Convexité et suite récurrente : étude complète

Partie A — Étude de la convexité d'une fonction

On considère la fonction $ f $ définie sur $ \mathbb{R} $ par :

$ f(x) = x^3 - 6x^2 + 9x + 2 $

On note $ \mathscr{C}_f $ sa courbe représentative dans un repère orthonormé.

  1. Calculer $ f'(x) $, puis $ f''(x) $.
  2. Étudier le signe de $ f''(x) $ sur $ \mathbb{R} $.
  3. En déduire les intervalles sur lesquels $ f $ est convexe et ceux sur lesquels elle est concave.
  4. Montrer que $ \mathscr{C}_f $ admet un unique point d'inflexion, dont on précisera les coordonnées.

Partie B — Étude d'une suite récurrente

On considère la fonction $ g $ définie sur $ [0~;~+\infty[ $ par $ g(x) = \sqrt{2x + 3} $, et la suite $ (u_n) $ définie par :

$ u_0 = 0 \quad \text{et} \quad u_{n+1} = g(u_n) \text{ pour tout } n \in \mathbb{N} $
  1. Calculer les valeurs exactes de $ u_1 $ et $ u_2 $, puis en donner une valeur approchée à $ 10^{-2} $ près.
  2. Étudier le sens de variation de $ g $ sur $ [0~;~+\infty[ $.
  3. Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel $ n $, $ 0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 3 $.
  4. En déduire que la suite $ (u_n) $ converge.
  5. Déterminer la valeur de la limite $ \ell $ de la suite $ (u_n) $.

Corrigé

Partie A

  1. La fonction $ f $ est un polynôme, donc deux fois dérivable sur $ \mathbb{R} $. On dérive terme à terme :
    $ f'(x) = 3x^2 - 12x + 9 $
    En dérivant à nouveau :
    $ f''(x) = 6x - 12 $
  2. On résout $ f''(x) = 0 $ :
    $ 6x - 12 = 0 \Leftrightarrow x = 2 $
    La fonction $ f'' $ est affine de coefficient directeur $ 6 > 0 $, donc strictement croissante. On en déduit :

    1. pour $ x < 2 $ : $ f''(x) < 0 $ ;
    2. pour $ x > 2 $ : $ f''(x) > 0 $.
  3. D'après la caractérisation de la convexité par la dérivée seconde :

    1. sur $ ]-\infty~;~2] $, $ f''(x) \leqslant 0 $, donc $ f $ est concave ;
    2. sur $ [2~;~+\infty[ $, $ f''(x) \geqslant 0 $, donc $ f $ est convexe.
  4. La dérivée seconde $ f'' $ s'annule en $ x = 2 $ et y change de signe (négative avant, positive après). La courbe $ \mathscr{C}_f $ admet donc un unique point d'inflexion d'abscisse $ 2 $. On calcule l'ordonnée :
    $ f(2) = 2^3 - 6 \times 2^2 + 9 \times 2 + 2 = 8 - 24 + 18 + 2 = 4 $
    Le point d'inflexion est $\mathbf{I(2~;~4)}$.

Partie B

  1. On applique la relation de récurrence à partir de $ u_0 = 0 $ :
    $ u_1 = g(u_0) = \sqrt{2 \times 0 + 3} = \sqrt{3} \approx 1{,}73 $
    $ u_2 = g(u_1) = \sqrt{2\sqrt{3} + 3} \approx 2{,}54 $
  2. La fonction $ g $ est dérivable sur $ ]-\dfrac{3}{2}~;~+\infty[ $, donc en particulier sur $ [0~;~+\infty[ $, comme composée de $ x \mapsto 2x + 3 $ (strictement positive sur cet intervalle) suivie de la racine carrée. Sa dérivée est :
    $ g'(x) = \dfrac{2}{2\sqrt{2x + 3}} = \dfrac{1}{\sqrt{2x + 3}} $
    Pour tout $ x \in [0~;~+\infty[ $, $ \sqrt{2x + 3} > 0 $, donc $ g'(x) > 0 $.
    La fonction $ g $ est strictement croissante sur $ [0~;~+\infty[ $.
  3. On note $ P(n) $ la propriété : $ 0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 3 $.

