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Leçon 7

Point d'inflexion

Vidéo 7 : Point d'inflexion · 3 min 43 s · sous-titres en français

Le cours écrit

7.1 Définition

Définition. Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle II, et AA le point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse aa, où aa est un réel de II qui n'est pas une borne de II. On dit que AA est un point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f si la courbe traverse sa tangente en AA.

En un point d'inflexion, la fonction change de convexité : elle passe de concave à convexe, ou de convexe à concave.

7.2 Avec la dérivée seconde

Propriété. Soit ff deux fois dérivable sur II. Si f′′f'' s'annule en aa en changeant de signe, alors le point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse aa est un point d'inflexion.

Exemple 21. f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2. D'après l'exemple 19, f′′f'' s'annule en 11 en changeant de signe : le point A(1 ;0)A(1\,;0) est un point d'inflexion (f(1)=1−3+2=0f(1) = 1 - 3 + 2 = 0).

Vérifions que la courbe traverse sa tangente. f′(1)=3−6=−3f'(1) = 3 - 6 = -3, donc la tangente en AA a pour équation y=−3(x−1)y = -3(x - 1), soit y=−3x+3y = -3x + 3. L'écart vaut f(x)−(−3x+3)=x3−3x2+3x−1=(x−1)3,f(x) - (-3x + 3) = x^3 - 3x^2 + 3x - 1 = (x - 1)^3, négatif si x<1x < 1 (courbe sous la tangente) et positif si x>1x > 1 (courbe au-dessus) : la courbe traverse bien sa tangente en AA.

7.3 Un piège : f′′(a)=0f''(a) = 0 ne suffit pas

Pour f(x)=x4f(x) = x^4, f′′(x)=12x2f''(x) = 12x^2, qui s'annule en 00. Mais f′′(x)≥0f''(x) \geq 0 pour tout réel xx : f′′f'' ne change pas de signe. La fonction est convexe sur R\mathbb{R}, sa courbe reste au-dessus de sa tangente en 00 (l'axe des abscisses) : l'origine n'est pas un point d'inflexion.

7.4 Exemple : la courbe en cloche

Exemple 22. f(x)=e−x2f(x) = \mathrm{e}^{-x^2} (exemple 12). On dérive f′(x)=−2x e−x2f'(x) = -2x\,\mathrm{e}^{-x^2} comme un produit : f′′(x)=−2 e−x2+(−2x)(−2x) e−x2=(4x2−2)e−x2.f''(x) = -2\,\mathrm{e}^{-x^2} + (-2x)(-2x)\,\mathrm{e}^{-x^2} = \left(4x^2 - 2\right)\mathrm{e}^{-x^2}. Comme e−x2>0\mathrm{e}^{-x^2} > 0, f′′(x)f''(x) a le signe de 4x2−2=2(2x2−1)4x^2 - 2 = 2\left(2x^2 - 1\right), qui s'annule en −22-\dfrac{\sqrt2}{2} et 22\dfrac{\sqrt2}{2} en changeant de signe.

xx −∞-\infty −22-\frac{\sqrt2}{2} 22\frac{\sqrt2}{2} +∞+\infty
f′′(x)f''(x) ++ 00 −- 00 ++
convexité de ff convexe concave convexe

La courbe a deux points d'inflexion, d'abscisses ±22≈±0,707\pm\dfrac{\sqrt2}{2} \approx \pm 0{,}707 et d'ordonnée e−1/2≈0,607\mathrm{e}^{-1/2} \approx 0{,}607. Le « dôme » de la cloche est concave ; ses deux « pieds » sont convexes.

7.5 Lire la convexité sur les courbes de ff, f′f' et f′′f''

On regarde la courbe de… ff est convexe là où… Point d'inflexion là où…
ff la courbe est sous ses sécantes, au-dessus de ses tangentes la courbe traverse sa tangente
f′f' f′f' est croissante f′f' change de sens de variation (extremum de f′f')
f′′f'' la courbe de f′′f'' est au-dessus de l'axe des abscisses la courbe de f′′f'' traverse l'axe des abscisses

Attention aux confusions. Sur la courbe de f′f', le signe de f′f' donne les variations de ff, et les variations de f′f' donnent la convexité de ff. Ce sont deux lectures différentes.

Exemple 23. Pour f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2 : la courbe de f′(x)=3x2−6xf'(x) = 3x^2 - 6x est une parabole dont le sommet a pour abscisse 11 ; f′f' est décroissante puis croissante, donc ff est concave puis convexe. La courbe de f′′(x)=6x−6f''(x) = 6x - 6 est une droite qui coupe l'axe des abscisses en 11. Les trois lectures donnent le même point d'inflexion, d'abscisse 11.

7.6 Esquisser une courbe à partir de tableaux

Le programme demande d'esquisser l'allure de la courbe de ff à partir des tableaux de variations de ff, de f′f' ou de f′′f''. On combine deux informations : le sens de variation de ff (signe de f′f') et sa convexité (variations de f′f' ou signe de f′′f'').

Exemple 24. Une fonction ff est croissante sur R\mathbb{R}, et f′f' est croissante sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] puis décroissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Alors ff est convexe sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et concave sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ : la courbe monte toujours, d'abord de plus en plus vite, puis de moins en moins vite. Le point d'abscisse 00 est un point d'inflexion, là où la pente est la plus forte. C'est l'allure d'une courbe en « S ».

7.7 En contexte : le moment où la croissance est la plus rapide

Au lycée, la nouvelle d'un concert gratuit se répand parmi les 12001200 élèves. Le nombre d'élèves au courant, tt heures après l'annonce, est modélisé par R(t)=12001+e3−t,t≥0.R(t) = \frac{1200}{1 + \mathrm{e}^{3 - t}}, \qquad t \geq 0.

  • R(0)=12001+e3≈57R(0) = \dfrac{1200}{1 + \mathrm{e}^3} \approx 57, et lim⁡t→+∞R(t)=1200\lim\limits_{t\to+\infty} R(t) = 1200, car e3−t→0\mathrm{e}^{3 - t} \to 0.
  • On peut calculer R′(t)=1200 e3−t(1+e3−t)2>0R'(t) = \dfrac{1200\,\mathrm{e}^{3 - t}}{\left(1 + \mathrm{e}^{3 - t}\right)^2} > 0 et R′′(t)=1200 e3−t(e3−t−1)(1+e3−t)3R''(t) = \dfrac{1200\,\mathrm{e}^{3 - t}\left(\mathrm{e}^{3 - t} - 1\right)}{\left(1 + \mathrm{e}^{3 - t}\right)^3}.
  • R′′(t)R''(t) a le signe de e3−t−1\mathrm{e}^{3 - t} - 1, positif si t<3t < 3 et négatif si t>3t > 3 (la fonction exponentielle est strictement croissante et e0=1\mathrm{e}^0 = 1). La fonction RR est convexe sur [0 ;3][0\,;3] et concave sur [3 ;+∞[[3\,;+\infty[ : le point (3 ;600)(3\,;600) est un point d'inflexion.

Interprétation. R′(t)R'(t) est la vitesse de propagation, en élèves par heure. Elle augmente tant que RR est convexe et diminue ensuite : elle est maximale au point d'inflexion, au bout de 33 heures, où elle vaut R′(3)=12004=300R'(3) = \dfrac{1200}{4} = 300 élèves par heure.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 13 et 14

  • Exercice 13 : lire la convexité sur des graphiques et des tableaux
  • Exercice 14 : le raccordement à la fibre optique

Exercices du chapitre (PDF, 156 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 171 Ko)

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