Terminale · Maths complémentaires · Chapitre 1

Modèles définis par une fonction

Exercices corrigés — dérivation, optimisation, TVI et convexité.
Ex. 1 — Dérivées de fonctions composées Ex. 2 — Variations et tangente Ex. 3 — Coût moyen et coût marginal Ex. 4 — Théorème des valeurs intermédiaires Ex. 5 — Convexité — croissance végétale
Formules clés : $(g\circ u)' = u'\times g'(u)$ ; $(\mathrm{e}^{u})' = u'\,\mathrm{e}^{u}$ ; tangente en $a$ : $y = f'(a)(x-a)+f(a)$ ; $f$ convexe $\iff f''\geqslant 0$.
Exercice 1
Dérivées de fonctions composées

Calculer la dérivée de chacune des fonctions suivantes, définies et dérivables sur l'intervalle indiqué.

  1. $f(x) = (5x-2)^4$ sur $\mathbb{R}$.
  2. $g(x) = \mathrm{e}^{x^2-3x}$ sur $\mathbb{R}$.
  3. $h(x) = \sqrt{4-2x}$ sur $]-\infty\,;2[$.
  4. $k(x) = \dfrac{1}{2x+1}$ sur $]-\tfrac12\,;+\infty[$.

a. On repère $u(x) = 5x-2$, $u'(x)=5$, et on applique $(u^n)' = n\,u'\,u^{n-1}$.

\[ f'(x) = 4\times 5\times(5x-2)^3 = 20(5x-2)^3 \]

b. Ici $u(x) = x^2-3x$, $u'(x) = 2x-3$, et $(\mathrm{e}^u)' = u'\,\mathrm{e}^u$.

\[ g'(x) = (2x-3)\,\mathrm{e}^{x^2-3x} \]

c. $u(x) = 4-2x$, $u'(x) = -2$, et $(\sqrt u)' = \dfrac{u'}{2\sqrt u}$.

\[ h'(x) = \frac{-2}{2\sqrt{4-2x}} = -\frac{1}{\sqrt{4-2x}} \]

d. $k = g\circ u$ avec $g(X) = \dfrac1X$, $g'(X) = -\dfrac{1}{X^2}$ et $u(x) = 2x+1$, $u'(x)=2$.

\[ k'(x) = 2\times\left(-\frac{1}{(2x+1)^2}\right) = -\frac{2}{(2x+1)^2} \]

⚠ Le piège classique : oublier le facteur $u'$. Sans lui, on obtiendrait $4(5x-2)^3$ au lieu de $20(5x-2)^3$.

Exercice 2
Variations et tangente

On considère la fonction $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = (x-1)\,\mathrm{e}^{x}$.

  1. Montrer que $f'(x) = x\,\mathrm{e}^{x}$.
  2. Dresser le tableau de variations de $f$ (sans les limites) et préciser son extremum.
  3. Déterminer une équation de la tangente $T$ à la courbe de $f$ au point d'abscisse $1$.

a. $f$ est un produit $uv$ avec $u(x) = x-1$, $u'(x)=1$ et $v(x) = \mathrm{e}^x = v'(x)$.

\[ f'(x) = 1\times\mathrm{e}^x + (x-1)\,\mathrm{e}^x = (1+x-1)\,\mathrm{e}^x = x\,\mathrm{e}^x \]

b. Comme $\mathrm{e}^x > 0$ pour tout réel $x$, $f'(x)$ a le signe de $x$.

$x$$-\infty$$0$$+\infty$
$f'(x)$$-$$0$$+$
$f$↘$-1$↗

$f$ admet un minimum égal à $f(0) = (0-1)\mathrm{e}^0 = -1$, atteint en $x = 0$.

c. On applique $y = f'(1)(x-1)+f(1)$ avec $f(1) = 0\times\mathrm{e} = 0$ et $f'(1) = 1\times\mathrm{e}^1 = \mathrm{e}$.

\[ T : y = \mathrm{e}\,(x-1) \quad\text{soit}\quad y = \mathrm{e}\,x - \mathrm{e} \]

✔ Cohérence : la tangente passe bien par le point $(1\,;0)$ de la courbe, et sa pente $\mathrm{e}\approx 2{,}72$ est positive car $f$ est croissante en $1$.

Exercice 3
Coût moyen et coût marginal

Une entreprise produit entre 1 et 30 tonnes d'un engrais. Le coût total de production de $q$ tonnes, en milliers d'euros, est :

\[ C(q) = 0{,}5q^2 + 2q + 50. \]
  1. Calculer le coût marginal $C_m(q) = C'(q)$, puis $C_m(10)$. Interpréter.
  2. Exprimer le coût moyen $C_M(q) = \dfrac{C(q)}{q}$ et montrer que $C_M'(q) = \dfrac{0{,}5q^2 - 50}{q^2}$.
  3. Pour quelle production le coût moyen est-il minimal ? Quelle est sa valeur ?
  4. Comparer le coût moyen minimal et le coût marginal pour cette production. Que remarque-t-on ?

a. On dérive le polynôme $C$.

\[ C_m(q) = C'(q) = q + 2 \qquad C_m(10) = 12 \]

Lorsque l'on produit déjà 10 tonnes, produire une tonne supplémentaire coûte environ 12 000 €.

b. On divise chaque terme par $q$, puis on dérive ($\left(\frac{50}{q}\right)' = -\frac{50}{q^2}$).

\[ C_M(q) = 0{,}5q + 2 + \frac{50}{q} \qquad C_M'(q) = 0{,}5 - \frac{50}{q^2} = \frac{0{,}5q^2 - 50}{q^2} \]

c. Le signe de $C_M'(q)$ est celui de $0{,}5q^2 - 50$, qui s'annule pour $q^2 = 100$, soit $q = 10$ (car $q > 0$).