    Initialisation. On a $ u_0 = 0 $ et $ u_1 = \sqrt{3} \approx 1{,}73 $, donc $ 0 \leqslant u_0 \leqslant u_1 \leqslant 3 $. La propriété $ P(0) $ est vraie.

    Hérédité. Supposons $ P(n) $ vraie pour un entier $ n $ fixé, c'est-à-dire $ 0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 3 $.
    Comme $ g $ est croissante sur $ [0~;~+\infty[ $, elle conserve cet ordre :
    $ g(0) \leqslant g(u_n) \leqslant g(u_{n+1}) \leqslant g(3) $
    Or $ g(0) = \sqrt{3} \approx 1{,}73 $, donc $ g(0) \geqslant 0 $, et $ g(3) = \sqrt{2 \times 3 + 3} = \sqrt{9} = 3 $. En remplaçant $ g(u_n) $ par $ u_{n+1} $ et $ g(u_{n+1}) $ par $ u_{n+2} $ :
    $ 0 \leqslant u_{n+1} \leqslant u_{n+2} \leqslant 3 $
    ce qui est la propriété $ P(n+1) $.

    Conclusion. D'après le principe de récurrence, pour tout entier naturel $ n $ : $ 0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 3 $.

  4. L'inégalité $ u_n \leqslant u_{n+1} $ valable pour tout $ n $ montre que la suite $ (u_n) $ est croissante. L'inégalité $ u_n \leqslant 3 $ montre qu'elle est majorée par $ 3 $.
    D'après le théorème de la limite monotone, toute suite croissante et majorée converge : la suite $ (u_n) $ converge vers une limite réelle $ \ell $, avec $ \ell \leqslant 3 $.
  5. La fonction $ g $ est continue sur $ [0~;~+\infty[ $ et la suite vérifie $ u_{n+1} = g(u_n) $. La limite $ \ell $ est donc un point fixe de $ g $, solution de l'équation $ g(\ell) = \ell $ :
    $ \sqrt{2\ell + 3} = \ell $
    Cette égalité impose $ \ell \geqslant 0 $. En élevant au carré (les deux membres étant positifs) :
    $ 2\ell + 3 = \ell^2 \Leftrightarrow \ell^2 - 2\ell - 3 = 0 $
    Le discriminant vaut $ \Delta = (-2)^2 - 4 \times 1 \times (-3) = 4 + 12 = 16 $, d'où les deux racines :
    $ \ell = \dfrac{2 - 4}{2} = -1 \qquad \text{ou} \qquad \ell = \dfrac{2 + 4}{2} = 3 $
    Comme $ \ell \geqslant 0 $, la solution $ \ell = -1 $ est à écarter. La suite $ (u_n) $ converge donc vers $\mathbf{\ell = 3}$.

Vrai/Faux : Convexité et points d’inflexion

[enonce]
Pour chaque affirmation suivante portant sur la convexité, la concavité et les points d'inflexion, indiquez si elle est Vraie ou Fausse.
[/enonce]

[etape]
Soit $f$ une fonction deux fois dérivable sur un intervalle $I$.

Affirmation : $f$ est convexe sur $I$ si et seulement si $f''(x) \geqslant 0$ pour tout $x \in I$.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Bonne réponse !
C'est la caractérisation usuelle de la convexité par la dérivée seconde. De manière équivalente, $f$ convexe correspond à $f'$ croissante, ce qui se traduit par $f'' \geqslant 0$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
Rappel : pour une fonction deux fois dérivable, la convexité équivaut à $f'' \geqslant 0$ sur $I$.
Cela signifie que $f'$ est croissante sur $I$, ce qui caractérise la convexité.[/reponse]
[/qcm]
[solution]
Cette affirmation est vraie. C'est la caractérisation de la convexité par le signe de la dérivée seconde.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = e^x$.

Affirmation : $f$ est convexe sur $\mathbb{R}$.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Exactement !
On a $f'(x) = e^x$ et $f''(x) = e^x$, qui est strictement positive sur $\mathbb{R}$. Donc $f$ est convexe (et même strictement convexe) sur $\mathbb{R}$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
Il faut calculer la dérivée seconde et étudier son signe.
Ici $f''(x) = e^x > 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}$, donc $f$ est convexe sur $\mathbb{R}$.[/reponse]
[/qcm]
[solution]
Cette affirmation est vraie. La dérivée seconde de $e^x$ est $e^x$, strictement positive sur $\mathbb{R}$.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ une fonction convexe sur un intervalle $I$.

