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Corrigé du contrôle de maths sup : dérivation, accroissements finis et convexité

    Corrigé du contrôle de maths sup : dérivation, accroissements finis et convexité

    Voici le corrigé du contrôle de maths sup sur le thème : dérivation, accroissements finis et convexité.

    Ce corrigé rédige entièrement le devoir sur la dérivation et la convexité. Chaque théorème est cité avec ses hypothèses vérifiées : continuité sur le segment, dérivabilité sur l’intérieur, limite finie de la dérivée.

    Vous y verrez une fonction dérivable mais pas de classe C1, la vérification de la formule de Leibniz sur un cas simple, et la figure en escargot de la suite du cosinus. Le problème prouve l’inégalité de Jensen par récurrence avant d’en tirer l’inégalité arithmético-géométrique. Un barème détaillé conclut chaque exercice.

    L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths sup : dérivation, accroissements finis et convexité.

    Barème du contrôle
    Exercice Points
    Exercice 1 : Théorème de Rolle et accroissements finis 3 points
    Exercice 2 : Dérivabilité en un point et limite de la dérivée 4 points
    Exercice 3 : Rolle pour les polynômes et formule de Leibniz 4 points
    Exercice 4 : Accroissements finis et suite récurrente 4 points
    Exercice 5 : Problème – convexité et inégalités 5 points
    Total 20 points

    Exercice 1 : Théorème de Rolle et accroissements finis (3 points)

    1. Théorème de Rolle : soit \(f\) continue sur \([a, b]\), dérivable sur \(]a, b[\), avec \(a < b\) et \(f(a) = f(b)\). Alors il existe \(c \in ]a, b[\) tel que \(f^{\prime}(c) = 0\).

      Démonstration. La fonction \(f\) est continue sur le segment \([a, b]\). Par le théorème des bornes atteintes, elle admet un minimum \(m\) et un maximum \(M\). Si \(m = M\), \(f\) est constante et tout \(c \in ]a, b[\) convient.

      Sinon, l’une des deux valeurs diffère de \(f(a) = f(b)\), par exemple \(M > f(a)\). Le maximum est alors atteint en un point \(c\) qui n’est ni \(a\) ni \(b\), donc \(c \in ]a, b[\). En ce point intérieur, \(f\) présente un extremum local et elle est dérivable. Donc \(f^{\prime}(c) = 0\). Le cas \(m < f(a)\) se traite de même.

    2. Soit \(f\) continue sur \([a, b]\) et dérivable sur \(]a, b[\). Posons \(p = \dfrac{f(b) – f(a)}{b – a}\) et \(\varphi(x) = f(x) – p(x – a)\).

      La fonction \(\varphi\) est continue sur \([a, b]\) et dérivable sur \(]a, b[\). De plus \(\varphi(a) = f(a)\) et \(\varphi(b) = f(b) – (f(b) – f(a)) = f(a)\). Le théorème de Rolle fournit \(c \in ]a, b[\) tel que \(\varphi^{\prime}(c) = f^{\prime}(c) – p = 0\).

      Il existe donc \(c \in ]a, b[\) tel que \(f(b) – f(a) = f^{\prime}(c)(b – a)\).

    Barème : a) 1,5 point : 0,5 point pour l’énoncé complet, 0,5 point pour les bornes atteintes, 0,5 point pour le point intérieur ; b) 1,5 point : 0,5 point pour la fonction auxiliaire, 0,5 point pour la vérification de Rolle, 0,5 point pour la conclusion.

    Exercice 2 : Dérivabilité en un point et limite de la dérivée (4 points)

    1. Pour \(x \neq 0\), le taux d’accroissement en \(0\) vaut \(\dfrac{f(x) – f(0)}{x} = x\sin(\dfrac{1}{x})\). Il est majoré en valeur absolue par \(|x|\), qui tend vers \(0\). Donc \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f^{\prime}(0) = 0\).

      Pour \(x \neq 0\), les théorèmes généraux donnent \(f^{\prime}(x) = 2x\sin(\dfrac{1}{x}) – \cos(\dfrac{1}{x})\). Le premier terme tend vers \(0\). En revanche, avec \(x_n = \dfrac{1}{2n\pi}\) et \(y_n = \dfrac{1}{(2n+1)\pi}\), on a \(\cos(1/x_n) = 1\) et \(\cos(1/y_n) = -1\). Ainsi \(f^{\prime}(x_n) \to -1\) et \(f^{\prime}(y_n) \to 1\) : \(f^{\prime}\) n’a pas de limite en \(0\).

