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Règles de dérivation : choisir la première étape

Choisissez la première règle de dérivation dans trois questions de base, puis explorez un exemple facultatif de dérivation logarithmique et un exercice où la base et l’exposant varient.

Nablio · 10 min · guide principalPublié le

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Pour les notions du cours et l’aide individuelle, consultez le tutorat 201-SN2-RE à Dawson.

Ce diagnostic de trois questions s’adresse aux étudiants qui ont déjà vu les règles de la puissance, du produit, du quotient et de la chaîne, ainsi que les dérivées des fonctions exponentielles et logarithmiques. Commencez avec des indications, trouvez une erreur, puis choisissez les règles en autonomie.

Pour chaque question originale, repérez l’opération extérieure : la dernière opération qui construit la fonction à partir de ses éléments. Choisissez la première règle de dérivation selon cette structure, puis travaillez vers l’intérieur. Ici, xx est une entrée réelle; le symbole prime, comme dans f′(x)f^{\prime}(x), désigne la dérivation par rapport à xx. Essayez chaque question avant d’ouvrir sa réponse.

1. Avec indications : une fonction dans une puissance

Commencez avec une expression intérieure et une puissance extérieure. La question propose deux opérations de départ possibles.

À vous d’essayer

Soit f(x)=(2x2+3)4f(x)=(2x^2+3)^4. L’opération extérieure est-elle l’addition ou l’élévation à la puissance quatre? Nommez la première règle de dérivation, trouvez f′(x)f^{\prime}(x) sans développer et précisez le domaine.

Voir la réponse et le raisonnement
  1. Lire d’abord l’extérieur

    L’addition se trouve à l’intérieur des parenthèses. La dernière opération élève toute l’expression intérieure à la puissance quatre : on commence donc par la règle de la chaîne, ou dérivation d’une fonction composée. Posons u(x)=2x2+3u(x)=2x^2+3; la fonction extérieure transforme uu en u4u^4.

  2. Multiplier les deux taux de variation

    La dérivée extérieure vaut 4u34u^3, et la dérivée intérieure vaut u′(x)=4xu^{\prime}(x)=4x. La règle de la chaîne les multiplie :

    f′(x)=4(2x2+3)3(4x)=16x(2x2+3)3.\begin{aligned}f^{\prime}(x)&=4(2x^2+3)^3(4x)\\&=16x(2x^2+3)^3.\end{aligned}

    Le facteur 4x4x tient compte de la variation de l’expression intérieure avec xx; écrire seulement 4(2x2+3)34(2x^2+3)^3 omettrait cette variation.

  3. Conserver le domaine

    La fonction et sa dérivée sont des polynômes définis pour tout réel xx. Aucun dénominateur, aucune racine carrée ni aucun logarithme n’ajoute de restriction.

2. Trouver l’erreur : multiplier les dérivées

Distinguez maintenant la règle pour la fonction entière de celle requise dans un facteur. Expliquez l’erreur avant de la corriger.

À vous d’essayer

Soit g(x)=(x−1)e3xg(x)=(x-1)e^{3x}, où ee est la base de l’exponentielle naturelle. Un étudiant écrit g′(x)=(1)(3e3x)=3e3xg^{\prime}(x)=(1)(3e^{3x})=3e^{3x}. Expliquez l’erreur de choix de règle, corrigez la dérivée et précisez son domaine.

Voir la réponse et le raisonnement
  1. Repérer l’étape incorrecte

    L’opération extérieure multiplie deux fonctions de xx. L’étudiant a correctement dérivé chaque facteur, mais a ensuite multiplié ces dérivées. Il faut appliquer la règle du produit, qui additionne deux contributions. Pour u(x)=x−1u(x)=x-1 et v(x)=e3xv(x)=e^{3x},

    (uv)′=u′v+uv′.(uv)^{\prime}=u^{\prime}v+uv^{\prime}.

  2. Utiliser la chaîne à l’intérieur du produit

    Ici, u′(x)=1u^{\prime}(x)=1. Dans l’exponentielle, l’exposant intérieur 3x3x a pour dérivée 33; la règle de la chaîne donne donc v′(x)=3e3xv^{\prime}(x)=3e^{3x}. Ainsi,

    g′(x)=e3x+3(x−1)e3x=(3x−2)e3x.\begin{aligned}g^{\prime}(x)&=e^{3x}+3(x-1)e^{3x}\\&=(3x-2)e^{3x}.\end{aligned}

    Le premier terme fait varier le facteur linéaire en gardant l’exponentielle; le second fait varier l’exponentielle en gardant le facteur linéaire. Les deux sont nécessaires.

  3. Comparer les réponses et vérifier le domaine

    En x=0x=0, la dérivée corrigée donne g′(0)=−2g^{\prime}(0)=-2, tandis que l’expression de l’étudiant donne 33. Les deux facteurs initiaux sont définis et dérivables pour tout réel xx; c’est aussi le domaine de la dérivée.

