D´erivation et int´egration Une premi`ere approche

Une premi`ere approche

Table des mati` eres

1 Fonctions de R dans R. 1

1.1 Graphe d’une fonction . . . 1

1.2 Premi`eres caract´eristiques d’une fonction . . . 2

1.3 Op´erations sur les fonctions . . . 3

2 Trigonom´etrie 5 2.1 Les fonctions circulaires . . . 5

2.2 Graphes des fonctions circulaires . . . 7

2.3 Formules de trigonom´etrie . . . 8

2.4 Equations trigonom´etriques . . . 10

2.4.1 R´esolution du syst`eme (S) : (cosx=c)∧(sinx=s) . . . 10

2.4.2 R´esolution de l’´equation cosx=c . . . 11

2.4.3 R´esolution de l’´equation sinx=s . . . 11

2.4.4 R´esolution de l’´equation tanx=t . . . 12

2.4.5 Expressions de la forme Acosx+Bsinx. . . 13

3 D´erivation et int´egration 13 3.1 Pente de la tangente . . . 13

3.2 R`egles de d´erivation . . . 14

3.3 D´eriv´ees d’ordre sup´erieur . . . 16

3.4 D´erivation et monotonie . . . 16

3.5 Int´egration . . . 17

3.6 Primitivation . . . 18

4 Fonctions Logarithmes et puissances 20 4.1 Quelques th´eor`emes d’analyse . . . 20

4.2 Les fonctions ln et exp . . . 20

4.3 Logarithmes et exponentielles en basea. . . 24

4.4 Fonctions puissances . . . 25

5.1 Plan d’´etude d’une fonction f de dans . . . 26 5.2 Etude des branches infinies . . . 26

6 D´eformations du graphe 27

7 Trigonom´etrie hyperbolique 30

7.1 Les fonctions ch, sh et th . . . 30 7.2 Formules de trigonom´etrie hyperbolique . . . 30 8 Applications trigonom´etriques r´eciproques 31 8.1 Trigonom´etrie circulaire . . . 31 8.2 Trigonom´etrie hyperbolique . . . 32

9 Calculs d’int´egrales 33

9.1 Changement de variables . . . 33 9.2 Int´egration par parties . . . 35

Introduction

En prenant appui sur les acquis de Terminale, l’objectif de cette partie du cours est d’´etudier les fonctions num´eriques de la variable r´eelle, c’est-`a-dire les fonctions de R dans R, du point de vue de la d´erivation et de l’int´egration.

Afin de mettre rapidement en place des techniques de calcul, on admettra en cours de route certains r´esultats th´eoriques qui seront d´emontr´es lors de chapitres ult´erieurs.

On consid`ere ´egalement que la g´eom´etrie plane n’a aucun secret pour vous. Sa th´eorie ne sera pourtant mise en place qu’en fin d’ann´ee.

1 Fonctions de R dans R .

Notation. On fixe une partie D de R.f d´esigne une fonction de D dans R. f(x) n’est pas n´ecessairement d´efini pour tout x∈D.

Par d´efaut, D=R.

1.1 Graphe d’une fonction

D´efinition. Le domaine de d´efinition de f, not´e D^f est l’ensemble des r´eels x ∈ D pour lesquels la quantit´e f(x) est calculable. Si l’on regarde f comme un programme informatique, dont l’input est xet l’output est f(x), le domaine de d´efinition est l’en- semble des x qui sont accept´es par le programme en entr´ee sans engendrer une erreur.

Exemple. Avec f(x) =

r2−x

x−4,D^f = [2,4[.

D´efinition.

On se place dans le plan usuel, muni d’un rep`ere orthonorm´e direct (O,~ı, ~).

La repr´esentation graphique de f, aussi appel´ee le graphe de f, est l’ensemble des points du plan de coordonn´ees (x, f(x)), lorsquex d´ecrit D^f.

Exemple. Voici ce que l’on obtient pour l’exemple pr´ec´edent :

3 4

1 0

−1 1 2 3 4

D´efinition. Lorsque y=f(x), o`u x∈ D^f ety∈R,

— on dit que y est l’imagede xpar f et

— que x est un ant´ec´edent de y par f.

Tout ´el´ement x de D^f poss`ede une unique image f(x) par f,

mais si y ∈ R, y peut ne poss´eder aucun ant´ec´edent par f, il peut aussi en poss´eder plusieurs.

1.2 Premi` eres caract´ eristiques d’une fonction

D´efinition.

— f est paire si et seulement si :∀x∈D, [−x∈D]∧[f(x) =f(−x)].

— f est impaire si et seulement si : ∀x∈D, [−x∈D]∧[f(−x) = −f(x)].

— Soit T >0. f estT-p´eriodique si et seulement si

∀x∈R, [x+T ∈D]∧f(x+T) =f(x).

Exemple. x 7−→e^−x12 est paire, x7−→sinx est impaire et 2π-p´eriodique. Voici leurs graphes :

1 2 3 4

−1

−2

−3

−4

−5

0

−0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

x e^−x12

1 2 3 4 5 6

−1

−2

−3

−4

−5

−6

−7

0

−0.2

−0.4

−0.6

−0.8

−1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

x sinx

Propri´et´e.

— Le graphe d’une fonction paire est sym´etrique par rapport `a l’axe des ordonn´es.

— Le graphe d’une fonction impaire est sym´etrique par rapport `a l’origine des axes.

— Le graphe d’une fonctionT-p´eriodique est invariant par la translation de vecteur T−→ı.

D´emonstration.

Adapter la d´emonstration de la page 4.

D´efinition.

— f est croissante si et seulement si ∀x, y ∈ Df, [x≤y=⇒f(x)≤f(y)].

— f est strictement croissante si et seulement si

∀x, y ∈ D^f, [x < y =⇒f(x)< f(y)].

— f est d´ecroissante si et seulement si ∀x, y ∈ Df, [x≤y =⇒f(x)≥f(y)].

— f est strictement d´ecroissante si et seulement si

∀x, y ∈ D^f, [x < y =⇒f(x)> f(y)].

— f est monotone si et seulement si f est croissante ou d´ecroissante.

— f est strictement monotone si et seulement si f est strictement croissante ou strictement d´ecroissante.

Propri´et´e. Graphiquement, les ant´ec´edents de λ par f sont les abscisses des points d’intersection du graphe de f avec la droite horizontale d’´equation y=λ.

Propri´et´e. Graphiquement, les solutions de l’in´equation f(x) ≥ λ, en l’inconnue x, sont les abscisses des points du graphe de f situ´es au-dessus de la droite horizontale d’´equation y =λ.

D´efinition. La fonctionf est major´ee si et seulement si il existeM ∈Rtel que, pour tout x ∈ D^f, f(x) ≤ M, c’est-`a-dire tel que le graphe de f est situ´e sous la droite horizontale d’´equation y=M.

1.3 Op´ erations sur les fonctions

D´efinition. Soit f et g deux fonctions deD dans R. Soit λ∈R.

— f+g est la fonction de D dans R d´efinie par (f +g)(x) = f(x) +g(x).

On a D^f+g =D^f ∩ D^g.

— λf est la fonction de D dans R d´efinie par (λf)(x) = λf(x).

On a D^λf =D^f.

— f g est la fonction de D dans R d´efinie par (f g)(x) =f(x)×g(x).

On a D^{f g} =D^f ∩ D^g.

— |f| est la fonction de D dans R d´efinie par |f|(x) = [f(x)|. On aD|f|=D^f.