$C_M'(q) < 0$ sur $[1\,;10[$ et $C_M'(q) > 0$ sur $]10\,;30]$ : le coût moyen est minimal pour 10 tonnes.

\[ C_M(10) = 5 + 2 + 5 = 12 \text{ milliers d'euros par tonne} \]

d. On compare les deux valeurs trouvées.

$C_M(10) = C_m(10) = 12$. 💡 Ce n'est pas un hasard : au minimum du coût moyen, coût moyen et coût marginal sont égaux. Tant que la tonne suivante coûte moins cher que la moyenne, elle fait baisser la moyenne.

Exercice 4
Théorème des valeurs intermédiaires

On considère la fonction $g$ définie sur $[0\,;1]$ par $g(x) = \mathrm{e}^x + x - 3$.

  1. Étudier les variations de $g$ sur $[0\,;1]$.
  2. Montrer que l'équation $g(x) = 0$ admet une unique solution $\alpha$ dans $[0\,;1]$.
  3. À l'aide de la calculatrice, donner un encadrement de $\alpha$ d'amplitude $10^{-2}$.
  4. En déduire le signe de $g(x)$ sur $[0\,;1]$.

a. On dérive : $g'(x) = \mathrm{e}^x + 1$.

Comme $\mathrm{e}^x > 0$, on a $g'(x) > 1 > 0$ : $g$ est strictement croissante sur $[0\,;1]$.

b. On vérifie les trois hypothèses du corollaire du TVI.

  • $g$ est continue sur $[0\,;1]$ (somme de fonctions continues) ;
  • $g$ est strictement croissante sur $[0\,;1]$ ;
  • $g(0) = 1 + 0 - 3 = -2 < 0$ et $g(1) = \mathrm{e} - 2 \approx 0{,}72 > 0$.

$0$ est compris entre $g(0)$ et $g(1)$ : l'équation $g(x) = 0$ admet une unique solution $\alpha \in [0\,;1]$.

c. On balaye au pas de $0{,}01$ jusqu'au changement de signe.

\[ g(0{,}79) \approx -0{,}007 < 0 \qquad g(0{,}80) \approx 0{,}026 > 0 \qquad\Longrightarrow\qquad 0{,}79 < \alpha < 0{,}80 \]

d. $g$ est croissante et s'annule en $\alpha$.

$g(x) < 0$ sur $[0\,;\alpha[$, $g(\alpha) = 0$ et $g(x) > 0$ sur $]\alpha\,;1]$.

⚠ Sans la stricte monotonie, le TVI garantit seulement au moins une solution, pas l'unicité.

Exercice 5
Convexité — croissance végétale

La hauteur d'une plante, en cm, est modélisée en fonction du temps $t$ (en semaines) par

\[ h(t) = -t^3 + 9t^2 + 2 \qquad t\in[0\,;6]. \]
  1. Calculer $h'(t)$ et montrer que la plante grandit sur toute la période.
  2. Calculer $h''(t)$ et étudier la convexité de $h$. Préciser le point d'inflexion.
  3. À quel instant la vitesse de croissance $h'(t)$ est-elle maximale ? Que vaut-elle ?
  4. Déterminer la tangente $T$ au point d'inflexion, puis montrer que $h(t) - (27t - 25) = -(t-3)^3$. Interpréter.

a. On dérive puis on factorise pour étudier le signe.

\[ h'(t) = -3t^2 + 18t = 3t(6-t) \]

Sur $[0\,;6]$, $3t \geqslant 0$ et $6 - t \geqslant 0$ donc $h'(t)\geqslant 0$ : $h$ est croissante, la plante grandit.

b. On dérive une seconde fois et on étudie le signe de $h''$.

\[ h''(t) = -6t + 18 \]

$h''(t) \geqslant 0 \iff t\leqslant 3$. Donc $h$ est convexe sur $[0\,;3]$ et concave sur $[3\,;6]$. $h''$ s'annule en changeant de signe en $3$ : le point $I(3\,;h(3))$ avec $h(3) = -27+81+2 = 56$ est un point d'inflexion.

c. $h'$ croît tant que $h''\geqslant 0$, puis décroît : elle est maximale au point d'inflexion.

\[ h'(3) = 3\times 3\times 3 = 27 \text{ cm par semaine} \]

d. $T : y = h'(3)(t-3) + h(3) = 27(t-3) + 56 = 27t - 25$. On développe $-(t-3)^3$ pour vérifier l'égalité.

\[ -(t-3)^3 = -(t^3 - 9t^2 + 27t - 27) = -t^3 + 9t^2 - 27t + 27 = h(t) - (27t-25) \]

Pour $t < 3$, $-(t-3)^3 > 0$ : la courbe est au-dessus de $T$ (convexité) ; pour $t > 3$, elle est en dessous (concavité). La courbe traverse sa tangente en $I$ : c'est bien la signature d'un point d'inflexion.

💡 Interprétation : la croissance s'accélère pendant 3 semaines, puis ralentit — la plante approche de sa taille adulte ($h(6) = 110$ cm).

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