      Conclusion : \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) mais n’est pas de classe \(\mathcal{C}^1\). La réciproque du théorème de la limite de la dérivée est donc fausse.

    2. Pour \(x \neq 0\), \(\dfrac{x|x| – 0}{x} = |x|\), qui tend vers \(0\). La fonction \(x \mapsto x|x|\) est dérivable en \(0\), de dérivée nulle.
    3. Continuité en \(0\). Pour \(x > 0\), \(h(x) = x \cdot (x\ln x)\). Par croissances comparées, \(x\ln x \to 0\), donc \(h(x) \to 0 = h(0)\). Ainsi \(h\) est continue sur \([0, +\infty[\).

      Limite de la dérivée. Sur \(]0, +\infty[\), \(h\) est dérivable et \(h^{\prime}(x) = 2x\ln x + x\). Cette expression tend vers \(0\) quand \(x \to 0^+\).

      Le théorème de la limite de la dérivée s’applique : \(h\) est continue sur \([0, +\infty[\), dérivable sur \(]0, +\infty[\), et \(h^{\prime}\) a une limite finie en \(0\). Donc \(h\) est dérivable en \(0\), avec \(h^{\prime}(0) = 0\), et \(h^{\prime}\) est continue en \(0\). Comme \(h^{\prime}\) est aussi continue sur \(]0, +\infty[\), \(h\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \([0, +\infty[\).

      Dérivabilité de \(h^{\prime}\) en \(0\). Pour \(x > 0\), \(\dfrac{h^{\prime}(x) – h^{\prime}(0)}{x} = 2\ln x + 1\), qui tend vers \(-\infty\). Donc \(h^{\prime}\) n’est pas dérivable en \(0\) : \(h\) n’est pas deux fois dérivable en \(0\).

    Barème : a) 1,5 point : 0,5 point pour f′(0), 0,5 point pour l’absence de limite de f′, 0,5 point pour la conclusion ; b) 0,5 point ; c) 2 points : 0,5 point pour la continuité, 0,5 point pour la limite de h′, 0,5 point pour le théorème cité avec ses hypothèses, 0,5 point pour la non-dérivabilité de h′.

    Erreur fréquente : dériver \(h\) en \(0\) par la formule \(2x\ln x + x\), qui n’a pas de sens en \(x = 0\).

    Exercice 3 : Rolle pour les polynômes et formule de Leibniz (4 points)

    1. Notons \(x_1 < x_2 < \cdots < x_n\) les racines de \(P\). Pour \(1 \leq\, i \leq\, n – 1\), la fonction polynomiale \(P\) est continue sur \([x_i, x_{i+1}]\), dérivable sur l’intérieur, et \(P(x_i) = P(x_{i+1}) = 0\). Le théorème de Rolle fournit \(c_i \in ]x_i, x_{i+1}[\) tel que \(P^{\prime}(c_i) = 0\).

      Les intervalles \(]x_i, x_{i+1}[\) sont deux à deux disjoints, donc les \(n – 1\) réels \(c_i\) sont distincts. Or \(P^{\prime}\) est non nul de degré \(n – 1\), donc il a au plus \(n – 1\) racines. Ainsi \(P^{\prime}\) a exactement \(n – 1\) racines, toutes réelles et distinctes : \(c_1, \ldots, c_{n-1}\).

    2. Appliquons la formule de Leibniz à \(g = uv\) avec \(u(x) = x^2\) et \(v(x) = e^{2x}\). On a \(u^{\prime}(x) = 2x\), \(u^{\prime\prime}(x) = 2\), et \(u^{(k)} = 0\) pour \(k \geq\, 3\). De plus \(v^{(m)}(x) = 2^m e^{2x}\). Pour \(n \geq\, 2\) :

      \[g^{(n)}(x) = \binom\,{n}{0} x^2 \, 2^n e^{2x} + \binom\,{n}{1} 2x \, 2^{n-1} e^{2x} + \binom\,{n}{2} 2 \cdot 2^{n-2} e^{2x}.\]

      En factorisant par \(2^{n-2}e^{2x}\) :

      \[g^{(n)}(x) = 2^{n-2} e^{2x} ( 4x^2 + 4nx + n(n-1) ).\]

      Vérification pour \(n = 2\) : la formule donne \(e^{2x}(4x^2 + 8x + 2)\). Directement, \(g^{\prime}(x) = (2x^2 + 2x)e^{2x}\), puis \(g^{\prime\prime}(x) = (4x + 2)e^{2x} + 2(2x^2 + 2x)e^{2x} = (4x^2 + 8x + 2)e^{2x}\). Les deux résultats concordent.