Affirmation : La courbe représentative de $f$ est située au-dessous de toutes ses tangentes sur $I$.

[qcm]
[option]Vrai[/option]
[option correct="true"]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Bien vu !
C'est l'inverse : pour une fonction convexe, la courbe est située au-dessus de toutes ses tangentes (et au-dessous de toutes ses cordes). La position « au-dessous des tangentes » caractérise la concavité.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est fausse.
Attention à ne pas confondre convexité et concavité dans la position de la courbe par rapport aux tangentes.
Pour $f$ convexe, la courbe est au-dessus de toutes ses tangentes ; pour $f$ concave, elle est en-dessous.[/reponse]
[/qcm]
[solution]
Cette affirmation est fausse. Pour une fonction convexe, la courbe est au-dessus de ses tangentes, pas au-dessous.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = x^3$.

Affirmation : La courbe représentative de $f$ admet un point d'inflexion en $x = 0$.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Bravo !
On calcule $f'(x) = 3x^2$ puis $f''(x) = 6x$. La dérivée seconde s'annule en $0$ et change de signe (négative sur $]-\infty\,;0[$, positive sur $]0\,;+\infty[$) : il y a bien un point d'inflexion en $x = 0$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
Pour repérer un point d'inflexion, on cherche où $f''$ s'annule en changeant de signe.
Ici $f''(x) = 6x$ s'annule en $0$ et change effectivement de signe : la courbe passe de concave à convexe en $x = 0$, donc point d'inflexion.[/reponse]
[/qcm]
[solution]
Cette affirmation est vraie. $f''(x) = 6x$ s'annule en $0$ et change de signe : il y a un point d'inflexion en $x = 0$.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ une fonction deux fois dérivable sur $\mathbb{R}$ et $a \in \mathbb{R}$ un réel tel que $f''(a) = 0$.

Affirmation : La courbe représentative de $f$ admet nécessairement un point d'inflexion d'abscisse $a$.

[qcm]
[option]Vrai[/option]
[option correct="true"]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Tu as raison !
L'annulation de $f''$ ne suffit pas : il faut en plus un changement de signe de $f''$ en $a$. Contre-exemple avec $f(x) = x^4$ : on a $f''(x) = 12x^2$, qui s'annule en $0$ mais reste positive de part et d'autre. Il n'y a aucun changement de signe, donc pas de point d'inflexion.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est fausse.
Le piège classique est de confondre « $f''$ s'annule » et « $f''$ change de signe ».
Avec $f(x) = x^4$, on a $f''(x) = 12 x^2$, qui s'annule en $0$ sans changer de signe : la fonction reste convexe, et il n'y a pas de point d'inflexion.[/reponse]
[/qcm]
[solution]
Cette affirmation est fausse. L'annulation de $f''$ est nécessaire mais pas suffisante : il faut aussi un changement de signe (contre-exemple : $f(x) = x^4$ en $0$).
[/solution]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ une fonction deux fois dérivable sur $\mathbb{R}$.

Affirmation : Si $f'$ est croissante sur $\mathbb{R}$, alors $f$ est croissante sur $\mathbb{R}$.

[qcm]
[option]Vrai[/option]
[option correct="true"]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Très bien !
La croissance de $f'$ correspond à $f'' \geqslant 0$, ce qui caractérise la convexité de $f$, et non sa croissance. Contre-exemple : $f(x) = x^2$ vérifie $f'(x) = 2x$, qui est croissante sur $\mathbb{R}$, alors que $f$ est décroissante sur $]-\infty\,;0]$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est fausse.
Il ne faut pas confondre la monotonie de $f$ (qui dépend du signe de $f'$) avec la monotonie de $f'$ (qui dépend du signe de $f''$, donc de la convexité).
Avec $f(x) = x^2$ : $f'(x) = 2x$ est croissante sur $\mathbb{R}$, mais $f$ ne l'est pas (elle décroît sur $]-\infty\,;0]$).[/reponse]
[/qcm]
[solution]
Cette affirmation est fausse. La croissance de $f'$ traduit la convexité de $f$, pas sa croissance ; contre-exemple avec $f(x) = x^2$.
[/solution]
[/etape]

