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Étude de fonction : périodicité, variations, extremums, max et min sur un intervalle

Pour étudier une fonction, on pose quatre questions. Le graphique se répète-t-il (période T avec f(x + T) = f(x)) ? Où monte-t-il ou descend-il (le signe de la pente) ? Où fait-il demi-tour (pente nulle, donc maximum ou minimum local) ? Et sur un intervalle [a, b] choisi, quelle est la plus grande et la plus petite valeur (on regarde les deux bords et les points de retournement à l'intérieur) ?

🎬 L'histoire pas à pas

  1. L'onde se répète. Regarde les deux points violets : après une distance T, la hauteur est exactement la même. T est la période.
  2. Resserre l'onde : w passe de 1 à 2. L'onde se répète deux fois plus vite et la période est divisée par deux, d'environ 6.28 à 3.14.
  3. Nouvelle courbe x³ − 3x. Les parties vertes montent, la partie rouge descend. Le point change de couleur quand tu le fais glisser.
  4. Au sommet de la colline et au fond de la vallée, la tangente orange est plate. La pente y vaut 0. Ce sont les points de retournement.
  5. Regarde maintenant seulement la bande bleue, l'intervalle de −2 à 1.5. La plus grande valeur est 2 en x = −1. La plus petite est −2 à un bord, x = −2.
  6. Jeu libre. Déplace a et b. Le max et le min peuvent être à un point de retournement ou à un bord. Regarde-les sauter.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Qu'est-ce qui se répète exactement dans une fonction périodique ?

L'image entière. Décale-la de T vers la droite et elle retombe exactement sur elle-même.

Pourquoi la période diminue-t-elle quand w grandit ?

Un w plus grand resserre l'onde sur les côtés, donc une onde complète tient dans une distance plus courte : T = 2π ÷ w.

Pourquoi la couleur change-t-elle en −1 et en 1 ?

En ces points la courbe cesse d'aller dans un sens et part dans l'autre, donc la pente change de signe.

Pourquoi la tangente est-elle plate à un point de retournement ?

Juste avant le sommet le graphique monte, juste après il descend. Entre les deux, la pente doit passer par 0.

Pourquoi le minimum est-il au bord x = −2 et pas à un point de retournement ?

Les bords sont aussi des candidats. Ici f(−2) = −2 est égal à la valeur du fond de la vallée f(1) = −2, donc les deux sont les plus petits.

Le maximum peut-il être à un point de retournement ?

Oui. Mets a à −1.5 et b à 1 : le maximum 2 est au point de retournement x = −1.

Périodicité

Une fonction f est périodique s'il existe un nombre T > 0 tel que f(x + T) = f(x) pour tout x. Le plus petit T de ce genre est la période. Le graphique est un morceau qui se répète encore et encore.

Une fonction comme x² n'est pas périodique : ses valeurs ne cessent de grandir et ne se répètent jamais.

Si f a pour période T, il suffit d'étudier une seule période, puis de la recopier.

Monotonie : croissante et décroissante

Une fonction est croissante sur un intervalle si le graphique monte quand x grandit, et décroissante s'il descend. Ensemble, on dit qu'elle est monotone (un seul sens).

C'est la pente qui nous le dit. La pente de la courbe en un point s'écrit f′(x) (la dérivée).

Exemple : f(x) = x³ − 3x, f′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1). Elle est positive pour x < −1 et x > 1 (croissante) et négative pour −1 < x < 1 (décroissante).

Extremums : les points de retournement

Un maximum local est le sommet d'une colline : la fonction monte, puis descend. Un minimum local est le fond d'une vallée : elle descend, puis monte. Ensemble, ce sont des extremums (un extremum au singulier).

En un tel point la tangente est plate, donc f′(x) = 0. Pour les trouver :

  1. Résous f′(x) = 0. Ce sont les candidats (points critiques).
  2. Regarde le signe de f′ juste avant et juste après. Plus puis moins : maximum. Moins puis plus : minimum. Pas de changement : ni l'un ni l'autre (comme x³ en 0).

Pour x³ − 3x : f′ = 0 en x = ±1. En x = −1 la pente passe de + à − : maximum local, de valeur 2. En x = 1 elle passe de − à + : minimum local, de valeur −2.