— On d´efinit de mˆeme f−g, ¹_f, ^f_g.

D´efinition. f est born´ee si et seulement si |f| est major´ee.

D´efinition de la composition : Soit f : D−→R etg : D^′ −→R, o`u D^′ ⊂R. Lorsque f(g(x)) est d´efini, on note f(g(x)) = (f◦g)(x) : on d´efinit ainsi une nouvelle fonction, f◦g. C’est la compos´ee de f etg.

Exemple. Si f(x) = _x¹ etg(x) = √ x+ 1, alors (f◦g)(x) = 1

√x+ 1 et (g◦f)(x) =q

1 x + 1.

V´erifier que D^f◦g =]−1,+∞[ et D^g◦f =]− ∞,−1]∪]0,+∞[.

Application r´eciproque :

Soit f une application d´efinie surD⊂R et `a valeurs dans E ⊂R.

On dit que f est bijective de D dans E si et seulement si tout ´el´ement de E poss`ede un unique ant´ec´edent par f, c’est-`a-dire si et seulement si pour tout y ∈ E, il existe un uniquexy ∈D tel que y=f(xy).

En notant xy = f⁻¹(y), on d´efinit l’application f⁻¹ de E dans D, qui est ´egalement bijective. C’est la bijection r´eciproque de la bijection f.

On a f◦f⁻¹ =IdE,f⁻¹◦f =IdD et [f⁻¹]⁻¹ =f,

o`uIdE est la bijection de E dans E d´efinie par : pour tout x∈E, IdE(x) =x.

D´emonstration.

Admis pour le moment

Propri´et´e. Si f est une bijection d’une partie E deR vers une partieF de R, alors le graphe de f⁻¹ est le sym´etrique du graphe de f pour la sym´etrie orthogonale selon la premi`ere diagonale, c’est-`a-dire la droite d’´equation y=x.

Les deux courbes sont donc image l’une de l’autre dans un miroir oblique pench´e `a 45^◦. D´emonstration.

Notons C le graphe def etC^′ le graphe de f⁻¹.

SoitM un point deC, dont les coordonn´ees sont not´ees (x, y). Alorsx∈E ety=f(x).

Donc y ∈ F et le point M^′ de coordonn´ees (y, x) = (y, f⁻¹(y)) appartient `a C^′. La r´eciproque ´etant similaire, on a montr´e qu’un point de coordonn´ees (x, y) est dans C si et seulement si le point de coordonn´ees (y, x) est dans C^′.

Notons P le plan usuel et sl’application de P dans P qui au pointM de coordonn´ees (x, y) associe le point s(M) de coordonn´ees (y, x). Ainsi, C^′ est l’image de C par s, au sens que C^′ = {s(M) / M ∈ C}, ce que l’on ´ecrit plus concis´ement sous la forme C^′ =s(C).

Orsest la sym´etrie de l’´enonc´e. En effet, le milieu deM et des(M) a pour coordonn´ees (^x+y₂ ,^x+y₂ ) donc il appartient `a la premi`ere diagonale. De plus le vecteur −−−→

M M^′ a pour coordonn´ees (y−x, x−y) : il est orthogonal au vecteur de coordonn´ees (1,1), qui dirige la premi`ere diagonale.

Exemple. Les fonctions x7−→x² et x7−→√ x.

D´efinition. Soit f et g deux applications d´efinies surD `a valeurs dans R.

On dit quef est inf´erieure `ag surD, et on notef ≤g, lorsque :∀x∈D, f(x)≤g(x).

Remarque. La notation “f < g” d´esignera parfois la condition [∀x∈D, f(x)< g(x)], et d’autres fois la condition [(f ≤g) et (f 6=g)],

c’est-`a-dire [∀x∈D, f(x)≤g(x)] et [∃x∈D, f(x)< g(x)].

Exercice. Interpr´eter graphiquement les situationsf ≤g etf < g.

2 Trigonom´ etrie

2.1 Les fonctions circulaires

1 i

O

e^iθ, M(θ)

cosθ sinθ

θ

A B

D´efinition. Vous verrez plus tard qu’on d´efinit la fonction exponentielle complexe par la formule :

∀z ∈C, e^z = lim

n→+∞

Xn

k=0

z^k k!. Propri´et´e. Pour toutz ∈C, [e^z] =e^[z].

Pour tout z, z^′ ∈C,e^z ×e^z′ =e^z+z′. D´emonstration.

Admis pour le moment.

Propri´et´e. Pour toutθ ∈R, le complexe e^iθ est sur le cercle unit´e.

D´emonstration.

|e^iθ|² =e^iθ ×[e^iθ] =e^iθ×e^−iθ, donc |e^iθ|² =e^iθ−iθ =e⁰ = 1.

Propri´et´e. Soit θ∈R. On admettra pour le moment que θ est l’angleM1\M0M_e^iθ (en notant Mz le point d’affixe z).

D´efinition. Pour toutθ ∈R,

cos(θ) = Re(e^iθ) et sin(θ) = Im(e^iθ).

Cela correspond `a l’interpr´etation g´eom´etrique usuelle : si l’on rapporte le plan usuel

`a un rep`ere orthonorm´e direct (O,~ı, ~), cosθ et sinθ sont les abscisse et ordonn´ee du

point M(θ) du cercle unit´e (de rayon 1 centr´e en O) tel que l’angle \

(~ı,−−→OM) est ´egal `a θ, modulo 2π.

Formules d’Euler : Pour toutθ ∈R cosθ = e^iθ +e^−iθ

2 et sinθ= e^iθ−e^−iθ

2i .

D´emonstration.

Soit θ ∈R. Posons z =e^iθ. cosθ = Re(z) = z+z

2 = e^iθ+e^−iθ

2 .

Propri´et´e. La fonction cos est paire.

La fonction sin est impaire.

D´emonstration.

C’est clair avec les formules d’Euler.

Propri´et´e. 2π est la plus petite p´eriode de la fonction cos.

2π est la plus petite p´eriode de la fonction sin.

D´emonstration.

Admis pour le moment.

Propri´et´e. On d´emontrera ´egalement plus tard que, pour tout θ∈R, sinθ= 0 ⇐⇒ ∃k ∈Z, θ=kπ

⇐⇒∆ θ ≡0 [π]

⇐⇒θ ∈πZ, et

cosθ = 0 ⇐⇒ ∃k ∈Z, θ= ^π₂ +kπ

⇐⇒∆ θ ≡ ^π₂ [π]

⇐⇒θ ∈ ^π2 +πZ.

Remarque. On peut visualiser ces propri´et´es sur le cercle unit´e du plan complexe, aussi appel´e le cercle trigonom´etrique.

D´efinition des fonctions tangente et cotangente : On pose tanθ = sinθ

cosθ et cotan θ = cosθ sinθ.

D’apr`es la remarque pr´ec´edente, la fonction tangente est d´efinie surR\(^π₂ +πZ) et la fonction cotangente est d´efinie surR\πZ.

Ces deux nouvelles fonctions sont π-p´eriodiques et impaires.

Remarque. D’apr`es le th´eor`eme de Thal`es, les longueurs des cˆot´es du triangle OAB (cf figure ci-dessus) v´erifient les relations OA

OB = cosθ

1 et AB

OB = sinθ

1 , d’o`u l’on d´eduit la relation tanθ = AB

OA. Ces relations concernent le triangle OAB, ind´ependamment du rep`ere choisi.