QCM Bilan : Continuité, dérivabilité, convexité

[enonce]
Ce QCM bilan couvre l'ensemble du chapitre : TVI et corollaire bijectif, dérivées de fonctions composées, convexité et points d'inflexion. Choisir la bonne réponse parmi les 4 propositions.
[/enonce]

[etape]
Soit $f$ la fonction définie sur $\left[0\,;\,2\right]$ par $f(x) = x^3 - 3x + 1$. On a $f(0) = 1$, $f(1) = -1$ et $f(2) = 3$. L'équation $f(x) = 0$ admet sur $\left[0\,;\,2\right]$ :
[qcm]
[option]aucune solution[/option]
[option]exactement une solution[/option]
[option correct="true"]au moins deux solutions[/option]
[option]exactement trois solutions[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !
$f$ est continue (polynôme). Sur $\left[0\,;\,1\right]$, $f$ change de signe ($1$ puis $-1$), donc le TVI fournit au moins une solution. Sur $\left[1\,;\,2\right]$, $f$ change encore de signe ($-1$ puis $3$), donc encore au moins une solution. Au total, il y a au moins deux solutions sur $\left[0\,;\,2\right]$.[/reponse]
[reponse motif="aucune solution"]Non.
La fonction est continue et change de signe (deux fois !). Les valeurs $f(0)$, $f(1)$ et $f(2)$ ne sont pas toutes du même signe.[/reponse]
[reponse motif="exactement une solution"]Non.
Le signe de $f$ change deux fois entre $0$ et $2$ : il y a au moins deux endroits où la courbe traverse l'axe des abscisses. Une seule solution est donc impossible.[/reponse]
[reponse motif="exactement trois solutions"]Non.
Sans étude des variations de $f$ ni preuve de stricte monotonie sur chaque sous-intervalle, on ne peut pas affirmer un nombre exact comme « trois ». La conclusion la plus prudente est « au moins deux ».[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Repérer les changements de signe de $f$ entre les valeurs données : chaque changement garantit (par TVI) au moins une solution sur le sous-intervalle correspondant.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ une fonction deux fois dérivable sur $\mathbb{R}$ telle que $f''(x) = (x - 1)(x - 3)$. Le nombre de points d'inflexion de la courbe de $f$ est :
[qcm]
[option]$0$[/option]
[option]$1$[/option]
[option correct="true"]$2$[/option]
[option]$3$[/option]
[reponse statut="correct"]Bonne réponse !
$f''$ s'annule en $x = 1$ et $x = 3$. Comme $(x - 1)(x - 3)$ est un trinôme du second degré dont le signe change à chaque racine, $f''$ change effectivement de signe en $1$ et en $3$. La courbe possède donc deux points d'inflexion.[/reponse]
[reponse motif="$0$"]Non.
$f''$ s'annule bien en deux points. Vérifier ensuite que le signe change effectivement à chaque racine pour conclure quant aux points d'inflexion.[/reponse]
[reponse motif="$1$"]Non.
$f''$ s'annule en deux valeurs distinctes ($x = 1$ et $x = 3$). Étudier le signe sur $\left]-\infty\,;\,1\right[$, $\left]1\,;\,3\right[$ et $\left]3\,;\,+\infty\right[$ pour voir s'il y a deux changements de signe.[/reponse]
[reponse motif="$3$"]Non.
