On considère la fonction g définie sur l'intervalle [0;2π] par : g(x)=xcos(x)−sin(x). On admet que la fonction g est dérivable sur l'intervalle [0;2π] et on note g′ sa dérivée.
Question 1
Montrer que pour tout réel x de l'intervalle [0;2π], on a : g′(x)=−xsin(x).
Correction
g est dérivable [0;2π]. Ici on reconnaît la forme (uv+w)′=u′v+uv′+w′ avec u(x)=x ; v(x)=cos(x) et w(x)=−sin(x) . On a alors : u′(x)=1 ; v′(x)=−sin(x) et w′(x)=−cos(x) Ainsi : g′(x)=cos(x)−xsin(x)−cos(x) Il s'ensuit que :
g′(x)=−xsin(x)
Question 2
Dresser le tableau de variation complet de la fonction g sur [0;2π] .
Correction
Soit x∈[0;2π], nous savons que g′(x)=−xsin(x). Comme x≥0 alors −x≤0. De plus :
si x∈[0;π] alors sin(x)≥0
si x∈[π;2π] alors sin(x)≤0
Il vient alors que :
De plus :
g(0)=0cos(0)−sin(0)=0
g(π)=πcos(π)−sin(π)=−π
g(2π)=2πcos(2π)−sin(2π)=2π
Question 3
Montrer qu'il existe une unique valeur réelle α dans l'intervalle [π;2π] telle que : g(α)=0.
Correction
Sur [π;2π], la fonction g est continue et strictement croissante. De plus, g(π)=−π et g(2π)=2π . Or 0∈[−π;2π], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α appartenant à l'intervalle [π;2π] tel que g(x)=0.
Question 4
En déduire le tableau de signes de la fonction g sur l'intervalle [0;2π].
Correction
D'après le tableau de variation ci-dessous, on peut justifier que :
Sur l'intervalle[0;α]. La fonction g est continue et négative sur l'intervalle [0;α]. En effet, le minimum est atteint lorsque x=π et le maximum est atteint respectivement pour x=0 et x=α. Sur l'intervalle[α;2π]. La fonction g est croissante sur [α;2π] et de minimum g(α)=0, donc g(x)≥0. On en déduit le tableau de signes de la fonction g sur l'intervalle [0;2π].
Question 5
On considère la fonction f définie sur l'intervalle ]0;2π] par : f(x)=xsin(x) On admet que la fonction f est dérivable sur l'intervalle ]0;2π] et on note f′ sa dérivée. Montrer que pour tout réel x de l'intervalle ]0;2π], on a : f′(x)=x2g(x).
Correction
f est dérivable sur ]0;2π]
Deˊriveˊe du quotient
On considère deux fonctions u et v, dérivables sur un intervalle I alors
(vu)′=v2u′v−uv′
On reconnaît la forme (vu)′=v2u′v−uv′ avec u(x)=sin(x) et v(x)=x Ainsi : u′(x)=cos(x) et v′(x)=1. Il vient alors que : f′(x)=x2cos(x)×x−sin(x)×1 f′(x)=x2xcos(x)−sin(x) Finalement, pour tout réel x de l'intervalle ]0;2π], on a :
f′(x)=x2g(x)
Question 6
Étudier le signe de la fonction f′ sur l'intervalle ]0;2π] et en déduire le sens de variation de la fonction f sur l'intervalle ]0;2π].
Correction
Pour tout réel x de l'intervalle ]0;2π], on a x2>0. Il en résulte que le signe de f′ dépend du signe de g. On d'après la question 4, nous connaissons le signe de g. Il s'ensuit que :
Question 7
Déterminer la limite de f en 0 . On pourra utiliser le taux d'accroissement de la fonction sinus en 0 .
Correction
f est dérivable en a si la limite du taux de variation en a lorsque x tend vers a est égale à une valeur finie notée f′(a). Autrement dit, f est dérivable en a si :
x→alimx−af(x)−f(a)=f′(a)
On considère la fonction f définie sur l'intervalle ]0;2π] par : f(x)=xsin(x) et nous souhaitons calculer x→0limxsin(x). Posons la fonction h:↦sin(x) et h(0)=0. La fonction h est dérivable sur R et donc h est dérivable en 0. Ainsi : x→0limxsin(x)=x→0limx−0h(x)−h(0). D'après la définition : x→0limx−0h(x)−h(0)=h′(0). Pour tout réel x de l'intervalle ]0;2π], on a alors : h′(x)=cos(x) et h′(0)=cos(0)=1 D'où !
x→0limxsin(x)=x→0limx−0h(x)−h(0)=h′(0)=1
Question 8
On considère deux nombres réels r et s qui vérifient l'inégalité : 0<r<s<π . Montrer que : sr<sin(s)sin(r)
Correction
D'après les hypothèses, on considère deux nombres réels r et s qui vérifient l'inégalité : 0<r<s<π . D'après la question 6, sur l'intervalle ]0;π[ , la fonction f est strictement décroissante. Comme r<s alors f(r)>f(s). On peut alors écrire que : rsin(r)>ssin(s). Comme r>0 et s>0, on peut multiplier par rs>0 sans changer le sens de l'inégalité, d'où : rrs×sin(r)>srs×sin(s) ssin(r)>rsin(s) Et comme 0<r<s<π alors s>0 et sin(s)>0 et on obtient :
sr<sin(s)sin(r)
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