On retrouve ainsi les formules bien connues concernant un triangle rectangle : Formules : Soit OAB un triangle rectangle en A.

Par d´efinition, l’hypot´enuse (nom f´eminin) est le cˆot´e oppos´e `a l’angle droit.

Notons θ =AOB[ l’angle au sommetO. Alors cosθ = OA

OB = longueur du cˆot´e adjacent longueur de l’hypot´enuse et sinθ = AB

OB = longueur du cˆot´e oppos´e longueur de l’hypot´enuse. On en d´eduit que

tanθ= AB

OA = longueur du cˆot´e oppos´e longueur du cˆot´e adjacent.

Cette derni`ere formule permet d’interpr´eter g´eom´etriquement la quantit´e tanθ : sur la figure suivante, c’est la longueur du segment [I, J], ou bien du segment [H, K].

O cosθ 1

I J H

K sinθ

θ

2.2 Graphes des fonctions circulaires

0 ^π₂ π ^3π₂ 2π

−π

−π 2

−1

1 sin

0 ^π₂ π ^3π₂ 2π

−π

−π 2

−1

1 cos

Repr´esentation graphique de la fonction tangente : au tableau.

2.3 Formules de trigonom´ etrie

Formule circulaire : Pour tout θ∈R, cos²θ+ sin²θ = 1.

D´emonstration.

Le pointM(θ) est sur le cercle unit´e.

On en d´eduit une autre formule :

1 + tan²θ = 1 cos²θ. Formules d’addition : Pour tout a, b∈R,

cos(a+b) = cosacosb−sinasinb et sin(a+b) = sinacosb+ cosasinb.

D´emonstration.

cos(a+b) +isin(a+b) =e^i(a+b)=e^iae^ib = (cosa+isina)(cosb+isinb) et on conclut en passant aux parties r´eelle et imaginaire.

En particulier, on obtient les propri´et´es de sym´etrie suivantes :

Formules de sym´etrie : Lorsque les quantit´es qui interviennent sont d´efinies, cos(π+θ) = −cos(θ) sin(π+θ) =−sin(θ) tan(π+θ) = tan(θ)

cos(π−θ) =−cos(θ) sin(π−θ) = sin(θ) tan(π−θ) =−tan(θ) cos(^π₂ +θ) =−sin(θ) sin(^π₂ +θ) = cos(θ) tan(^π₂ +θ) = −cotan (θ)

cos(^π₂ −θ) = sin(θ) sin(^π₂ −θ) = cos(θ) tan(^π₂ −θ) = cotan (θ)

Remarque. Apprenez ces formules par coeur, mais sachez ´egalement les retrouver rapidement en les visualisant sur le cercle trigonom´etrique.

Par exemple, on retrouve la derni`ere ligne des formules en remarquant que les points M(θ) et M(<sup>π</sup><sub>2</sub> −θ) sont sym´etriques par rapport `a la premi`ere diagonale, c’est-`a-dire la droite d’´equation y =x, En effet, cette droite fait un angle ´egal `a <sup>π</sup><sub>4</sub> avec l’axe des abscisses, or <sup>π</sup><sub>4</sub> est ´egal `a la demi-somme de θ et de ^π₂ −θ.

Or la sym´etrie orthogonale selon cette premi`ere diagonale envoie le point M de coor- donn´ees (x, y) sur le point de M<sup>′</sup> de coordonn´ees (y, x) (cf page 4), donc l’abscisse de M(θ) est ´egale `a l’ordonn´ee de M(^π₂ −θ) et l’ordonn´ee de M(θ) est ´egale `a l’abscisse deM(^π₂ −θ).

De mˆeme, on retrouve la premi`ere ligne de ces formules en remarquant que M(θ) et M(π+θ) sont sym´etriques par rapport au point O et la seconde en remarquant que M(θ) et M(π−θ) sont sym´etriques par rapport `a l’axe des ordonn´ees.

Des formules d’addition, on d´eduit ´egalement les formules suivantes :

Formule : Pour touta, b∈R, lorsque les quantit´es qui interviennent sont d´efinies, cos(a−b) = cosacosb+ sinasinb et sin(a−b) = sinacosb−cosasinb,

tan(a+b) = tana+ tanb

1−tanatanb et tan(a−b) = tana−tanb 1 + tanatanb.

D´emonstration.

Pour la formule relative `a tan(a+b), on suppose que cos(a+b), cosa et cosb sont tous trois non nuls.

tan(a+b) = sinacosb+ sinbcosa

cosacosb−sinasinb : on conclut en divisant le num´erateur et le d´enominateur par la quantit´e cosacosb.

Formules de duplication : Lorsque les quantit´es qui interviennent sont d´efinies, cos(2a) = cos²a−sin²a= 2 cos²a−1 = 1−2 sin²a,

sin(2a) = 2 sinacosa, tan(2a) = 2 tana

1−tan²a.

Premi`eres formules de lin´earisation : cos²a= cos(2a) + 1

2 et sin²a= 1−cos(2a)

2 ≥0.

2 cosa.cosb= cos(a+b) + cos(a−b), 2 sina.sinb= cos(a−b)−cos(a+b), 2 sina.cosb= sin(a+b) + sin(a−b).

Formules de factorisation : cosp+ cosq = 2 cosp+q

2 cosp−q 2 , cosp−cosq=−2 sinp+q

2 sinp−q 2 , sinp+ sinq= 2 sinp+q

2 cos p−q 2 , sinp−sinq= 2 sinp−q

2 cosp+q 2 . D´emonstration.

⋄ Premi`ere m´ethode : dans les trois derni`eres formules de lin´earisation, on remplace a et b par p+q

2 et p−q 2 .

⋄ Seconde m´ethode : A l’aide des complexes.

cosp+ cosq = Re(e^ip+e^iq) = Re

e^ip+q2 (e^ip−q2 +e^iq−p2 ) , donc cosp+ cosq = 2 cos^p−₂^q ×Re(e^ip+q2 ) = 2 cos^p+q₂ cos ^p−₂^q. Les autres formules se d´emontrent de la mˆeme fa¸con.

Remarque. Selon le programme officiel, ces formules de factorisation ne sont pas

`a connaˆıtre par coeur (mais ce n’est pas interdit) : vous devez ˆetre capable de les red´emontrer.

Formules (hors programme) :Lorsque les quantit´es qui interviennent sont d´efinies : en posant u= tan(θ

2), on a cosθ = 1−u²

1 +u², sinθ= 2u

1 +u², tanθ = 2u 1−u².

D´emonstration.

On suppose que θ ∈R\(π+ 2πZ) afin queu soit d´efini.

Alors, 1−u²

1 +u² = 1− ^sincos^22(θ/2)(θ/2)

1 + _cos^sin22^(θ/2)(θ/2)

= cos²(θ/2)−sin²(θ/2)

cos²(θ/2) + sin²(θ/2) = cosθ.

On proc`ede de mˆeme pour la seconde formule.

Remarque. Notons C le cercle unit´e etMπ le point de coordonn´ees (−1,0).

D’apr`es ces formules, un point M de coordonn´ees (x, y) appartient `a C \ {Mπ} si et seulement si il existe t∈R tel que x= 1−t²

1 +t² et y= 2t 1 +t².

On dispose ainsi d’un param`etrage du cercle C priv´e du point Mπ `a l’aide de fractions rationnelles (c’est-`a-dire de fonctions qui s’´ecrivent comme un quotient de polynˆomes).

