📘 CodingMarble Learn

Dérivées (Première) : pente, taux de variation et règles

Une dérivée dit à quelle vitesse quelque chose change à un instant précis. Sur un graphique, c'est la pente de la tangente. On la trouve avec une limite : on prend un tout petit pas h, on calcule la variation moyenne, puis on fait tendre h vers 0. Ensuite on apprend les règles rapides pour xⁿ, sin x, cos x, les sommes, les différences, les produits et les quotients.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Sur y = x², relie x = 1 et x = 1 + h par une sécante. Quand h devient petit, la sécante se transforme en tangente et sa pente se stabilise à 2.
  2. Une balle parcourt s = t² mètres. La vitesse moyenne sur un court intervalle de temps est 2 + h. Fais tendre h vers 0 : la vitesse à t = 1 vaut exactement 2 m/s. Dérivée = taux de variation.
  3. Définition : f′(x) = lim(h→0) [f(x + h) − f(x)]/h. Pour x³, on obtient 3x², donc d/dx(xⁿ) = n xⁿ⁻¹. Cela donne aussi sin x → cos x.
  4. Règle de la somme : la pente de u + v est la pente de u plus la pente de v. Pour u − v, on soustrait les pentes.
  5. Règle du produit : un rectangle u × v gagne deux bandes, u·dv et v·du. Donc (uv)′ = uv′ + vu′. Ensuite on détaille la règle du quotient ligne par ligne.
  6. Jeu libre : choisis une fonction, fais glisser x et h, et regarde la pente de la sécante atteindre f′(x).

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

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi faut-il une limite pour trouver la pente en un seul point ?

Une pente demande deux points. Avec un seul point, l'avancée vaut 0 et on ne peut pas diviser par 0. On prend donc un deuxième point tout proche et on le fait glisser vers le premier. Dans la 3D, la sécante orange devient la tangente de pente 2.

En quoi la dérivée est-elle la même chose que la vitesse ?

La vitesse, c'est la variation de distance ÷ le temps. Réduis l'intervalle de temps et tu obtiens la vitesse à un instant. L'affichage de la 3D donne 3.5, 3, 2.5, 2.2, 2.1, 2.01 m/s, qui se stabilise à 2.

Pourquoi xⁿ devient-il n xⁿ⁻¹ ?

Développer (x + h)ⁿ donne xⁿ + n xⁿ⁻¹ h + des termes en h², h³… Après avoir soustrait xⁿ et divisé par h, seul n xⁿ⁻¹ reste quand h → 0. La 3D le montre pour x³.

Puis-je dériver une somme terme à terme ?

Oui. Dans la 3D, la pente de x² + sin x en x = 1.5 vaut exactement 3 + 0.07, soit les deux pentes additionnées.

Pourquoi (uv)′ n'est-il pas u′v′ ?

Le rectangle gagne deux bandes, pas seulement un minuscule coin. u′v′ ne représente que le coin, qui disparaît. Les deux bandes donnent uv′ + vu′.

Que se passe-t-il si h est grand ?

Alors tu obtiens la pente moyenne, pas la pente au point. En jeu libre, un grand h éloigne la sécante orange de la tangente rouge.

La dérivée, pente de la tangente

Une sécante est une droite qui passe par deux points d'une courbe. Sa pente est montée ÷ avancée = [f(x + h) − f(x)]/h.

Fais maintenant glisser le deuxième point vers le premier (h → 0). La sécante devient la tangente, la droite qui touche juste la courbe en un point. Sa pente est la dérivée f′(x).

Sur y = x² en x = 1 : la pente de la sécante est 2 + h, donc la pente de la tangente est 2.

La dérivée, taux de variation

Si s(t) est la distance après un temps t, alors [s(t + h) − s(t)]/h est la vitesse moyenne sur la durée h. Quand h → 0, on obtient la vitesse instantanée, ds/dt.

En général, dy/dx dit de combien d'unités y change pour une unité de x, à cet instant précis. Exemple : l'aire d'un cercle A = πr² varie de dA/dr = 2πr. Pour r = 5 cm, cela fait 10π cm² par cm.

Dérivée par la définition

La définition (appelée aussi premier principe ou méthode ab initio) est :

f′(x) = lim(h→0) [f(x + h) − f(x)]/h

Étapes : (1) écrire f(x + h) ; (2) soustraire f(x) ; (3) diviser par h et simplifier ; (4) faire tendre h vers 0.

Résultats usuels

Pour sin x : [sin(x + h) − sin x]/h = 2cos(x + h/2)·sin(h/2)/h. Comme sin(h/2)/(h/2) → 1, le résultat est cos x. On utilise ici la limite sin θ/θ → 1 vue dans la leçon précédente.