    3. Pour \(0 \leq\, k \leq\, n\), \((x^n)^{(k)} = \dfrac{n!}{(n-k)!}x^{n-k}\). La formule de Leibniz donne :

      \[(x^{2n})^{(n)} = \sum_{k=0}^{n} \binom\,{n}{k} \frac{n!}{(n-k)!}x^{n-k} \cdot \frac{n!}{k!}x^{k} = n! \, x^n \sum_{k=0}^{n} \binom\,{n}{k}^2.\]

      Par ailleurs, \((x^{2n})^{(n)} = \dfrac{(2n)!}{n!}x^n\). En comparant en \(x = 1\), on obtient \(n! \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \binom\,{n}{k}^2 = \dfrac{(2n)!}{n!}\). Donc \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n} \binom\,{n}{k}^2 = \dfrac{(2n)!}{(n!)^2} = \binom\,{2n}{n}\).

    Barème : a) 1,5 point : 0,5 point pour Rolle sur chaque intervalle, 0,5 point pour les racines distinctes, 0,5 point pour l’argument de degré ; b) 1,5 point : 0,5 point pour les dérivées successives, 0,5 point pour la formule, 0,5 point pour la vérification ; c) 1 point : 0,5 point pour le calcul de Leibniz, 0,5 point pour l’identification.

    Exercice 4 : Accroissements finis et suite récurrente (4 points)

    1. Le cosinus est décroissant sur \([0, 1] \subset [0, \pi]\). Donc, pour \(x \in [0, 1]\), \(\cos 1 \leq\, \cos x \leq\, 1\). Or \(1 < \dfrac{\pi}{2}\), donc \(\cos 1 > 0\). Ainsi \(\cos([0, 1]) \subset [0, 1]\).

      Posons \(\varphi(x) = \cos x – x\). Elle est continue et strictement décroissante sur \([0, 1]\), comme somme d’une fonction décroissante et d’une fonction strictement décroissante. De plus \(\varphi(0) = 1 > 0\) et \(\varphi(1) = \cos 1 – 1 < 0\). Par le théorème de la bijection continue, \(\varphi\) s’annule en un unique point \(\alpha \in [0, 1]\).

    2. Le cosinus est dérivable, de dérivée \(-\sin\). Sur \([0, 1]\), le sinus est croissant et positif, donc \(|-\sin t| \leq\, \sin 1\). Par l’inégalité des accroissements finis, \(|\cos x – \cos y| \leq\, \sin(1)\,|x – y|\) pour tous \(x, y \in [0, 1]\).
    3. Par stabilité, \(u_n \in [0, 1]\) pour tout \(n\). Posons \(k = \sin 1\). Comme \(\cos\alpha = \alpha\), on a \(|u_{n+1} – \alpha| = |\cos u_n – \cos\alpha| \leq\, k|u_n – \alpha|\). Par récurrence, \(|u_n – \alpha| \leq\, k^n|u_0 – \alpha|\). De plus \(|u_0 – \alpha| \leq\, 1\), car \(u_0\) et \(\alpha\) sont dans \([0, 1]\). Donc \(|u_n – \alpha| \leq\, (\sin 1)^n\).

      Comme \(0 \leq\, \sin 1 < 1\), \((\sin 1)^n \to 0\). Par encadrement, \((u_n)\) converge vers \(\alpha\).

      Escargot de la suite u(n+1) = cos(u(n)) partant de 0, tournant autour du point fixe alpha voisin de 0,74

    4. Il suffit que \(0{,}85^n \leq\, 10^{-2}\), soit \(n\ln(0{,}85) \leq\, -2\ln 10\). Comme \(\ln(0{,}85) < 0\), cela équivaut à :

      \[n \geq\, \frac{2\ln 10}{-\ln(0{,}85)} \approx \frac{4{,}606}{0{,}163} \approx 28{,}3.\]

      Pour tout \(n \geq\, 29\), \(u_n\) approche \(\alpha\) à \(10^{-2}\) près.

    Barème : a) 1 point : 0,5 point pour la stabilité, 0,5 point pour l’unicité de α ; b) 1 point : 0,5 point pour la majoration de la dérivée, 0,5 point pour l’inégalité citée ; c) 1 point ; d) 1 point : 0,5 point pour le passage au logarithme avec changement de sens, 0,5 point pour le rang.