Propri´et´e. Voici les valeurs `a connaˆıtre des fonctions trigonom´etriques : θ 0 ^π₆ ^π₄ ^π₃ ^π₂

cosθ 1 ^√₂^{3 √}₂^{2 1}₂ 0 sinθ 0 ¹₂ ^√₂^{2 √}₂³ 1 tanθ 0 ^√₃³ 1 √

3 non d´efini

Remarque. Les valeurs de tan ^π₆ et de tan^π₃ sont ^√1₃ et √

3. C’est coh´erent avec le caract`ere croissant de tan sur l’intervalle [0,^π₂[.

D´emonstration.

⋄ cos^{2 π}₄ = 1 + cos(2.^π₄)

2 = 1

2.

⋄ Posonsa= ^π₆.

cos(3a) = cosacos 2a−sinasin 2a= cosa(2 cos²a−1)−2 sin²acosa, ainsi cos(3a) = 4 cos³a−3 cosa= 0, car 3a= ^π₂,

donc 4 cos²a−3 = 0.

2.4 Equations trigonom´ etriques

2.4.1 R´esolution du syst`eme (S) : (cosx=c)∧(sinx=s) On fixe c, s∈Ret on veut r´esoudre le syst`eme d’´equations

(S) : (cosx=c)∧(sinx=s), en l’inconnuex∈R. Sic²+s² 6= 1, (S) n’admet aucune solution.

Sic²+s² = 1, alors le pointM de coordonn´ees (c, s) est sur le cercle unit´e. On justifiera plus tard qu’il existe un unique x0 ∈[0,2π[ tel que cosx= cosx0 et sinx= sinx0, et que l’ensemble des solutions de (S) est x0+ 2πZ.

Exemple. cosx=

√2

2 =−sinx⇐⇒x∈ −π

4 + 2πZ.

2.4.2 R´esolution de l’´equation cosx=c

D´efinition. On d´emontrera plus loin que l’application cos r´ealise une bijection (d´ecroissante) de [0, π] dans [−1,1]. On note arccos l’application r´eciproque.

R´esolution de l’´equation cosx=c :

Soit c∈R. On note (E) l’´equation cosx=c, en l’inconnue x∈R. Sic /∈[−1,1], (E) n’admet aucune solution.

Sic∈[−1,1], posons x0 = arccos(c). Alors (E)⇐⇒cosx= cosx₀ ⇐⇒x≡ ±x₀ [2π].

Ainsi, l’ensemble des solutions de (E) est S = (x0+ 2πZ)∪(−x0+ 2πZ).

D´emonstration.

On suppose que c∈[−1,1] et on pose x0 = arccos(c).

Il est clair que les ´el´ements de S sont solutions de (E).

R´eciproquement, supposons que cosx= cosx0.

Premier cas : Supposons qu’il existek ∈Z tel que x∈[2kπ,(2k+ 1)π].

Alors x−2kπ ∈ [0, π] et cosx0 = cos(x−2kπ), or l’application cos est une bijection de [0, π] dans [−1,1], doncx=x0+ 2kπ.

Second cas : Sinon, il existe k∈Z tel que x∈[(2k+ 1)π,(2k+ 2)π].

Alors−x∈[2k^′π,(2k^′+ 1)π] o`u k<sup>′</sup> =−k−1, donc on peut appliquer le premier cas `a −x.

Exemple. cosx=

√3

2 ⇐⇒x∈(π

6 + 2πZ)∪(−π

6 + 2πZ).

Corollaire. Pour tout u, v ∈R, cosu= cosv ⇐⇒u≡ ±v [2π].

D´emonstration.

L’implication indirecte est claire. R´eciproquement, soitu, v ∈R tels que cosu= cosv.

Posonsx₀ = arccos(cosv). Alors cosv = cosx₀ = cosu,

donc u≡ ±x0 [2π] et v ≡ ±x0 [2π], ce qui permet de conclure.

Exercice. R´esoudre l’´equation (E) : cosx= cos(^π₃ −2x).

Solution : (E)⇐⇒ ∃k ∈Z,







x = ^π₃ −2x+ 2kπ ou

x =−^π₃ + 2x+ 2kπ ⇐⇒ ∃k ∈Z,







x = ^π₉ + 2k^π₃ ou x = ^π₃ + 2kπ Ainsi, l’ensemble des solutions estS = (^π₃+2πZ)∪(^π₉+2^π₃Z) : modulo 2π, les solu- tions sont ^π₃, ^π₉, ^7π₉ et ^13π₉ , que l’on peut repr´esenter sur le cercle trigonom´etrique.

2.4.3 R´esolution de l’´equation sinx=s

D´efinition. On d´emontrera plus loin que l’application sin r´ealise une bijection (crois- sante) de [−^π2,^π₂] dans [−1,1]. On note arcsin l’application r´eciproque.

R´esolution de l’´equation sinx=s :

Soit s∈R. On note (E) l’´equation sinx=s, en l’inconnuex∈R.

Sis /∈[−1,1], (E) n’admet aucune solution.

Sis ∈[−1,1], posons x0 = arcsin(s). Alors

(E)⇐⇒sinx= sinx0 ⇐⇒(x≡x0 [2π])∨(x≡π−x0 [2π]).

Ainsi, l’ensemble des solutions de (E) est S = (x0+ 2πZ)∪(π−x0+ 2πZ).

D´emonstration.

On suppose que s∈[−1,1] et on pose x0 = arcsin(s).

Il est clair que les ´el´ements de S sont solutions de (E).

R´eciproquement, supposons que sinx= sinx₀.

Premier cas : Supposons qu’il existek ∈Z tel que x∈[−^π₂ + 2kπ,^π₂ + 2kπ].

Alorsx−2kπ ∈[−^π2,^π₂] et sinx0 = sin(x−2kπ), or l’application sin est une bijection de [−^π₂,^π₂] dans [−1,1], doncx=x₀+ 2kπ.

Second cas : Sinon, il existe k∈Z tel que −^π₂ + (2k+ 1)π≤x≤ ^π₂ + (2k+ 1)π, donc −^π2 −(2k+ 1)π≤ −x≤ ^π2 −(2k+ 1)π, puis −^π2 −(2k)π≤π−x≤ ^π2 −(2k)π.

Alorsπ−x∈[−^π₂ + 2k^′π, ^π₂ + 2k^′π] o`uk<sup>′</sup> =−k, donc on peut appliquer le premier cas `a π−x.

Exemple. sinx=

√3

2 ⇐⇒x∈(π

3 + 2πZ)∪(2π

3 + 2πZ).

Corollaire. Pour tout u, v ∈R, sinu= sinv ⇐⇒(u≡v [2π])∨(u≡π−v [2π]).

D´emonstration.

L’implication indirecte est claire. R´eciproquement, soitu, v ∈R tels que sinu= sinv.

Posonsx0 = arcsin(sinv). Alors sinv = sinx0 = sinu,

donc (u ≡ x0 [2π])∨(u ≡ π −x0 [2π]) et (v ≡ x0 [2π])∨(v ≡ π −x0 [2π]), ce qui permet de conclure.

2.4.4 R´esolution de l’´equation tanx=t

D´efinition. On d´emontrera plus loin que l’application tan r´ealise une bijection (crois- sante) de ]−^π₂,^π₂[ dans R. On note arctan l’application r´eciproque.

R´esolution de l’´equation tanx=t :

Soit t∈R. On note (E) l’´equation tanx=t, en l’inconnuex∈R\(^π₂ +πZ).

