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Dérivée de ln x, de exp(u) et tableau des dérivées

L’essentiel

La dérivée de ln x est 1/x, pour x > 0. Celle de exp(x) est exp(x). Pour une fonction composée, ln(u) a pour dérivée u′/u et exp(u) a pour dérivée u′ × exp(u). Le signe de la dérivée donne le sens de variation : si f′ est positive, f est croissante.

Le tableau des dérivées usuelles

La dérivée de ln x vaut 1/x : c’est l’une des formules les plus utilisées au bac. Ce tableau regroupe les dérivées des fonctions de référence, à connaître par cœur.

Fonctions de référence
Fonction f(x)Dérivée f′(x)Valable pour
k (constante)0Tout réel
x1Tout réel
xⁿ, n entier non nuln × xⁿ⁻¹Tout réel, x ≠ 0 si n < 0
1/x−1/x²x ≠ 0
√x1/(2√x)x > 0
exp(x)exp(x)Tout réel
ln x1/xx > 0
sin xcos xTout réel
cos x−sin xTout réel

Les formules d’opérations et de composition

Une fonction du bac combine presque toujours des fonctions de référence. Repère d’abord la forme de l’expression, puis écris u, v et leurs dérivées avant de calculer.

Opérations sur les dérivées
FonctionDérivée
u + vu′ + v′
k × uk × u′
u × vu′v + uv′
u/v(u′v − uv′)/v²
1/v−v′/v²
uⁿn × u′ × uⁿ⁻¹
√uu′/(2√u)
exp(u)u′ × exp(u)
ln(u)u′/u
f(ax + b)a × f′(ax + b)
  • f(x) = ln(3x + 1) : u(x) = 3x + 1, u′(x) = 3, donc f′(x) = 3/(3x + 1).
  • g(x) = exp(x²) : u(x) = x², u′(x) = 2x, donc g′(x) = 2x × exp(x²).
  • h(x) = x² × ln x : u′v + uv′ = 2x × ln x + x² × 1/x = 2x ln x + x.

Étudier les variations : le signe de la dérivée

Sur un intervalle, si f′(x) ≥ 0, alors f est croissante. Si f′(x) ≤ 0, alors f est décroissante.

  • Étape 1 : calcule f′(x).
  • Étape 2 : factorise, puis étudie le signe de f′(x) dans un tableau de signes.
  • Étape 3 : déduis les variations de f.
  • Étape 4 : calcule les extremums, là où f′ s’annule en changeant de signe.
  • Énoncé. Étudier les variations de f(x) = x³ − 3x + 1 sur l’ensemble des réels.
  • f′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1).
  • Ce trinôme a pour racines −1 et 1, et il est positif à l’extérieur des racines, car son coefficient 3 est positif.
  • f(−1) = −1 + 3 + 1 = 3 et f(1) = 1 − 3 + 1 = −1.

Tableau de signe de la dérivée et variations

L’étude de f(x) = x³ − 3x + 1 se résume dans un tableau : une ligne pour le signe de la dérivée, une ligne pour les variations. Au bac, ce tableau fait partie de la réponse attendue.

Tableau de signes et de variations de f
Intervalle]−∞ ; −1[]−1 ; 1[]1 ; +∞[
Signe de f′(x)+−+
Variations de fCroissante jusqu’à 3Décroissante jusqu’à −1Croissante

Exemple de bac avec ln x

  • Énoncé. Soit g(x) = x ln x sur ]0 ; +∞[. Étudier le signe de g′ et trouver le minimum de g.
  • g est un produit, avec u(x) = x et v(x) = ln x, donc g′(x) = 1 × ln x + x × 1/x = ln x + 1.
  • ln x + 1 ≥ 0 équivaut à ln x ≥ −1, c’est-à-dire x ≥ exp(−1).
  • g est donc décroissante sur ]0 ; exp(−1)] et croissante sur [exp(−1) ; +∞[.
  • Son minimum est atteint en x = exp(−1) : g(exp(−1)) = exp(−1) × (−1) = −exp(−1), soit environ −0,37.

Lecture graphique de la dérivée

Le nombre dérivé f′(a) est le coefficient directeur de la tangente à la courbe au point d’abscisse a. Sur un graphique, il se lit en mesurant la pente de cette tangente.

Tangente au point d’abscisse a : y = f′(a)(x − a) + f(a).

  • Pour f(x) = ln x en a = 1 : f(1) = 0 et f′(1) = 1, donc la tangente a pour équation y = x − 1.

Astuce : Une tangente horizontale signifie que f′(a) = 0 : c’est souvent, mais pas toujours, un maximum ou un minimum.

Les erreurs à éviter

  • (uv)′ = u′v′ (uv)′ = u′v + uv′

    La dérivée d’un produit n’est pas le produit des dérivées.

  • (exp(3x))′ = exp(3x) (exp(3x))′ = 3 exp(3x)

    Il ne faut pas oublier de multiplier par u′, ici 3.

  • (ln(x² + 1))′ = 1/(x² + 1) (ln(x² + 1))′ = 2x/(x² + 1)

    La formule est u′/u, et non 1/u.

  • (1/x)′ = ln x (1/x)′ = −1/x²

    ln x est une primitive de 1/x, pas sa dérivée : il ne faut pas confondre les deux tableaux.

Exercices corrigés

  1. 1. Quelle est la dérivée de f(x) = 5x² − 3x + 7 ?

    Voir la correction

    10x − 3. La dérivée de 5x² est 10x, celle de −3x est −3, celle de 7 est 0.

  2. 2. Quelle est la dérivée de f(x) = ln x + x² sur ]0 ; +∞[ ?

    Voir la correction

    1/x + 2x. La dérivée de ln x est 1/x et celle de x² est 2x.

  3. 3. Quelle est la dérivée de f(x) = exp(3x) ?

    Voir la correction

    3 × exp(3x). Avec u(x) = 3x, on a u′(x) = 3, donc f′(x) = 3 × exp(3x).

  4. 4. Quelle est la dérivée de f(x) = ln(x² + 1) ?

    Voir la correction

    2x/(x² + 1). Avec u(x) = x² + 1, la formule u′/u donne 2x/(x² + 1).

  5. 5. Quelle est la dérivée de f(x) = x × exp(x) ?

    Voir la correction

    (x + 1) × exp(x). Avec un produit : 1 × exp(x) + x × exp(x) = (x + 1) × exp(x).

  6. 6. Quelle est l’équation de la tangente à la courbe de f(x) = x² au point d’abscisse 1 ?

    Voir la correction

    y = 2x − 1. f(1) = 1 et f′(1) = 2, donc y = 2(x − 1) + 1 = 2x − 1.

Questions fréquentes

Quelle est la dérivée de ln x ?

La dérivée de ln x est 1/x, sur ]0 ; +∞[. Comme 1/x y est positif, la fonction ln est strictement croissante.

Quelle est la dérivée de ln(u) ?

La dérivée de ln(u) est u′/u, à condition que u soit dérivable et strictement positive.

Quelle est la dérivée de la fonction inverse ?

La fonction 1/x a pour dérivée −1/x², sur chacun des intervalles ]−∞ ; 0[ et ]0 ; +∞[.

Comment étudier le signe d’une fonction dérivée ?

Factorise f′(x) autant que possible, puis fais un tableau de signes. Une exponentielle est toujours positive, ce qui simplifie souvent l’étude.

Pour aller plus loin