3. En autonomie : un logarithme dans un quotient

Appliquez la même lecture de la structure à une nouvelle expression. Gardez la solution fermée pendant que vous choisissez les règles et combinez les deux restrictions sur les entrées.

À vous d’essayer

Soit h(x)=ln⁡(3x+1)x−2h(x)=\dfrac{\ln(3x+1)}{x-2}, où ln⁡\ln est le logarithme naturel. Précisez le domaine réel, expliquez quelle règle de dérivation appliquer en premier et quelle autre règle est nécessaire, puis trouvez h′(x)h^{\prime}(x). Gardez une forme qui montre vos choix de règles.

Voir la réponse et le raisonnement
  1. Restreindre les entrées avant de dériver

    Le logarithme exige 3x+1>03x+1>0, donc x>−1/3x>-1/3. Le dénominateur exige aussi x≠2x\ne2. Le domaine de la fonction est donc ]−1/3,2[ ∪ ]2,+∞[]-1/3,2[\,\cup\,]2,+\infty[; le symbole ∪\cup réunit les deux intervalles.

  2. Choisir la règle extérieure, puis la règle intérieure

    L’opération extérieure divise deux fonctions : la règle du quotient convient donc directement. Posons u(x)=ln⁡(3x+1)u(x)=\ln(3x+1) et v(x)=x−2v(x)=x-2. La règle de la chaîne au numérateur donne u′(x)=3/(3x+1)u^{\prime}(x)=3/(3x+1), tandis que v′(x)=1v^{\prime}(x)=1. On applique

    (uv)′=u′v−uv′v2.\left(\frac{u}{v}\right)^{\prime}=\frac{u^{\prime}v-uv^{\prime}}{v^2}.

    On multiplie la dérivée du numérateur par le dénominateur initial, puis on soustrait le numérateur initial multiplié par la dérivée du dénominateur. Le dénominateur est élevé au carré.

  3. Remplacer et garder les restrictions

    h′(x)=3(x−2)3x+1−ln⁡(3x+1)(x−2)2.\begin{gathered}h^{\prime}(x)\\=\frac{\dfrac{3(x-2)}{3x+1}-\ln(3x+1)}{(x-2)^2}.\end{gathered}

    Cette dérivée est valable sur les mêmes deux intervalles ouverts que hh. Aucune réécriture de la formule ne rétablit x=−1/3x=-1/3 ou x=2x=2. Écrire le quotient initial sous la forme ln⁡(3x+1)(x−2)−1\ln(3x+1)(x-2)^{-1} est également valable sur ce domaine : les règles du produit et de la chaîne donnent alors la même dérivée.

Approfondissement facultatif : quand la base et l’exposant varient

Pour suivre cet exemple, vous aurez besoin des règles du produit et de la chaîne ainsi que des dérivées des fonctions exponentielles et logarithmiques. Vous apprendrez comment le logarithme permet de dériver une puissance dont la base et l’exposant varient, puis vous essaierez une question semblable. Cet exemple facultatif va plus loin que les trois questions précédentes et ne fait pas partie du parcours de préparation au premier examen de mi-session de MATH 203 à Concordia.

Dans cette section, xx est une entrée réelle sans unité, le symbole prime désigne la dérivation par rapport à xx, ee est la base de l’exponentielle naturelle et ln⁡\ln est le logarithme naturel.

Repérez ce qui reste constant avant de choisir une règle. Dans x3x^3, l’exposant est la constante 3 : la règle de la puissance donne 3x23x^2. Dans 3x3^x, la base est la constante 3 : la règle de dérivation de l’exponentielle donne 3xln⁡33^x\ln3. Dans xxx^x, les deux varient. On ne peut donc pas reprendre telle quelle l’une de ces formules qui supposent une partie constante.

La dérivation logarithmique transforme l’exposant variable en facteur. Pour une fonction positive et dérivable y=y(x)y=y(x), la règle de la chaîne donne

ddxln⁡y=y′y.\frac{d}{dx}\ln y=\frac{y'}{y}.

Le numérateur est y′y', et non 1, puisque yy dépend de xx.

Exemple résolu : dériver une puissance à exposant variable

Soit y=xxy=x^x sur x>0x>0. Cette puissance réelle à base positive désigne exln⁡xe^{x\ln x}. Ainsi, y>0y>0 et son logarithme est défini :

ln⁡y=xln⁡x.\ln y=x\ln x.

Dérivons les deux membres. À gauche, il faut la règle de la chaîne; à droite, il faut la règle du produit, car les deux facteurs varient :

y′y=1⋅ln⁡x+x1x=ln⁡x+1.\begin{aligned}\frac{y'}{y}&=1\cdot\ln x+x\frac1x\\&=\ln x+1.\end{aligned}

Multiplions par la fonction initiale pour retrouver sa dérivée :

y′=xx(ln⁡x+1),x>0.\begin{gathered}y'=x^x(\ln x+1),\\x>0.\end{gathered}

Par exemple, en x=1x=1, la fonction vaut 1 et sa pente vaut 1. Écrire la même fonction sous la forme exln⁡xe^{x\ln x}, puis appliquer la règle de la chaîne, donne la même dérivée. La restriction du domaine fait partie du raisonnement : cette démarche ne conclut rien pour les bases négatives ni pour la valeur en zéro.