    Exercice 5 : Problème – convexité et inégalités (5 points)

    1. Pour \(n = 2\), l’inégalité est la définition de la convexité. Supposons-la vraie au rang \(n\), et prenons \(x_1, \ldots, x_{n+1} \in I\) et des poids \(\lambda_i\) positifs de somme \(1\).

      Si \(\lambda_{n+1} = 1\), les autres poids sont nuls et l’inégalité est une égalité. Sinon, posons \(\mu = 1 – \lambda_{n+1} > 0\) et \(y = \displaystyle\sum_{i=1}^{n} \frac{\lambda_i}{\mu} x_i\). Les poids \(\dfrac{\lambda_i}{\mu}\) sont positifs de somme \(1\), donc \(y \in I\), car un intervalle contient les barycentres à poids positifs de ses points.

      Par convexité, puis par hypothèse de récurrence :

      \[f(\sum_{i=1}^{n+1} \lambda_i x_i) = f(\mu y + \lambda_{n+1}x_{n+1}) \leq\, \mu f(y) + \lambda_{n+1}f(x_{n+1}) \leq\, \sum_{i=1}^{n} \lambda_i f(x_i) + \lambda_{n+1}f(x_{n+1}).\]

      L’inégalité de Jensen est donc vraie pour tout \(n \geq\, 2\).

    2. La fonction \(-\ln\) est deux fois dérivable sur \(]0, +\infty[\), de dérivée seconde \(\dfrac{1}{x^2} > 0\). Elle est donc convexe.

      Appliquons Jensen avec \(\lambda_i = \dfrac{1}{n}\) :

      \[-\ln(\frac{x_1 + \cdots + x_n}{n}) \leq\, -\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}\ln x_i = -\ln((x_1 \cdots x_n)^{1/n}).\]

      Donc \(\ln((x_1 \cdots x_n)^{1/n}) \leq\, \ln(\dfrac{x_1 + \cdots + x_n}{n})\). La fonction exponentielle est croissante. Ainsi \((x_1 \cdots x_n)^{1/n} \leq\, \dfrac{x_1 + \cdots + x_n}{n}\).

    3. Sur \([0, \dfrac{\pi}{2}]\), \(\sin^{\prime\prime} = -\sin \leq\, 0\), donc le sinus y est concave. Une fonction concave dérivable est située sous ses tangentes. La tangente en \(0\) a pour équation \(y = x\), d’où \(\sin x \leq\, x\).

      De plus, une fonction concave est au-dessus de ses cordes sur l’intervalle qu’elles joignent. La corde entre \((0, 0)\) et \((\dfrac{\pi}{2}, 1)\) a pour équation \(y = \dfrac{2}{\pi}x\). Donc \(\dfrac{2}{\pi}x \leq\, \sin x \leq\, x\) sur \([0, \dfrac{\pi}{2}]\).

    4. D’après 2 avec \(n = 3\), \((abc)^{1/3} \leq\, \dfrac{a + b + c}{3} = 1\). Donc \(abc \leq\, 1\).

      Ensuite, \(x \mapsto \dfrac{1}{x}\) a pour dérivée seconde \(\dfrac{2}{x^3} > 0\) sur \(]0, +\infty[\) : elle est convexe. Jensen avec des poids \(\dfrac{1}{3}\) donne \(\dfrac{1}{(a + b + c)/3} \leq\, \dfrac{1}{3}(\dfrac{1}{a} + \dfrac{1}{b} + \dfrac{1}{c})\). Or le membre de gauche vaut \(1\). Donc \(\dfrac{1}{a} + \dfrac{1}{b} + \dfrac{1}{c} \geq\, 3\), avec égalité pour \(a = b = c = 1\).

    Barème : 1) 1,5 point : 0,5 point pour l’initialisation et le cas particulier, 0,5 point pour le barycentre y dans I, 0,5 point pour la double inégalité ; 2) 1,5 point : 0,5 point pour la convexité, 1 point pour la déduction ; 3) 1 point : 0,5 point par inégalité ; 4) 1 point : 0,5 point par inégalité.

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    Après le corrigé du contrôle : dérivation, accroissements finis et convexité

    Pour consolider ce que le corrigé vous a appris, relisez le cours « Dérivabilité et convexité » en maths sup puis entraînez-vous avec les exercices corrigés dérivabilité et convexité.

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