Posonsx0 = arctan(t). Alors

(E)⇐⇒tanx= tanx0 ⇐⇒x≡x0 [π]).

Ainsi, l’ensemble des solutions de (E) est S =x₀+πZ. D´emonstration.

R´esulte du fait que tan est π-p´eriodique : tan(x) = tan(x+kπ) pour tout k ∈Z. Exemple. tanx=−√

3⇐⇒x∈(−^π₃ +πZ).

Corollaire. Pour tout u, v ∈R\(^π₂ +πZ), tanu= tanv ⇐⇒u≡v [π].

2.4.5 Expressions de la forme Acosx+Bsinx.

Technique `a connaˆıtre : transformation de Acosx+Bsinx en rcos(x−ϕ).

Premi`ere m´ethode :

Soit (A, B)∈R²\ {(0,0)}. Acosx+Bsinx=√

A²+B² A

√A² +B² cosx+ B

√A²+B² sinx . Posons c = A

√A²+B² et s = B

√A²+B². On a c² +s² = 1, donc on sait qu’il existe ϕ∈R tel que c= cosϕ et s= sinϕ. Ainsi, en posant r=√

A²+B², Acosx+Bsinx=r(cosϕcosx+ sinϕsinx) =rcos(x−ϕ).

r est appel´e l’amplitude et ϕ la phase.

On remarquera que, par construction, c+is=e^iϕ, donc A+iB =re^iϕ. Seconde m´ethode : lorsque A6= 0. Il existe ϕ tel que tanϕ= B

A. AlorsAcosx+Bsinx=A(cosx+ sinϕ

cosϕ.sinx) = A

cosϕcos(x−ϕ).

Remarque. Ainsi, une combinaison lin´eaire de deux signaux sinuso¨ıdaux de mˆeme p´eriode en quadrature (d´ephasage de 90 degr´es) est un signal sinuso¨ıdal d´ephas´e.

Exercice. R´esoudre l’´equation (E) : −3 cosx+ 4 sinx= 10.

Exercice. R´esoudre l’´equation (E) : √

3 cosx−sinx= 2.

3 D´ erivation et int´ egration

3.1 Pente de la tangente

Propri´et´e. Les fonctions affines de R dans R sont exactement les applications de la forme R −→ R

x 7−→ px+y0 o`u p, y₀ ∈R.

Le graphe d’une telle application est la droite d’´equationy =px+y0. On dit quepest la pente de cette droite et que y₀ est l’ordonn´ee `a l’origine.

Remarque. Lorsque le plan usuel est rapport´e `a un rep`ere orthonorm´e direct (O,~ı, ~), outre les droites admettant une ´equation de la formey =px+y0, on dispose ´egalement des droites “verticales”, d’´equation x = x₀, o`u x<sub>0</sub> ∈ R. On peut dire que la pente de ces derni`eres est infinie.

Deux droites affines du plan sont parall`eles si et seulement si elles ont la mˆeme pente.

Propri´et´e. Soit f : R−→ R une fonction. Pour tout x0, x1 ∈ D^f, avec x0 6=x1, la corde du graphe de f entre les abscisses x0 et x1 est par d´efinition l’unique droite du plan passant par les points du graphe de f d’abscisses x0 et x1.

Elle a pour ´equation : y−f(x0) = f(x1)−f(x0)

x1−x0 ×(x−x0).

En particulier, la pente de cette droite est ´egale `a f(x1)−f(x0) x1−x0

.

D´efinition. Soit f : R−→Rune fonction d´efinie sur un intervalle I et soit x0 ∈I.

On dit que f est d´erivable en x₀ si et seulement si la quantit´e f(x1)−f(x0) x1−x0

poss`ede une limite lorsque x1 tend vers x0. Dans ce cas, cette limite est not´ee f^′(x0) et est appel´ee la d´eriv´ee de f en x0.

Remarque. Nous ferons plus tard la th´eorie des notions de limite et de d´eriv´ee.

Informellement, lorsquef est d´erivable enx0, la corde du graphe def entre les abscisses x0 etx1 tend vers une droite non verticale, de pentef^′(x0), que l’on appelle la tangente au graphe de f en le point de coordonn´ees (x0, f(x0)). Cette tangente a donc pour

´equation :y−f(x0) =f^′(x0).(x−x0).

Cela dit que la meilleure approximation def, au voisinage dex0, parmi l’ensemble des applications affines, est x7−→f(x0) +f^′(x0).(x−x0).

Il faut retenir que f^′(x0), lorsqu’elle est d´efinie, est la pente de la tangente au graphe def en le point d’abscisse x0.

D´efinition. On dit que f est d´erivable sur I (o`u I est un intervalle inclus dans D^f) si et seulement si elle est d´erivable en chacun des r´eels de I.

On dispose alors de l’application f^′, d´efinie au moins sur I.

Lorsque f^′ est continue sur I, on dit que f est de classe C¹ sur I; on dit aussi que f est continˆument d´erivable sur l’intervalle I.

Exemple. Lorsque f(x) = ax+b, o`u a et b sont des param`etres r´eels, f est C¹ et, pour toutx∈R, f^′(x) =a.

Dans ce cas, le graphe def est une droiteD et toutes les cordes du graphe sont ´egales

`a D.

Exemple. Prenons f(x) = x². Alors f(x1)−f(x0) x1−x0

= x1+x0 _x−→

1→x0

2x0, donc f est d´erivable sur R etf^′(x) = 2x.

Exercice. Calculer de la mˆeme fa¸con la d´eriv´ee de x7−→ ¹x.

Exemple. Prenons f(x) = cosx. Soit x∈R. D’apr`es une formule de factorisation, f(x)−f(y)

x−y =−sinx+y 2

×sin^x−₂^y

x−y 2

. Or sint t −→

t→0 1, donc f(x)−f(y) x−y −→

y→x −sin(x).

Ceci prouve que cos est d´erivable et que cos^′ =−sin.

3.2 R` egles de d´ erivation

Propri´et´e. On d´emontrera plus tard les formules suivantes :

— Pour tout α, β ∈R, (αf +βg)^′ =αf^′+βg^′.

— (f g)^′ =f^′g+f g^′.

— 1 f

_′

=−f^′ f².

— f g

= f^′g−g^′f g² .

— (f◦g)^′ =g^′×(f^′◦g).

— Pour tout n ∈N^∗, (fⁿ)^′ =nf^′×fⁿ⁻¹.

— Lorsque f est bijective, (f⁻¹)^′ = 1 f^′◦f⁻¹.

Les fonctions qui interviennent dans ces formules sont toutes suppos´ees d´erivables sur un intervalle. On se limite ´eventuellement `a un sous-intervalle pour s’assurer que les quantit´es qui interviennent dans les formules sont bien d´efinies.

Remarque. La derni`ere formule s’interpr`ete bien g´eom´etriquement en tenant compte du fait que les graphes de f et de f⁻¹ sont sym´etriques par rapport `a la premi`ere diagonale. En effet, une droiteDde pentepadmet une ´equation de la formey=px+y0, donc le sym´etrique deD selon la premi`ere diagonale admet pour ´equationx=py+y₀, qui est une droite de pente ¹_p lorsque p6= 0.

Remarque. Selon le contexte,f⁻¹ peut d´esigner l’application r´eciproque def ou bien la quantit´e ¹_f, ce qui n’est pas du tout la mˆeme chose.