Une méthode tentante, mais incorrecte

Un étudiant écrit (xx)′=x xx−1=xx(x^x)'=x\,x^{x-1}=x^x. Il applique la règle d’une puissance à exposant constant alors que l’exposant varie. Il omet la contribution de cette variation. En x=ex=e, son expression donne eee^e, tandis que la dérivée obtenue ci-dessus donne 2ee2e^e. Une puissance d’apparence familière ne suffit pas : il faut d’abord déterminer quelles parties dépendent de xx.

La règle générale lorsque la base et l’exposant varient

Plus généralement, si uu et vv sont dérivables sur un intervalle ouvert et si u(x)>0u(x)>0 sur cet intervalle, posons y=u(x)v(x)=ev(x)ln⁡u(x)y=u(x)^{v(x)}=e^{v(x)\ln u(x)}. Le même raisonnement donne

y′y=v′ln⁡u+vu′u,\begin{aligned}\frac{y'}y&=v'\ln u\\&\quad+v\frac{u'}u,\end{aligned}

où toutes les fonctions sont évaluées en xx. Le premier terme représente la variation de l’exposant; le second, celle de la base. Il faut multiplier par yy à la fin.

À votre tour : une nouvelle base et un nouvel exposant

Soit g(x)=(x+1)2xg(x)=(x+1)^{2x} sur x>−1x>-1. Trouvez g′(x)g'(x) et g′(0)g'(0). Expliquez pourquoi le logarithme est permis et repérez les contributions de la base et de l’exposant variables avant de les réunir.

Voir un indice

Posez y=g(x)y=g(x). Prenez d’abord le logarithme, puis dérivez le produit 2xln⁡(x+1)2x\ln(x+1). N’oubliez pas la dérivée de ln⁡y\ln y.

Voir la solution expliquée

Sur x>−1x>-1, la base x+1x+1 et la puissance réelle sont positives. On peut donc écrire ln⁡y=2xln⁡(x+1)\ln y=2x\ln(x+1). La dérivation donne

y′y=2ln⁡(x+1)+2xx+1.\begin{aligned}\frac{y'}y&=2\ln(x+1)\\&\quad+\frac{2x}{x+1}.\end{aligned}

Le premier terme vient de la dérivée de l’exposant 2x2x; le second vient de la dérivée du logarithme de la base. Ainsi,

g′(x)=(x+1)2x×(2ln⁡(x+1)+2xx+1).\begin{aligned}g'(x)&=(x+1)^{2x}\\&\quad\times\Bigl(2\ln(x+1)\\&\qquad+\frac{2x}{x+1}\Bigr).\end{aligned}

En x=0x=0, g(0)=1g(0)=1 et les deux termes entre parenthèses sont nuls; donc g′(0)=0g'(0)=0. Ce point est à l’intérieur du domaine indiqué. Pour vérifier, écrivez g(x)=e2xln⁡(x+1)g(x)=e^{2x\ln(x+1)} et appliquez la règle de la chaîne : les deux mêmes contributions apparaissent.

Si le premier choix reste flou, apportez l’un de ces exemples ou une question de base sur les puissances et les exponentielles à un tuteur. Vous pouvez repérer ce qui varie, travailler ensemble l’étape du logarithme, puis essayer une nouvelle fonction avec de l’aide.

Les séances de tutorat sont actuellement offertes en anglais.

Votre prochaine séance de révision

  • À la question 1, vérifiez la présence de la dérivée intérieure. À la question 2, vérifiez les deux termes de la règle du produit. À la question 3, vérifiez la soustraction dans la règle du quotient et les deux restrictions du domaine.
  • Notez la première étape manquée : lire la structure, dériver une fonction intérieure, appliquer la règle extérieure ou conserver le domaine. Reprenez cette question en gardant sa réponse fermée.
  • Si l’algèbre ou les restrictions sur les entrées vous bloquent, utilisez les guides d’algèbre et de domaine ci-dessous. Choisissez ensuite une autre question de dérivation dans vos documents de cours et expliquez votre première règle avant de calculer.

Contexte du cours à Dawson et autres exercices

Ces trois questions de base, rédigées indépendamment par Nablio, exercent les combinaisons de règles de dérivation pertinentes pour le cours 201-SN2-RE à Dawson. Les questions 6 et 10 de l’examen final de l’hiver 2025 situent les notions; les fonctions et les consignes ici ont été rédigées indépendamment. Suivez le plan de votre section pour les notions évaluées.

Utile pour

Travaillez l’étape qui vous manque.

Vous étudiez le calcul différentiel au cégep? Consultez le tutorat en calcul au cégep pour trouver la page de votre cours au collège. Pour une aide individuelle, apportez la première étape de dérivation que vous n’avez pas pu expliquer.

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