Dérivée d'une somme et d'une différence

(u + v)′ = u′ + v′ et (u − v)′ = u′ − v′. De plus (k·u)′ = k·u′ pour une constante k.

Un polynôme se dérive donc terme à terme : d/dx(4x³ − 5x + 7) = 12x² − 5.

Dérivée d'un produit (règle du produit)

(uv)′ = u·v′ + v·u′

Imagine un rectangle de côtés u et v. Quand x augmente un peu, u augmente de du et v de dv. L'aire gagne une bande du haut u·dv et une bande du côté v·du. Le minuscule coin du·dv est si petit qu'il disparaît quand h → 0.

Attention : (uv)′ n'est pas u′·v′.

Dérivée d'un quotient (règle du quotient)

(u/v)′ = (v·u′ − u·v′)/v², avec v ≠ 0.

L'ordre compte à cause du signe moins : bas × dérivée du haut, moins haut × dérivée du bas, le tout sur le bas au carré.

Exemple : d/dx [x/(x + 1)] = [(x + 1)·1 − x·1]/(x + 1)² = 1/(x + 1)².

À toi de jouer

Marche pendant 4 minutes et note ta distance chaque minute. Calcule la vitesse moyenne pour chaque minute. Puis, dans le jeu libre en 3D, choisis x², mets x = 1 et réduis h doucement. Dis la pente à voix haute avant de regarder l'affichage.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Trouve la dérivée de f(x) = x² par la définition.

f(x + h) − f(x) = x² + 2xh + h² − x² = 2xh + h². On divise par h : 2x + h. On fait tendre h vers 0 : f′(x) = 2x.

2. Trouve la dérivée de f(x) = 1/x par la définition.

[1/(x + h) − 1/x]/h = [x − (x + h)]/[h·x(x + h)] = −1/[x(x + h)]. On fait tendre h vers 0 : f′(x) = −1/x².

3. Dérive y = 5x⁴ − 3x² + 2x − 9.

Terme à terme : 20x³ − 6x + 2 − 0 = 20x³ − 6x + 2.

4. Une pierre tombe selon s = 5t² mètres en t secondes. Trouve sa vitesse à t = 3 s.

ds/dt = 10t. Pour t = 3 : 30 m/s.

5. Dérive y = x² sin x.

Règle du produit avec u = x², v = sin x : y′ = x²·cos x + sin x·2x = x² cos x + 2x sin x.

6. Dérive y = (x + 1)/(x − 1).

u = x + 1, v = x − 1, u′ = v′ = 1. y′ = [(x − 1)·1 − (x + 1)·1]/(x − 1)² = −2/(x − 1)².

7. Dérive y = sin x / x.

Règle du quotient : y′ = (x cos x − sin x)/x².

8. Trouve la pente de la tangente à y = x³ − 2x en x = 2.

y′ = 3x² − 2. Pour x = 2 : 12 − 2 = 10. La pente de la tangente est 10.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. La dérivée en un point est la pente de la :
2. d/dx(x⁵) =
3. d/dx(cos x) =
4. (uv)′ =
5. d/dx(1/x) =

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

Qu'est-ce que la définition de la dérivée en classe de Première ?

C'est f′(x) = lim(h→0) [f(x + h) − f(x)]/h. On écrit f(x + h), on soustrait f(x), on divise par h, on simplifie et on fait tendre h vers 0.

Quelle est la différence entre la règle du produit et celle du quotient ?

Produit : (uv)′ = uv′ + vu′ (signe plus). Quotient : (u/v)′ = (vu′ − uv′)/v² (signe moins et division par v²).

Pourquoi appelle-t-on la dérivée un taux de variation ?

Parce que dy/dx dit de combien d'unités y change pour une unité de x à un instant précis, comme la vitesse donne des mètres par seconde à un instant.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 12A. Rate of Change
Canada (Ontario)Grade 12D. Characteristics of Functions
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªRelations and functions
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªRelations and functions
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Applied calculus (part 1)
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Change (part 2)
Ukraine10 класAlgebra: derivative and applications (50 h)
Ukraine10 класAlgebra: limits, continuity and derivative (54 h)
Ukraine10 класAlgebra: the derivative and its applications (14 h)
CBSE (India)Class 11Calculus
England (GCSE, A level)Year 12G Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Differentiation: Definition and Fundamental Properties
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Differentiation: Definition and Fundamental Properties
Japan高校2年Ideas of calculus
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Foundations of differential calculus
Russia10 классElements of calculus
China高二Ch.5 Derivatives

À voir d'abord

À voir ensuite

Leçons liées

Toutes les leçons de Maths