Compléments sur la dérivation et la convexité

Etudier la convexité d'une fonction ff à l'aide du signe de la dérivée seconde de ff - Exercice 3

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On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} définie par f(x)=ex+ex2f\left(x\right)=\frac{e^{x}+e^{-x}}{2} .
Cette fonction est appelée cosinus hyperbolique. Cela fait du bien un peu de culture :)
Question 1

Etudiez la convexité de la fonction ff .

Correction
  • (eu)=ueu\left(e^{u} \right)^{'} =u'e^{u}
  • Pour étudier la convexité de la fonction ff, il faut étudier le signe de ff''. Il va donc falloir calculer la dérivée seconde de ff.
    ff est deux fois dérivable sur R\mathbb{R} .
    Soit f(x)=ex+ex2f\left(x\right)=\frac{e^{x}+e^{-x}}{2} que le peut écrire également sous la forme : f(x)=12ex+12exf\left(x\right)=\frac{1}{2}e^{x}+\frac{1}{2}e^{-x}
    Il vient que :
    Calculons d’une part :\red{\text{Calculons d'une part :}}
    f(x)=12ex12exf'\left(x\right)=\frac{1}{2}e^{x}-\frac{1}{2}e^{-x}
    Calculons d’autre part :\red{\text{Calculons d'autre part :}}
    f(x)=12ex(12)exf''\left(x\right)=\frac{1}{2}e^{x}-\left(-\frac{1}{2}\right)e^{-x}
    f(x)=12ex+12exf''\left(x\right)=\frac{1}{2}e^{x}+\frac{1}{2}e^{-x}
    • 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.
    Pour tout réel xx, on sait par définition que ex>0e^{x}>0 et que ex>0e^{-x}>0 .
    Il en résulte donc que f(x)>0f''\left(x\right)>0.
    Ainsi :
    Question 2

    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.
    On a vu à la question 22 que la fonction dérivée seconde de ff est strictement positive.
    Pour tout réel xx, on a donc : f(x)>0f''\left(x\right)>0. Cela signifie donc que ff'' ne s'annule pas .
    Il en résulte que la fonction ff n'admet pas de point d'inflexion.