Remarque. Certaines coh´erences entre ces formules aident `a les retenir :

⋄ (f²)^′ = (f f)^′ = 2f f^′, (f³)^′ = (f²×f)^′ =f ×(f²)^′+f²×f^′ = 3f^′×f².

Par r´ecurrence, on retrouverait par ce proc´ed´e que pour toutn∈N^∗, (fⁿ)^′ =nf^′×fⁿ⁻¹. En particulier, avec f(x) = x, on obtient que

∀n∈N^∗, d

dx(xⁿ) =nxⁿ⁻¹. Soit n ∈N^∗. Posons g(x) =xⁿ.

Alors (fⁿ)^′ = (g◦f)^′ =f^′×g^′◦f =f^′×n×fⁿ⁻¹ : c’est coh´erent.

⋄ Posonsg(x) = _x¹. On a vu que g^′(x) = − 1

x². Ainsi, on retrouve que 1

f _′

= (g◦f)^′ =f^′×g^′◦f =−f^′ f². Ensuite, on en d´eduit que f

g _′

=f^′× 1

g +f ×1 g

_′

= f^′g−g^′f g² . Remarque. On a mˆeme, pour tout n ∈Z^∗, (fⁿ)^′ =nf^′×fⁿ⁻¹. En effet, fixons n ∈N^∗. d

dx(x⁻ⁿ) = d dx

1 xⁿ

=−nxⁿ⁻¹

x²ⁿ =−nx⁻ⁿ⁻¹. Exemples :

— d

dx(2x⁴+ 5x² +π) = 8x³+ 10x.

— d

dx(cos³x) =−3 sinxcos²x.

— d

dx

ax+b cx+d

= ad−bc (cx+d)².

— d

(cos(cosx)) = sinx×sin(cosx).

— d

dx(tanx) = d dx

sinx cosx

= 1

cos²x = 1 + tan²x.

— d

dx(arcsinx) = 1

cos(arcsinx) = 1

√1−x².

— d

dx(arccosx) = 1

−sin(arccosx) = −1

√1−x².

— d

dx(arctanx) = 1

tan^′(arctanx) = 1 1 +x².

3.3 D´ eriv´ ees d’ordre sup´ erieur

D´efinition. Sif^′ est d´efinie sur un intervalle I, on dit quef est deux fois d´erivable surI lorsquef^′ est d´erivable en tout point deI. La d´eriv´ee de la d´eriv´ee def est not´ee f^′′. On l’appelle la d´eriv´ee seconde de f.

Soit n ∈N. Par r´ecurrence, la d´eriv´ee n-i`eme de f lorsqu’elle est d´efinie est la d´eriv´ee de la d´eriv´ee (n−1)-i`eme. On la note f⁽ⁿ⁾ ou bienx7−→ dⁿ

dxⁿ(f(x)).

On dit que f est de classe Cⁿ surI lorsque f estn fois d´erivable surI et que f⁽ⁿ⁾ est continue.

On dit que f est de classeC^∞ surI lorsque, pour toutn ∈N, f estCⁿ surI.

Remarque. On convient que f⁽⁰⁾ =f, pour toute application f deR dans R.

Exemple. Lorsque f(x) = ax+b, f est C^∞ et, pour tout n ∈ N avec n ≥ 2, pour tout x∈R, f⁽ⁿ⁾(x) = 0.

Exemple. Si f est de classe C^∞ sur R, pour tout a, b∈R, x7−→f(ax+b) est aussi de classeC^∞ surR et, pour tout x∈R et n∈N, dⁿ

dxⁿ(f(ax+b)) = aⁿf⁽ⁿ⁾(ax+b).

Exemple. On prouve que sin est d´erivable, de d´eriv´ee cos. Ainsi, par r´ecurrence, on en d´eduit que cos et sin sont de classe C^∞.

On peut montrer par r´ecurrence les formules suivantes :

Pour tout n∈N, pour tout x∈R, cos⁽ⁿ⁾(x) = cos(x+n^π₂) et sin⁽ⁿ⁾(x) = sin(x+n^π₂).

Exemple. Soit a ∈ R. Montrer que, pour tout n ∈ N, pour tout x ∈ R \ {−a}, dⁿ

dxⁿ 1

x+a

= (−1)ⁿn!

(x+a)ⁿ⁺¹ (on rappelle que n! =n×(n−1)× · · · ×1).

3.4 D´ erivation et monotonie

Th´eor`eme. Soitf une fonction deI dansR, o`uI est unintervalledeR. On suppose que f est d´erivable surI.

— f est constante surI si et seulement si f^′ est identiquement nulle sur I.

— f est croissante sur I si et seulement si ∀x∈I, f^′(x)≥0.

— f est d´ecroissante sur I si et seulement si ∀x∈I, f^′(x)≤0.

— Si f^′(x) est de signe constant sur I et si {x∈I/f^′(x) = 0} est fini, alors f est strictement monotone.

D´emonstration.

Admis pour le moment.

Exemple. Posons f(x) = _x¹. L’application f est d´efinie et d´erivable surR^∗ et f^′(x) =− 1

x² <0, donc f est d´ecroissante sur R^∗

− et surR^∗

+. Attention cependant, f n’est pas globalement d´ecroissante sur R^∗. Exemple. Montrer que, pour tout x >0, sinx < x.

Pour x >1, sinx≤1< x.

Sur I = [0,1], posons f(x) = x−sinx. f est d´erivable et f^′(x) = 1−cosx ≥ 0. De plus, pour tout x ∈ I, f^′(x) = 0 ⇐⇒ x = 0. Ainsi f est strictement croissante sur [0,1], donc pour toutx∈]0,1],f(x)> f(0) = 0, donc sin(x)< x.

On en d´eduit que, pour tout x∈R, |sinx| ≤ |x|.

Exemple. Pour tout x∈[−1,1], arccosx+ arcsinx= ^π₂.

En effet, si l’on posef(x) = arccosx+ arcsinx,f est d´erivable sur ]−1,1[ etf^′(x) = 0, donc f est constante sur ]−1,1[, ´egale `a f(0) = ^π₂.

C’est encore vrai pour x=±1.

On peut aussi le montrer sans d´eriver : soit x∈[−1,1].

Posonsθ = arccosx etϕ= arcsinx.

Alors cosθ =x= sinϕ = cos(^π₂ −ϕ), or θ,^π₂ −ϕ ∈[0, π], doncθ = ^π₂ −ϕ.

Exercice. Adapter l’exemple pr´ec´edent pour montrer que, pour tout t ∈ R^∗, arctant+ arctan¹_t = sgn(t)× ^π₂, o`u sgn(t) repr´esente le signe de t, c’est-`a-dire 1 sit >0 et −1 si t <0.

3.5 Int´ egration

D´efinition. Soit a, b∈R avec a < b. Soit f : [a, b]−→ R une application continue.

On note Z b

a

f(t)dt(prononcer “int´egrale dea`abde f(t) dt”) l’aire comprise entre l’axe des abscisses (not´eOx) et le graphe def, en comptant positivement les aires au dessus de l’axe Ox (donc lorsque f(x) ≥ 0) et n´egativement les aires situ´ees au dessous de l’axeOx (lorsque f(x)≤0).

Remarque. On utilise une notion d’aire mal d´efinie. C’est une d´efinition intuitive et informelle. Nous construirons une th´eorie de l’int´egration plus rigoureuse ult´erieurement.

Exemple. Pour tout c∈R eta < b, Z b

a

cdt=c(b−a), car c’est l’aire d’un rectangle.

