Terminale Analyse convexitéconcavitéinflexiondérivée seconde

Convexité

Convexité, concavité et points d'inflexion à partir de la dérivée seconde en Terminale.

Convexité et concavité

Une fonction ff est :

  • convexe sur II si sa courbe est au-dessus de ses tangentes (forme de «bol»)
  • concave sur II si sa courbe est en dessous de ses tangentes (forme de «dôme»)

Interprétation : ff convexe     \iff ff' croissante.


Lien avec la dérivée seconde

Théorème : Si ff est deux fois dérivable sur II :

  • f(x)>0f''(x) > 0 sur II     \iff ff est convexe sur II
  • f(x)<0f''(x) < 0 sur II     \iff ff est concave sur II

Point d’inflexion

Un point d’inflexion est un point où la courbe change de convexité (passe de convexe à concave ou vice versa).

Condition nécessaire : f(a)=0f''(a) = 0 et ff'' change de signe en aa.

Si f(a)=0f''(a) = 0 mais ff'' ne change pas de signe, il n’y a pas d’inflexion.


Méthode

  1. Calculer f(x)f''(x)
  2. Résoudre f(x)=0f''(x) = 0
  3. Vérifier le changement de signe
  4. Calculer les coordonnées du point d’inflexion (a,f(a))\left(a,\, f(a)\right)

Exemple

f(x)=x33x2+2x+1f(x) = x^3 - 3x^2 + 2x + 1

f(x)=3x26x+2f'(x) = 3x^2 - 6x + 2

f(x)=6x6=6(x1)f''(x) = 6x - 6 = 6(x-1)

f(x)=0    x=1f''(x) = 0 \implies x = 1

  • f(x)<0f''(x) < 0 pour x<1x < 1ff concave
  • f(x)>0f''(x) > 0 pour x>1x > 1ff convexe

ff'' change de signe en x=1x = 1point d’inflexion en (1,f(1))=(1,1)(1, f(1)) = (1, 1).


Inégalité de convexité

Si ff est convexe sur [a,b][a,b], alors pour tout x[a,b]x \in [a,b] :

f(x)f(a)+f(a)(xa)(au-dessus de la tangente en a)f(x) \geq f(a) + f'(a)(x-a) \quad \text{(au-dessus de la tangente en } a\text{)}

Exemple : exe^x est convexe sur R\mathbb{R} (car (ex)=ex>0(e^x)'' = e^x > 0), donc :

ex1+xpour tout xRe^x \geq 1 + x \quad \text{pour tout } x \in \mathbb{R}