$f''$ ne s'annule qu'en deux points : $x = 1$ et $x = 3$. Il ne peut donc pas y avoir trois points d'inflexion.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Méthode : trouver les valeurs où $f''$ s'annule, puis vérifier qu'il y a bien un changement de signe à chacune de ces valeurs.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ continue, strictement décroissante sur $\left[1\,;\,5\right]$ avec $f(1) = 4$ et $f(5) = -2$. Le nombre de solutions de l'équation $f(x) = 1$ sur $\left[1\,;\,5\right]$ est :
[qcm]
[option]aucune[/option]
[option correct="true"]exactement une[/option]
[option]au moins une, peut-être plus[/option]
[option]on ne peut pas conclure[/option]
[reponse statut="correct"]Exactement !
$f$ est continue et strictement monotone sur $\left[1\,;\,5\right]$, et $1$ est compris entre $f(1) = 4$ et $f(5) = -2$. Le corollaire du TVI assure une solution unique.[/reponse]
[reponse motif="aucune"]Non.
La valeur $1$ est bien comprise entre $f(1) = 4$ et $f(5) = -2$, et $f$ est continue. La fonction passe donc nécessairement par $1$.[/reponse]
[reponse motif="au moins une, peut-être plus"]Non.
La stricte monotonie empêche $f$ de prendre la même valeur deux fois. On peut donc être plus précis qu'« au moins une » : c'est exactement une solution.[/reponse]
[reponse motif="on ne peut pas conclure"]Non.
Les trois conditions du corollaire sont remplies : continuité, stricte monotonie, valeur cible entre les valeurs aux bornes. La conclusion est donc l'unicité.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Vérifier les trois conditions du corollaire : continuité, stricte monotonie, valeur cible entre $f(a)$ et $f(b)$. Quand elles sont toutes satisfaites, la solution est unique.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
La dérivée de la fonction $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = \ln(\sqrt{x^2 + 1})$ est :
[qcm]
[option]$\dfrac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}$[/option]
[option correct="true"]$\dfrac{x}{x^2 + 1}$[/option]
[option]$\dfrac{2x}{x^2 + 1}$[/option]
[option]$\dfrac{1}{2 \sqrt{x^2 + 1}}$[/option]
[reponse statut="correct"]Bravo !
On peut simplifier : $f(x) = \ln(\sqrt{x^2 + 1}) = \dfrac{1}{2} \ln(x^2 + 1)$. Alors $f'(x) = \dfrac{1}{2} \times \dfrac{2x}{x^2 + 1} = \dfrac{x}{x^2 + 1}$.[/reponse]
[reponse motif="$\dfrac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}$"]Non.
Cela ressemble à $\dfrac{1}{u}$ sans tenir compte de la dérivée de $u$ à l'intérieur. Penser à utiliser la propriété $\ln(\sqrt{a}) = \dfrac{1}{2} \ln(a)$ pour simplifier d'abord.[/reponse]
[reponse motif="$\dfrac{2x}{x^2 + 1}$"]Non.
C'est la dérivée de $\ln(x^2 + 1)$ sans le facteur $\dfrac{1}{2}$ provenant de $\sqrt{\;}$. Utiliser $\ln(\sqrt{u}) = \dfrac{1}{2} \ln(u)$ pour réintroduire ce facteur.[/reponse]
[reponse motif="$\dfrac{1}{2 \sqrt{x^2 + 1}}$"]Non.
C'est la dérivée de $\sqrt{x^2 + 1}$ avec un autre oubli (du facteur $u'$). Mais ici on dérive un logarithme, donc on doit obtenir une fraction de la forme $\dfrac{u'}{u}$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Astuce : utiliser $\ln(\sqrt{a}) = \dfrac{1}{2} \ln(a)$ pour ramener à un logarithme « simple », puis appliquer $(\ln u)' = \dfrac{u'}{u}$.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Le tableau de variation d'une fonction $f$ continue sur $\left[-2\,;\,4\right]$ indique que $f$ croît strictement de $-3$ à $5$ sur $\left[-2\,;\,1\right]$, puis décroît strictement de $5$ à $0$ sur $\left[1\,;\,4\right]$. Le nombre de solutions de l'équation $f(x) = 2$ sur $\left[-2\,;\,4\right]$ est :
