
Theˊoreˋme:formuledeLeibniz\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \,\,Théorème : formule \,\, de \,\, Leibniz}}}
Soit nNn \in \mathbb{N}. Soit ff et gg deux fonctions définies sur un intervalle ouvert II admettant des dérivées nn-ième sur II. Le projet fgfg admet une dérivée nn-ième sur II dont l'expression est donnée par :
(fg)(n)=k=0nCnkf(k)g(nk)(fg)^{(n)} = \sum_{k=0}^{n} C^k_n f^{(k)}g^{(n-k)}
Avec : Cnk=(kn)=n!k!(nk)!C^k_n = \left( \begin{array}{c} k \\ n\end{array} \right) = \dfrac{n !}{k! \, (n-k)!}.
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert II. Soit gg une fonction définie sur un intervalle ouvert JJ contenant f(I)f(I). Soit nNn \in \mathbb{N}. Si ff est de classe CnC^n sur II et gg de classe CnC^n sur JJ alors gfg \circ f est de classe CnC^n sur II.
Deˊfinition\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{blue}{\bf{\bullet \bullet \,\,Définition}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert II. Soit nNn \in \mathbb{N}. On dit que ff est un Cndiffeˊomorphisme{\color{red}{C^n \,\, \bf{difféomorphisme}}} si ff est une bijection et{\color{red}{\bf{et}}} si ff et Rf\mathcal{R}_f sont de classe CnC^n.
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \bullet \,\,Théorème}}}
Soit ff une bijection sur un intervalle ouvert II. Soit nNn \in \mathbb{N}. La bijection ff est un Cndiffeˊomorphisme{\color{red}{C^n \,\, \bf{difféomorphisme}}} si et seulement si ff est de classe CnC^n et{\color{red}{\bf{et}}} ff' ne s'annule pas sur II.
3TheˊoreˋmedeRolle&Theˊoreˋmedesaccroissementsfinis{\color{red}{\bf{3 - Théorème \,\, de \,\, Rolle \,\, \& \,\, Théorème \,\, des \,\, accroissements \,\, finis}}}
TheˊoreˋmedeRolle\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \,\, Théorème \,\, de \,\, Rolle}}}
Soit ff une fonction continue sur l'intervalle [a;b][a\,;\,b], dérivable sur ]a;b[]a\,;\,b[, telle f(a)=f(b)f(a) = f(b). Il existe un réel cc appartenant à ]a;b[]a\,;\,b[ tel que f(c)=0f'(c) = 0.
Ceci s'illustre par :

Theˊoreˋmedesaccroissementsfinis\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \,\, Théorème \,\, des \,\, accroissements \,\, finis}}}
Soit ff une fonction continue sur l'intervalle [a;b][a\,;\,b], dérivable sur ]a;b[]a\,;\,b[. Il existe un réel cc appartenant à ]a;b[]a\,;\,b[ tel que :
f(b)f(a)=(ba)f(c)f(b) - f(a) = (b_a) f'(c)
Ceci s'illustre par :

Le fait d'introduire la pente moyenne permet également d'écrire que :
f(c)=1baabf(x)dx=fˉ[a;b]f'(c) = \dfrac{1}{b-a} \int_a^b f'(x) \, dx = \bar{f'}_{[a\,;\,b]}
Theˊoreˋmedelineˊgaliteˊdesaccroissementsfinis\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \bullet \,\, Théorème \,\, de \,\, l'inégalité \,\, des \,\, accroissements \,\, finis}}}
Soit ff une fonction continue sur l'intervalle [a;b][a\,;\,b], dérivable sur ]a;b[]a\,;\,b[, tel que a<ba<b. S'il existe deux nombres réels mm et MM tels que
x]a;b[,mf(x)M\forall x \in ]a\,;\,b[, \,\,\, m \leqslant f'(x) \leqslant M
alors
m(ba)f(b)f(a)M(ba)m (b-a) \leqslant f(b) - f(a) \leqslant M(b-a)
De plus, s'il existe un nombre réel kk tel que
x]a;b[,f(x)k\forall x \in ]a\,;\,b[, \,\,\, | \, f'(x) \, | \leqslant k
alors
f(b)f(a)k(ba)| \, f(b) - f(a) \, | \leqslant k(b-a)
Dans ce cas, on dit que ff est klipschitzienne{\color{red}{k-\bf{lipschitzienne}}}.