Pour a >0, Z a

0

tdt= a²

2 , car c’est la moiti´e de l’aire d’un carr´e de cˆot´ea.

Convention : Avec les notations et hypoth`eses pr´ec´edentes, on convient que

Z a b

f(t)dt=− Z b

a

f(t)dt et que Z a

a

f(t)dt = 0.

On admettra pour le moment que les int´egrales v´erifient les propri´et´es suivantes : Propri´et´e. Soit I un intervalle inclus dansR.

Soit f etg deux applications continues de I dans R. Soit a, b∈I (on peut avoir a < b, b < a ou biena=b).

— Lin´earit´e : Pour tout α, β ∈R, Z b

a

(αf +βg) =α Z b

a

f +β Z b

a

g.

— Relation de Chasles : Pour tout c∈I, Z b

a

f(t)dt= Z c

a

f+ Z b

c

f. Soit a, b∈I :on suppose maintenant que a ≤b.

— Positivit´e : si f ≥0, alors Z b

a

f(t)dt ≥0.

— Croissance de l’int´egrale : si f ≤g, alors Z b

a

f(t)dt≤ Z b

a

g(t)dt.

— In´egalit´e triangulaire :

Z b a

f(t)dt ≤

Z b

a |f(t)|dt.

Propri´et´e. Soita, b∈Raveca < bet soit f : [a, b]−→Rune application continue et positive, telle queRb

a f(t)dt = 0. Alorsf est identiquement nulle sur [a, b].

3.6 Primitivation

D´efinition. Soit I un intervalle de R et f une application de I dans R que l’on suppose continue.

On dit queF est une primitive def surI si et seulement si F est d´erivable et F^′ =f.

Remarque. Ainsi, l’op´eration de primitivation d’une fonction est l’op´eration r´eciproque de la d´erivation.

Propri´et´e. Avec les hypoth`eses et notations pr´ec´edentes, si F0 est une primitive de f, alors les autres primitives def sont exactement les applicationsF0+k, o`uk est une fonction constante.

Ainsi, f ne poss`ede pas une primitive unique, mais on peut dire que cette primitive est unique `a une constante additive pr`es.

D´emonstration.

F est une primitive de f si et seulement si (F₀−F)^′ = 0.

On admet pour le moment le th´eor`eme suivant :

Th´eor`eme fondamental de l’analyse :SoitI un intervalle deRetfune application deI dans R que l’on suppose continue. Soit x0 ∈I.

Alorsx7−→

Z x x0

f(t)dt est l’unique primitive de f qui s’annule en x0.

Remarque. Cela signifie quex7−→

Z x x0

f(t)dt est une fonction d´erivable surI et que d

dx Z ^x

x0

f(t)dt

=f(x).

Corollaire. Soit f une application continue d’un intervalle I dans R. SiF est une primitive de f, alors pour tout a, b∈I,

Z b a

f(t)dt =F(b)−F(a)= [F^∆ (t)]^b_a. D´emonstration.

Posons F0(x) = Z x

a

f(t)dt : F0 est une primitive de f, donc il existe k ∈ R tel que, pour toutx∈I,F(x) =F0(x) +k. Ainsi,

Z b a

f(t)dt=F0(b) = F(b)−F(a).

Exemple.

— Z π

0

cost dt=h sintiπ

0= 0.

— Z 1

0

x dx=hx² 2

i1 0= 1

2, Z 2

1

x dx= 3 2,

Z 3 2

x dx= 5 2. Corollaire. Sif est une application de classeC¹ sur [a, b],

Z b a

f^′(t) dt=f(b)−f(a).

D´emonstration.

f est une primitive de f^′. Notation. L’´ecriture “R

f(t)dt =F(t) +k, t∈I” signifiera quef est continue sur I et que l’ensemble des primitives def est{F +k/k∈R}.

Exemple.

— Z

xⁿ dx= xⁿ⁺¹

n+ 1 +k, pour tout n∈Z\ {−1}.

— Z

cos²x dx=

Z 1 + cos 2x

2 dx= x

2 + sin 2x 4 +k.

—

Z dx

1 +x² = arctanx+k.

—

Z 2x dx

(x²+ 1)² = −1 x²+ 1 +k.

Propri´et´e. Soit a, b∈R avec a6= 0.

Si Z

f(t) dt=F(t) +k, alors Z

f(at+b) dt= 1

aF(at+b) +k.

Remarque. Sifest une application continue d’un intervalleI dansRet siu : J −→I etv : J −→I sont des applications d´erivables sur un intervalleJ, on calcule la d´eriv´ee det 7−→

Z v(t)

f(x)dx en utilisant une primitive F def :

Z v(t) u(t)

f(x) dx=F(v(t))−F(u(t)) a pour d´eriv´eev^′(t)f(v(t))−u^′(t)f(u(t)).

Exemple. Si f est d´efinie et continue sur R, alors d

dx Z ^x

−x

f(t) dt

= d

dx(F(x)−F(−x)) =f(x) +f(−x).

4 Fonctions Logarithmes et puissances

4.1 Quelques th´ eor` emes d’analyse

On montrera plus tard les th´eor`emes suivants :

Th´eor`eme de la limite monotone :On pose R=R∪ {+∞,−∞}. Soit (m, M)∈R² avecm < M. Notons I =]m, M[.

Soit f une application de I dans R que l’on suppose monotone.

Alors la quantit´ef(x) poss`ede une limite dansR, lorsque x tend vers m (resp : M).

Th´eor`eme de la bijection : Soit f une application d´efinie sur un intervalle I et `a valeurs dans R. On suppose que f est continue sur I.

Alorsf est une bijection deI dansf(I) si et seulement si f est strictement monotone.

Dans ce cas, f(I) est un intervalle et l’application r´eciproque f⁻¹ est une application

´egalement continue, strictement monotone, de mˆeme sens de variation quef, allant de f(I) dansI.

Remarque. Il est ´el´ementaire de d´emontrer que, sif est strictement monotone, alors f est une bijection de I dans f(I) et que son application r´eciproquef⁻¹ est ´egalement monotone strictement, de mˆeme sens de variation quef. Les autres affirmations de cet

´enonc´e sont moins imm´ediates.

D´efinition. Soit f une application d´efinie sur un intervalle I et `a valeurs dans un autre intervalle J de R.

Soit n ∈ N^∗∪ {∞}. On dit que f est un Cⁿ-diff´eomorphisme si et seulement si f est une bijection de I sur J et si f et f⁻¹ sont toutes deux de classe Cⁿ.

Caract´erisation d’un diff´eomorphisme : Soit f une application d´efinie sur un intervalle I et `a valeurs dans R.

Soit n ∈N^∗ ∪ {∞}.

f est unCⁿ-diff´eomorphisme de I dansf(I) si et seulement sif est de classe Cⁿ et si, pour tout x∈I,f^′(x)6= 0.

Remarque. C’est coh´erent avec la formule : (f⁻¹)^′(f(x)) = 1 f^′(x).

4.2 Les fonctions ln et exp

D´efinition. Pour toutx >0, on pose ln(x) =

Z x dt t .

Propri´et´e. Le domaine de d´efinition de ln est ´egal `a R^∗₊. Par construction, ln est d´erivable sur R^∗

+ et, pour tout x∈R^∗

+, d

dx(ln(x)) = 1 x. Ainsi, ln est strictement croissante et ln(1) = 0.