[qcm]
[option]aucune[/option]
[option]exactement une[/option]
[option correct="true"]exactement deux[/option]
[option]au moins trois[/option]
[reponse statut="correct"]C'est bien ça !
Sur $\left[-2\,;\,1\right]$, $f$ est continue, strictement croissante, et $2$ est compris entre $-3$ et $5$ : une unique solution. Sur $\left[1\,;\,4\right]$, $f$ est continue, strictement décroissante, et $2$ est compris entre $5$ et $0$ : encore une unique solution. Au total, exactement deux solutions.[/reponse]
[reponse motif="aucune"]Non.
La fonction monte jusqu'à $5$ puis redescend jusqu'à $0$ : elle traverse forcément la valeur $2$ au moins une fois. L'absence de solution est exclue.[/reponse]
[reponse motif="exactement une"]Non.
Appliquer le corollaire séparément sur chaque morceau monotone : $\left[-2\,;\,1\right]$ croissante puis $\left[1\,;\,4\right]$ décroissante. Sur les deux, la valeur cible $2$ est-elle bien comprise entre les valeurs aux bornes ?[/reponse]
[reponse motif="au moins trois"]Non.
Sur chaque morceau monotone, le corollaire assure au plus une solution. Avec deux morceaux, on a donc au plus deux solutions.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Découper le tableau en intervalles de stricte monotonie et appliquer le corollaire sur chacun : compter $1$ solution par sous-intervalle où la valeur cible est encadrée.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ une fonction deux fois dérivable sur $\mathbb{R}$ et soit $g$ définie par $g(x) = e^{f(x)}$. La dérivée seconde $g''$ est :
[qcm]
[option]$f''(x) e^{f(x)}$[/option]
[option correct="true"]$\left(f''(x) + (f'(x))^2\right) e^{f(x)}$[/option]
[option]$f''(x) e^{f''(x)}$[/option]
[option]$(f'(x))^2 e^{f(x)}$[/option]
[reponse statut="correct"]Tu as raison !
On dérive d'abord : $g'(x) = f'(x) \, e^{f(x)}$ (formule $(e^u)' = u' e^u$). Puis on dérive encore avec la règle du produit : $g''(x) = f''(x) \, e^{f(x)} + f'(x) \times f'(x) \, e^{f(x)} = \left(f''(x) + (f'(x))^2\right) e^{f(x)}$.[/reponse]
[reponse motif="$f''(x) e^{f(x)}$"]Non.
La dérivation de $g'(x) = f'(x) e^{f(x)}$ exige la règle du produit : il y a un terme provenant de la dérivée de $f'$ et un terme provenant de la dérivée de $e^{f}$. Le premier terme seul ne suffit pas.[/reponse]
[reponse motif="$f''(x) e^{f''(x)}$"]Non.
L'exposant ne se transforme pas en $f''$ lors d'une dérivation d'exponentielle. La règle est $(e^u)' = u' \, e^u$ : l'exposant reste $u$, on multiplie par $u'$.[/reponse]
[reponse motif="$(f'(x))^2 e^{f(x)}$"]Non.
Ce terme est correct mais incomplet : il manque la contribution $f''(x) e^{f(x)}$ provenant de la dérivée de $f'(x)$ dans la règle du produit.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Étapes : (1) calculer $g'(x) = f'(x) e^{f(x)}$. (2) dériver à nouveau avec la règle du produit ; on obtient deux termes à factoriser par $e^{f(x)}$.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

