Module

Variations d’une fonction dérivable

Domaine
Analyse

Fonctions constantes et fonctions monotones

Propriété Critères dérivés de constance et de monotonie

Soit \(I\) un intervalle de \(\mathbb{R}\).

Soit \(f\) une fonction dérivable sur \(I\).

\(f\) est croissante sur \(I\) si, et seulement si, \(\forall x\in I,\ f'(x)\geq0\).

\(f\) est décroissante sur \(I\) si, et seulement si, \(\forall x\in I,\ f'(x)\leq0\).

\(f\) est constante sur \(I\) si, et seulement si, \(\forall x\in I,\ f'(x)=0\).

Remarques Remarques

Remarque Deux fonctions de même dérivée

La troisième partie de la propriété entraîne que deux fonctions dérivables sur un intervalle \(I\) et dont les dérivées sont égales sur \(I\) diffèrent d’une constante.

Remarque Extremum et changement de signe de la dérivée

Soit \(f\) une fonction dérivable sur \(I\). Soit \(a\) un point de \(I\) qui ne soit pas une borne de \(I\).

\(f\) admet un extremum en \(a\) si, et seulement si, \(f'\) s’annule en \(a\) en changeant de signe.

Fonctions strictement monotones

Propriété Signe strict de la dérivée et stricte monotonie

Soit \(I\) un intervalle de \(\mathbb{R}\).

Soit \(f\) une fonction dérivable sur \(I\).

Si \(\forall x\in I,\ f'(x)>0\) alors \(f\) est strictement croissante sur \(I\).

Si \(\forall x\in I,\ f'(x)<0\) alors \(f\) est strictement décroissante sur \(I\).

Remarque Réciproque fausse

La réciproque est fausse.

En effet, \(f:x\mapsto x^3\) est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\) mais sa dérivée s’annule en \(0\).

Théorème Caractérisation des fonctions strictement monotones

Soit \(f\) une fonction dérivable sur un intervalle \(I\).

\(f\) est strictement monotone sur \(I\) si et seulement si on a les deux conditions suivantes.

  • Sa dérivée est de signe constant.

  • Il n’existe pas d’intervalle inclus dans \(I\) contenant au moins deux points sur lequel \(f'\) soit identiquement nulle.

Corollaire Zéros finis de la dérivée et stricte monotonie

Soit \(f\) une fonction dérivable sur un intervalle \(I\).

Si \(f'\) est positive sur \(I\) et ne s’annule qu’en un nombre fini de points de \(I\), alors \(f\) est strictement croissante sur \(I\).

Si \(f'\) est négative sur \(I\) et ne s’annule qu’en un nombre fini de points de \(I\), alors \(f\) est strictement décroissante sur \(I\).

Remarque Réciproque fausse des zéros finis

La réciproque du corollaire est fausse.

En effet, la fonction \(f\) définie par \(f(x)=x-\cos x\) est-elle strictement monotone sur \(\mathbb{R}\) ?

\(f\) est définie et dérivable sur \(\mathbb{R}\) avec \(\forall x\in\mathbb{R},\ f'(x)=1+\sin x\).

On a : \(\forall x\in\mathbb{R},\ f'(x)\geq0\) et \(f'(x)=0\Longleftrightarrow x=-\frac{\pi}{2}+2k\pi,\ k\in \mathbb{Z}\).

\(f'\) ne s’annule qu’en des points isolés de \(\mathbb{R}\).

\(f'\) ne s’annule sur aucun intervalle \([a,b]\), \(a<b\).

\(f\) est donc strictement croissante sur \(\mathbb{R}\).

Figure Courbe de la fonction \(x\mapsto x-\cos x\)

Illustration de la stricte croissance de \(x\mapsto x-\cos x\).