Dérivation/Opérations entre fonctions

Modèle:Chapitre La plupart des fonctions courantes peuvent être obtenues comme somme, produit, quotient et composée des fonctions de référence. Dans ce chapitre nous allons donc étudier comment dériver une somme de fonctions, un produit de fonctions, un quotient de fonctions et une composée de fonctions. Grâce à cela, il deviendra possible de calculer la plupart des dérivées sans utiliser la formule de définition d'une fonction dérivée.

Dérivée d'une somme de fonctions

Soit $f$ et $g$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$. On définit la somme $f+g$ de deux fonctions ainsi :

Pour tout réel $x$ de I, on a :

$(f+g)(x)=f(x)+g(x)$.

Calculons alors la dérivée de $f+g$ au point $x$. L'expression

$\frac{(f+g)(x+h)-(f+g)(x)}{h}=\frac{f(x+h)+g(x+h)-f(x)-g(x)}{h}=\frac{f(x+h)-f(x)}{h}+\frac{g(x+h)-g(x)}{h}$

a une limite quand $h\to 0$ et

$(f+g{)}^{\prime }(x)=\underset{h\to 0}{\lim }[\frac{f(x+h)-f(x)}{h}+\frac{g(x+h)-g(x)}{h}]=f^{\prime }(x)+g^{\prime }(x)=(f^{\prime }+g^{\prime })(x)$.

La relation étant valable pour tout $x$ de $I$, nous aurons : Modèle:Encadre

Dérivée d'un produit de fonctions

Soit $f$ et $g$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$. On définit le produit $fg$ de deux fonctions ainsi :

Pour tout réel $x$ de $I$, on a :

$(fg)(x)=f(x)\times g(x)$.

Calculons alors la dérivée de $fg$ au point $x$. L'expression

$\begin{array}{cc}\frac{(fg)(x+h)-(fg)(x)}{h}& =\frac{f(x+h)\times g(x+h)-f(x)\times g(x)}{h}\\ & =\frac{f(x+h)\times g(x+h)-f(x)\times g(x+h)+f(x)\times g(x+h)-f(x)\times g(x)}{h}\\ & =\frac{(f(x+h)-f(x))g(x+h)+f(x)(g(x+h)-g(x))}{h}\\ & =\frac{f(x+h)-f(x)}{h}\times g(x+h)+f(x)\times \frac{g(x+h)-g(x)}{h}\end{array}$

a une limite quand $h\to 0$ et

$\begin{array}{cc}(fg{)}^{\prime }(x)& =\underset{h\to 0}{\lim }[\frac{f(x+h)-f(x)}{h}\times g(x+h)+f(x)\times \frac{g(x+h)-g(x)}{h}]\\ & =f^{\prime }(x)\times g(x)+f(x)\times g^{\prime }(x)\\ & =f^{\prime }g(x)+f{g}^{\prime }(x)\\ & =(f^{\prime }g+f{g}^{\prime })(x).\end{array}$

La relation étant valable pour tout $x$ de $I$, nous aurons : Modèle:Encadre

Dérivée d'un quotient de fonctions

Soit $f$ et $g$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$. On suppose que $g$ ne s'annule pas. On définit le quotient $\frac{f}{g}$ de deux fonctions ainsi :

Pour tout réel $x$ de $I$, on a :

$\left(\frac{f}{g}\right)(x)=\frac{f(x)}{g(x)}$.

Calculons alors la dérivée de $\frac{f}{g}$ au point $x$. L'expression

$\begin{array}{cc}\frac{\left(\frac{f}{g}\right)(x+h)-\left(\frac{f}{g}\right)(x)}{h}& =\frac{\frac{f(x+h)}{g(x+h)}-\frac{f(x)}{g(x)}}{h}\\ & =\frac{f(x+h)g(x)-f(x)g(x+h)}{hg(x+h)g(x)}\\ & =\frac{f(x+h)g(x)-f(x)g(x)+f(x)g(x)-f(x)g(x+h)}{hg(x+h)g(x)}\\ & =\frac{(f(x+h)-f(x))g(x)-f(x)(g(x+h)-g(x))}{hg(x+h)g(x)}\\ & =\frac{\frac{f(x+h)-f(x)}{h}g(x)-f(x)\frac{g(x+h)-g(x)}{h}}{g(x+h)g(x)}\end{array}$

a une limite quand $h\to 0$ et

$\begin{array}{cc}\left(\frac{f}{g}\right)(x)& =\underset{h\to 0}{\lim }\frac{\frac{f(x+h)-f(x)}{h}g(x)-f(x)\frac{g(x+h)-g(x)}{h}}{g(x+h)g(x)}\\ & =\frac{f^{\prime }(x)\times g(x)-f(x)\times g^{\prime }(x)}{g(x)g(x)}\\ & =\frac{f^{\prime }g(x)-f{g}^{\prime }(x)}{gg(x)}\\ & =\frac{(f^{\prime }g-f{g}^{\prime })(x)}{g^2(x)}\\ & =\left(\frac{f^{\prime }g-f{g}^{\prime }}{g^2}\right)(x).\end{array}$

La relation étant valable pour tout $x$ de $I$, nous aurons : Modèle:Encadre

Dérivée d'une composée de fonctions

Soit $g$ une fonction dérivable sur un intervalle $]a,b[$.

Soit $f$ une deuxième fonction.

Soit $x$ de $]a,b[$ vérifiant les deux conditions :

• $g(x)$ appartient à un intervalle $]c,d[$ tel que pour tout autre point $y$ de $]c,d[$ on ait $g(y)\ne g(x)$ (1).
• $f$ dérivable en $g(x)$.

On rappelle que la composée $f\circ g$ des deux fonctions est définie par :

$f\circ g(x)=f[g(x)]$.

Calculons alors la dérivée de $f\circ g$ au point $x$.

$\begin{array}{cc}\frac{f\circ g(x+h)-f\circ g(x)}{h}& =\underset{h\to 0}{\lim }\frac{f[g(x+h)]-f[g(x)]}{h}\\ & =\frac{g(x+h)-g(x)}{h}\times \frac{f[g(x+h)]-f[g(x)]}{g(x+h)-g(x)}\\ & =\frac{g(x+h)-g(x)}{h}\times \frac{f[g(x+h)]-f[g(x)]}{g(x+h)-g(x)}.\end{array}$

Posons alors $\mu =g(x+h)-g(x)\iff g(x+h)=g(x)+\mu$.

Nous voyons que lorsque $h$ tend vers $0$, $\mu$ tend aussi vers $0$.

Nous pouvons donc continuer le calcul ainsi :

$\begin{array}{cc}(f\circ g{)}^{\prime }(x)& =\underset{h\to 0}{\lim }\frac{g(x+h)-g(x)}{h}\times \underset{h\to 0}{\lim }\frac{f[g(x+h)]-f[g(x)]}{g(x+h)-g(x)}\\ & =\underset{h\to 0}{\lim }\frac{g(x+h)-g(x)}{h}\times \underset{\mu \to 0}{\lim }\frac{f[g(x)+\mu ]-f[g(x)]}{\mu }\\ & =g^{\prime }(x)\times f^{\prime }[g(x)]\\ & =g^{\prime }(x)\times f^{\prime }\circ g(x)\\ & =[(f^{\prime }\circ g)g^{\prime }](x).\end{array}$

La relation étant valable pour tout $x$ vérifiant les conditions fixées dans ce paragraphe, nous aurons : Modèle:Encadre

Nous admettrons que cette relation est toujours vraie même si la condition (1) n'est pas satisfaite. Le lecteur ne sera donc pas tenu de vérifier que la condition (1) est satisfaite.

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