QCM : Convexité et points d’inflexion

[enonce]
Ce QCM porte sur la convexité et les points d'inflexion : caractérisation par la dérivée seconde et reconnaissance graphique. Choisir la bonne réponse parmi les 4 propositions.
[/enonce]

[etape]
Soit $f$ une fonction deux fois dérivable sur un intervalle $I$. Cette fonction est convexe sur $I$ si et seulement si :
[qcm]
[option]$f'(x) \geqslant 0$ sur $I$[/option]
[option]$f'(x) \leqslant 0$ sur $I$[/option]
[option correct="true"]$f''(x) \geqslant 0$ sur $I$[/option]
[option]$f''(x) \leqslant 0$ sur $I$[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !
La caractérisation par la dérivée seconde dit que $f$ est convexe sur $I$ si et seulement si $f''$ est positive ou nulle sur $I$ (ce qui équivaut à dire que $f'$ est croissante).[/reponse]
[reponse motif="$f'(x) \geqslant 0$ sur $I$"]Non.
Le signe de $f'$ donne le sens de variation de $f$ (croissante ou décroissante), pas sa convexité. Pour la convexité, il faut s'intéresser à la dérivée seconde.[/reponse]
[reponse motif="$f'(x) \leqslant 0$ sur $I$"]Non.
Comme précédemment, la dérivée première décrit la croissance de $f$, pas sa convexité. C'est $f''$ qui caractérise la convexité.[/reponse]
[reponse motif="$f''(x) \leqslant 0$ sur $I$"]Non.
Le signe est inversé : $f'' \leqslant 0$ correspond à une fonction concave, pas convexe. Une fonction convexe est « tournée vers le haut », ce qui correspond à $f'' \geqslant 0$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Caractérisation à retenir : $f$ convexe $\Leftrightarrow$ $f'' \geqslant 0$ ; $f$ concave $\Leftrightarrow$ $f'' \leqslant 0$.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
La fonction $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = x^2$ est :
[qcm]
[option correct="true"]convexe sur $\mathbb{R}$[/option]
[option]concave sur $\mathbb{R}$[/option]
[option]convexe sur $\left[0\,;\,+\infty\right[$ seulement[/option]
[option]ni convexe ni concave[/option]
[reponse statut="correct"]Bonne réponse !
$f'(x) = 2x$ et $f''(x) = 2$. Comme $f''(x) = 2 > 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}$, la fonction $f$ est convexe sur $\mathbb{R}$ tout entier.[/reponse]
[reponse motif="concave sur $\mathbb{R}$"]Non.
La parabole $x \mapsto x^2$ est tournée vers le haut (forme $\cup$), ce qui correspond à la convexité, pas à la concavité.[/reponse]
[reponse motif="convexe sur $\left[0\,;\,+\infty\right[$ seulement"]Non.
La dérivée seconde $f'' = 2$ est strictement positive partout sur $\mathbb{R}$, et non seulement sur $\left[0\,;\,+\infty\right[$. La convexité s'étend donc à $\mathbb{R}$ tout entier.[/reponse]
[reponse motif="ni convexe ni concave"]Non.
Calculer $f''$ et regarder son signe : un signe constant détermine clairement la convexité ou la concavité de $f$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Calculer $f''$, étudier son signe sur l'intervalle, puis appliquer la caractérisation : $f'' \geqslant 0 \Rightarrow$ convexe, $f'' \leqslant 0 \Rightarrow$ concave.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = x^3$. On a $f''(x) = 6x$. La fonction $f$ est :
[qcm]
[option]convexe sur $\mathbb{R}$[/option]
[option]concave sur $\mathbb{R}$[/option]
[option]convexe sur $\left]-\infty\,;\,0\right]$ et concave sur $\left[0\,;\,+\infty\right[$[/option]
[option correct="true"]concave sur $\left]-\infty\,;\,0\right]$ et convexe sur $\left[0\,;\,+\infty\right[$[/option]
[reponse statut="correct"]Exactement !
$f''(x) = 6x$ est négative sur $\left]-\infty\,;\,0\right]$ (donc $f$ est concave) et positive sur $\left[0\,;\,+\infty\right[$ (donc $f$ est convexe). Le point d'abscisse $0$ est d'ailleurs un point d'inflexion.[/reponse]
[reponse motif="convexe sur $\mathbb{R}$"]Non.
Le signe de $f''(x) = 6x$ change : il est négatif quand $x < 0$ et positif quand $x > 0$. La convexité ne peut donc pas être valable sur $\mathbb{R}$ entier.[/reponse]
[reponse motif="concave sur $\mathbb{R}$"]Non.
Comme dans le cas précédent, le signe de $f''$ change. Vérifier ce qui se passe pour $x = 1$ : $f''(1) = 6 > 0$, donc $f$ ne peut pas être concave là.[/reponse]
[reponse motif="convexe sur $\left]-\infty\,;\,0\right]$ et concave sur $\left[0\,;\,+\infty\right[$"]Non.