Relation fonctionnelle : Pour tout x, y ∈R^∗

+, ln(xy) = lnx+ lny.

D´emonstration.

Fixons y∈R^∗

+. Posons f(x) = ln(xy)−lnx−lny.

f est d´erivable sur R^∗₊ et f^′(x) = _xy^y − ¹_x = 0, donc f est constante,

´egale `a f(1) = ln(y)−ln(1)−ln(y) = 0.

Remarque. Posons, pour tout (x, y)∈(R^∗₊)²,g(x, y) = ln(xy)−lnx−lny:g est une fonction de plusieurs variables r´eelles. Ci-dessus, on a d´eriv´e selon la variable x apr`es avoir fix´e la variabley.

C’est la d´efinition de la d´eriv´ee partielle de g selon la variable x.

Plus g´en´eralement, si h est une application deR² dans R, on pose ∂

∂x(h(x, y)) = [x7−→h(x, y)]^′_y´etant fix´e. Par exemple, en g´en´eralisant dans R³, ∂

∂z(p

x²+y² +z²) = z

px²+y²+z². Propri´et´e. ln(x) −→

x→+∞+∞. D´emonstration.

⋄ ln est croissante, donc d’apr`es le th´eor`eme de la limite monotone, il existe ℓ∈R tel que ln(x)_x−→

→+∞ℓ.

⋄ Si Z 2

1

dt

t = 0, alors l’application [1,2] −→ R

t 7−→ ¹_t est positive, continue et d’int´egrale nulle, donc elle est identiquement nulle. C’est faux, donc

Z 2 1

dt

t 6= 0. De plus 1≤2 et pour tout t∈[1,2], ¹_t ≥0, donc ln 2 =

Z 2 1

dt t >0.

⋄ Par r´ecurrence sur n ∈ N, on montre que ln(2ⁿ) = nln 2, donc ln(2ⁿ)_n−→

→+∞+∞. Mais 2ⁿ_n−→

→+∞+∞ et ln(x) _x−→

→+∞ ℓ, donc par composition des limites, ln(2ⁿ)_n−→

→+∞ℓ.

Alors, par unicit´e de la limite, ℓ= +∞. Propri´et´e. ln(x) −→

x→0⁺ −∞. D´emonstration.

Soit x∈R^∗

+. lnx+ ln_x¹ = ln 1 = 0, donc ln(x) =−ln¹_x −→

x→0⁺ −∞, par composition des limites, en utilisant le fait que ¹_x −→

x→0⁺ +∞ et que ln(y)_y−→

→+∞+∞. Propri´et´e. ln est un C^∞-diff´eomorphisme de R^∗

+ dans R.

D´emonstration.

ln est C^∞ sur R^∗

+ et, pour tout x ∈ R^∗

+, ln^′(x) = ¹_x 6= 0, donc d’apr`es le th´eor`eme de caract´erisation d’un diff´eomorphisme, ln est un C^∞-diff´eomorphisme de R^∗

+ dans ln(R^∗₊).

De plus, ln(x)_x−→

→+∞+∞ et ln(x) −→

x→0⁺ −∞, donc ln(R^∗

+) est un intervalle ni minor´e, ni major´e. Ainsi ln(R^∗

+) =R.

Remarque. Les logarithmes ont ´et´e invent´es par Neper (en 1614, mais pas sous forme int´egrale : il faut attendre 1666 pour cela) afin de ramener le calcul d’un produitxy `a celui d’une somme : lnx+ lny. Cependant, pour terminer le calcul, il est n´ecessaire de connaˆıtre la bijection r´eciproque de la bijection ln.

Corollaire. Il existe un unique e∈R tel que ln(e) = 1. e est le nombre de Neper.

Il admet pour valeur approch´ee e= 2,71828183±10⁻⁸. Propri´et´e. lnx

x _x−→

→+∞0 . D´emonstration.

Pour tout x∈[e,+∞[, posons f(x) = lnx x . f est d´erivable sur [e,+∞[ avec f^′(x) = 1−lnx

x² .

Soit x∈[e,+∞[. Par croissance du logarithme, lnx≥lne= 1, donc f^′(x)≤0.

Ainsif est d´ecroissante, donc d’apr`es le th´eor`eme de la limite monotone, il existeℓ∈R tel que f(x)_x−→

→+∞ℓ.

De plus, pour tout n∈N, f(2ⁿ) = nln 2

2ⁿ , or on peut montrer par r´ecurrence que pour tout n ≥ 4, 2ⁿ ≥n², donc pour tout n ∈N∩[4,+∞[, 0≤ f(2ⁿ) ≤ ln 2

n _n−→

→+∞0, donc d’apr`es le principe des gendarmes, f(2ⁿ)_n−→

→+∞0.

Or, par composition des limites,f(2ⁿ) −→

n→+∞ℓ, donc par unicit´e de la limite, ℓ = 0.

Graphe de ln :au tableau.

D´efinition. La bijection r´eciproque de la bijection ln|^RR∗₊ est not´ee exp.

exp est unC^∞ diff´eomorphisme deR dans R^∗₊. Pour tout x∈R^∗

+, exp(lnx) = xet, pour tout x∈R, ln(exp(x)) =x.

Propri´et´e. exp(1) =e.

∀x∈R, d

dx(exp(x)) = exp(x).

∀x, y ∈R, exp(x+y) = exp(x) exp(y).

D´emonstration.

D’apr`es la formule de d´erivation d’une bijection r´eciproque, d

dx(exp(x)) = 1

ln^′(exp(x)) = exp(x).

Soit x, y ∈R. ln(exp(x+y)) =x+y

et ln(exp(x) exp(y)) = ln(exp(x)) + ln(exp(y)) = x+y, or ln est strictement croissante, donc elle est injective, donc exp(x+y) = exp(x) exp(y).

Remarque. Par r´ecurrence, on montre que, pour tout n ∈N, exp(n) = e× · · · ×e

| {z }

n fois

=eⁿ.

De plus, pour tout n∈N, exp(n)×exp(−n) = exp(0) = 1, donc pour toutn ∈Z, exp(n) =eⁿ.

Notation. En coh´erence avec cette derni`ere propri´et´e, on note le plus souvent

∀x∈R, exp(x) = e^x.

Remarque. On montrera plus loin que, pour tout x ∈ R, e^x = lim

n→+∞

Xn

k=0

x^k

k!. Il est donc coh´erent de d´efinir e^z lorsque z ∈Cpar la formule e^z = lim

n→+∞

Xn

k=0

z^k k!. Graphe de exp : au tableau.

Propri´et´e. Regroupons les propri´et´es fondamentales des fonctions ln et x7−→e^x :

⋄ Fonction logarithme :Pour tout x, y ∈R^∗

+ et n∈Z,

— ln(xy) = lnx+ lny,

— ln(1) = 0 et ln(e) = 1,

— ln1 x

=−lnx,

— lnx y

= lnx−lny,

— ln(xⁿ) =nlnx,

— ln est d´efinie sur R^∗

+, elle est strictement croissante,

— ln(t)−→_t

→0 −∞, ln(t)_t−→

→+∞+∞, ln(t) t _t−→

→+∞0.

⋄ Fonction exponentielle :Pour tout x, y ∈R etn ∈Z,

— e^x+y =e^xe^y,

— e⁰ = 1 et e¹ =e,

— e^x >0,

— e^−x = 1 e^x,

— e^x−y = e^x e^y,

— e^nx= (e^x)ⁿ.