4TheˊoreˋmedeTaylor&Lagrange{\color{red}{\bf{4 - Théorème \,\, de \,\, Taylor \,\, \& \,\, Lagrange}}}
Soit nn un nombre entier naturel non nul. Soit ff une fonction de classe CnC^n sur l'intervalle I=[a;b]I = [a\,;\,b] et qui admet une dérivées d'ordre n+1n+1. Il existe un nombre réel c qui appartient à l'intervalle ]a;b[]a\,;\,b[ tel que :
f(b)=f(a)+k=1n(ba)kk!f(k)(a)+(ba)n+1(n+1)!f(n+1)(c){\color{red}{\boxed{f(b) = f(a) + \sum_{k=1}^n \dfrac{(b-a)^k}{k!} f^{(k)}(a) + \dfrac{(b-a)^{n+1}}{(n+1)!} f^{(n+1)}(c)}}}
5Monotonieetdeˊrivabiliteˊ{\color{red}{\bf{5 - Monotonie \,\, et \,\, dérivabilité}}}
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \,\, Théorème}}}
Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert II.
La fonction ff est constante sur II si, et seulement si, sa fonction dérivée ff' est nulle sur II.
La fonction ff est croissante sur II si, et seulement si, sa fonction dérivée ff' est positive sur II.
La fonction ff est décroissante sur II si, et seulement si, sa fonction dérivée ff' est négative sur II.
Theˊoreˋme\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\color{green}{\bf{\bullet \bullet \,\, Théorème}}}
Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle ouvert II. Si ff' est strictement positive (respectivement négative) sur II sauf éventuellement en un nombre fini de points où elle s'annule, alors ff est strictement croissante (respectivement décroissante) sur l'intervalle II.
6Deˊriveˊesusuelles{\color{red}{\bf{6 - Dérivées \,\, usuelles}}}
Si f(x)=xpf(x) = x^p alors f(x)=pxp1f'(x) = px^{p-1} sur le domaine R+\mathbb{R}^{+\star} avec pRp \in \mathbb{R}
Si f(x)=exf(x) = e^x alors f(x)=exf'(x) = e^x sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=ln(x)f(x) = \ln(|x|) alors f(x)=1xf'(x) = \dfrac{1}{x} sur le domaine R\mathbb{R}^{\star}
Si f(x)=cosh(x)f(x) = \cosh(x) alors f(x)=sinh(x)f'(x) = \sinh(x) sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=sinh(x)f(x) = \sinh(x) alors f(x)=cosh(x)f'(x) = \cosh(x) sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=tanh(x)f(x) = \tanh(x) alors f(x)=1cosh2(x)=1tanh2(x)f'(x) = \dfrac{1}{\cosh^2(x)} = 1 - \tanh^2(x) sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=cotanh(x)f(x) = \mathrm{cotanh}(x) alors f(x)=1sinh2(x)=1cotanh2(x)f'(x) = -\dfrac{1}{\sinh^2(x)} = 1 - \mathrm{cotanh}^2(x) sur le domaine R\mathbb{R}^\star
Si f(x)=cos(x)f(x) = \cos(x) alors f(x)=sin(x)f'(x) = -\sin(x) sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=sin(x)f(x) = \sin(x) alors f(x)=cos(x)f'(x) = \cos(x) sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=tan(x)f(x) = \tan(x) alors f(x)=1cos2(x)=1+tan2(x)f'(x) = \dfrac{1}{\cos^2(x)} = 1 + \tan^2(x) pour xπ2mod[π]x \neq \dfrac{\pi}{2} \, \mod[\pi]
Si f(x)=cotan(x)f(x) = \mathrm{cotan}(x) alors f(x)=1sin2(x)=1cotan2(x)f'(x) = -\dfrac{1}{\sin^2(x)} = -1 - \mathrm{cotan}^2(x) pour xπmod[π]x \neq \pi \, \mod[\pi]
Si f(x)=argsinh(x)f(x) = \mathrm{argsinh}(x) alors f(x)=11+x2f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}} sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=argcosh(x)f(x) = \mathrm{argcosh}(x) alors f(x)=1x21f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} sur le domaine ]1;+[]1 \,;\, + \infty[
Si f(x)=argtanh(x)f(x) = \mathrm{argtanh}(x) alors f(x)=11x2f'(x) = \dfrac{1}{1-x^2} sur le domaine ]1;1[]-1 \,;\, 1[
Si f(x)=argcotanh(x)f(x) = \mathrm{argcotanh}(x) alors f(x)=11x2f'(x) = \dfrac{1}{1-x^2} sur le domaine ];1[]1;+[]- \infty \,;\, -1[ \, \cup \, ]1 \,;\, + \infty[
Si f(x)=arcsin(x)f(x) = \arcsin(x) alors f(x)=11x2f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} sur le domaine ]1;1[]-1 \,;\, 1[
Si f(x)=arccos(x)f(x) = \arccos(x) alors f(x)=11x2f'(x) = -\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} sur le domaine ]1;1[]-1 \,;\, 1[
Si f(x)=arctan(x)f(x) = \arctan(x) alors f(x)=11+x2f'(x) = \dfrac{1}{1+x^2} sur le domaine R\mathbb{R}
Si f(x)=arccotan(x)f(x) = \mathrm{arccotan}(x) alors f(x)=11+x2f'(x) = -\dfrac{1}{1+x^2} sur le domaine R\mathbb{R}