Le rapport entre signe de $f''$ et convexité a été inversé. Rappel : $f'' \geqslant 0$ donne convexe (et non concave). Tester avec $x = -1$ et $x = 1$ pour vérifier le signe de $f''$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Étudier le signe de $f''(x) = 6x$ sur chaque demi-droite, puis appliquer la caractérisation : $f'' \geqslant 0 \Rightarrow$ convexe, $f'' \leqslant 0 \Rightarrow$ concave.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Un point d'abscisse $a$ est un point d'inflexion de la courbe d'une fonction $f$ deux fois dérivable si et seulement si :
[qcm]
[option]$f'(a) = 0$[/option]
[option correct="true"]$f''$ s'annule en $a$ et change de signe en $a$[/option]
[option]$f''(a) > 0$[/option]
[option]$f$ change de monotonie en $a$[/option]
[reponse statut="correct"]Bravo !
La caractérisation est double : $f''(a) = 0$ et changement de signe de $f''$ en $a$. Géométriquement, c'est en ce point que la courbe traverse sa tangente.[/reponse]
[reponse motif="$f'(a) = 0$"]Non.
$f'(a) = 0$ correspond à une tangente horizontale (extremum local possible), pas à un point d'inflexion. La caractérisation utilise $f''$, pas $f'$.[/reponse]
[reponse motif="$f''(a) > 0$"]Non.
Une dérivée seconde strictement positive correspond à une courbe convexe, pas à un changement de convexité. Pour un point d'inflexion, $f''$ doit s'annuler et changer de signe.[/reponse]
[reponse motif="$f$ change de monotonie en $a$"]Non.
Un changement de monotonie correspond à un extremum local (haut ou bas de la courbe), pas à un point d'inflexion. Le point d'inflexion est lié à un changement de convexité, pas de variation.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Bien retenir : point d'inflexion $\Leftrightarrow$ $f''$ s'annule et change de signe. Les deux conditions sont indispensables.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Soit $f$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = x^4$. On a $f''(x) = 12 x^2$. Le point de la courbe d'abscisse $0$ est :
[qcm]
[option]un point d'inflexion[/option]
[option correct="true"]pas un point d'inflexion[/option]
[option]un maximum local[/option]
[option]un point de tangente verticale[/option]
[reponse statut="correct"]Tu as raison !
On a bien $f''(0) = 0$, mais $f''(x) = 12x^2 \geqslant 0$ pour tout $x$ : le signe de $f''$ ne change pas en $0$. La condition de changement de signe n'étant pas remplie, ce n'est pas un point d'inflexion (la fonction $f$ reste convexe sur $\mathbb{R}$).[/reponse]
[reponse motif="un point d'inflexion"]Non.
Attention au piège : avoir $f''(a) = 0$ ne suffit pas. Il faut aussi que $f''$ change de signe en $a$. Vérifier ce que vaut $f''$ pour $x = -1$ et $x = 1$.[/reponse]
[reponse motif="un maximum local"]Non.
$f(x) = x^4 \geqslant 0$ avec $f(0) = 0$ : le point d'abscisse $0$ est en réalité un minimum local, pas un maximum.[/reponse]
[reponse motif="un point de tangente verticale"]Non.
La fonction $f$ est dérivable en $0$ (et $f'(0) = 0$) : la tangente est horizontale, pas verticale.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Tester les deux conditions du point d'inflexion : $f''(a) = 0$ ? Oui. $f''$ change-t-elle de signe en $a$ ? Calculer $f''(-1)$ et $f''(1)$ pour le savoir.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
La fonction exponentielle $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = e^x$ est :
[qcm]
[option correct="true"]convexe sur $\mathbb{R}$[/option]
[option]concave sur $\mathbb{R}$[/option]
[option]convexe sur $\mathbb{R}^+$ seulement[/option]
[option]ni convexe ni concave[/option]
[reponse statut="correct"]C'est bien ça !
$f'(x) = e^x$ et $f''(x) = e^x$. Comme $e^x > 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}$, on a $f''(x) > 0$ partout, donc $f$ est convexe sur $\mathbb{R}$.[/reponse]
[reponse motif="concave sur $\mathbb{R}$"]Non.
La courbe de l'exponentielle est tournée vers le haut (forme $\cup$, accélération de la croissance), ce qui caractérise la convexité, pas la concavité.[/reponse]
[reponse motif="convexe sur $\mathbb{R}^+$ seulement"]Non.
La dérivée seconde de $\exp$ est $\exp$ elle-même, donc strictement positive partout sur $\mathbb{R}$, pas seulement sur $\mathbb{R}^+$. La convexité s'étend à $\mathbb{R}$ tout entier.[/reponse]
[reponse motif="ni convexe ni concave"]Non.
Calculer la dérivée seconde et observer son signe constant : $f'' = e^x > 0$ donne une réponse claire et tranchée.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Calculer $f''$, observer que $f''(x) = e^x > 0$ pour tout $x$, et appliquer la caractérisation : $f'' \geqslant 0 \Rightarrow f$ convexe.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]