Max et min sur un intervalle [a, b]

Sur un intervalle fermé [a, b], une fonction régulière a une valeur la plus grande et une valeur la plus petite. Elles peuvent être à un point de retournement à l'intérieur, ou à un bord. Donc :

  1. Trouve les points de retournement (f′ = 0) qui sont dans [a, b]. Ignore ceux qui sont dehors.
  2. Calcule f en ces points et en a et b.
  3. Le plus grand nombre est le maximum, le plus petit est le minimum.

Pour f = x³ − 3x sur [−2, 1.5] : f(−2) = −2, f(−1) = 2, f(1) = −2, f(1.5) = −1.125. Max 2 en x = −1 ; min −2 en x = −2 et x = 1.

Un maximum local n'est pas toujours le plus grand de l'intervalle : un bord peut être plus haut.

À toi : prévois, puis vérifie

Dans la scène 3D, choisis « Max et min sur [a, b] ». Devine : si a = −1.5 et b = 2, où est le maximum ? Fais glisser a et b pour vérifier. À la maison : lance doucement une petite balle en l'air et observe : elle monte, s'arrête un instant au sommet (pente 0) et retombe. Le sommet est le point de retournement. Ou bien frappe dans tes mains à un rythme régulier : le temps entre deux claquements est la période.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Trouve la période de y = sin(3x).

T = 2π ÷ w = 2π ÷ 3 = 2π/3.

2. Trouve la période de y = cos(x/2).

Ici w = 1/2, donc T = 2π ÷ (1/2) = 4π. L'onde est étirée, elle se répète donc plus lentement.

3. La fonction f(x) = x² est-elle périodique ?

Non. Si f(x + T) = f(x) pour tout x, alors en x = 0 : T² = 0, donc T = 0, mais une période doit être strictement positive. Donc x² n'est pas périodique. Le graphique est une cuvette qui ne se répète jamais.

4. Où f(x) = x² − 4x est-elle croissante et décroissante ?

f′(x) = 2x − 4. Elle vaut 0 en x = 2. Pour x < 2, f′ < 0 : décroissante. Pour x > 2, f′ > 0 : croissante. Donc x = 2 est le minimum, avec f(2) = −4.

5. Trouve le maximum local et le minimum local de f(x) = x³ − 3x.

f′ = 3x² − 3 = 0 donne x = ±1. En x = −1 la pente passe de + à − : maximum local, f(−1) = −1 + 3 = 2. En x = 1 elle passe de − à + : minimum local, f(1) = 1 − 3 = −2.

6. Trouve le max et le min de f(x) = x³ − 3x sur [−2, 1.5].

Les points de retournement ±1 sont tous les deux dans l'intervalle. f(−2) = −8 + 6 = −2. f(−1) = 2. f(1) = −2. f(1.5) = 3.375 − 4.5 = −1.125. Le plus grand est 2 en x = −1, le plus petit est −2 en x = −2 et x = 1.

7. Trouve le max et le min de f(x) = x² − 4x + 1 sur [0, 5].

f′ = 2x − 4 = 0 donne x = 2 (à l'intérieur). f(2) = 4 − 8 + 1 = −3. f(0) = 1. f(5) = 25 − 20 + 1 = 6. Maximum 6 en x = 5 (un bord), minimum −3 en x = 2.

8. Trouve le max et le min de f(x) = x + 1/x sur [1, 4].

f′ = 1 − 1/x². Pour x > 1, 1/x² < 1, donc f′ > 0 : croissante sur tout l'intervalle. Pas de point de retournement à l'intérieur (x = 1 est un bord). Minimum f(1) = 2, maximum f(4) = 4 + 0.25 = 4.25.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. La période de sin x est :
2. La période de sin(2x) est :
3. Si f′(x) < 0 sur un intervalle, f y est :
4. En un maximum local, la pente est :
5. Sur [a, b], le maximum peut être :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre maximum local et maximum global ?

Un maximum local est le plus haut dans son voisinage. Le maximum global (absolu) sur un intervalle est la plus haute valeur sur tout l'intervalle.

Une fonction peut-elle être à la fois croissante et décroissante ?

Pas sur le même intervalle, mais sur des parties différentes de son graphique, oui, comme x³ − 3x.

Ai-je besoin des dérivées pour étudier une fonction ?

Elles rendent le travail rapide, mais tu peux aussi lire le graphique ou comparer des valeurs. Cette leçon montre l'idée de pente avec une tangente en 3D.

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