Version prof → Mathématiques · Lycée général · Tle · Terminale

Séquence 5 · Dérivée d'une composée, dérivée seconde et convexité

Comment repérer sur une courbe le moment où une croissance commence à ralentir, et en tirer des inégalités ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée général · Terminale
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de spécialité de mathématiques de Terminale générale, BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en 2026-2027 ; le nouveau programme entre en Terminale à la rentrée 2027.
Place dans le programmeProgramme de spécialité de mathématiques de terminale générale (BO spécial n°8 du 25 juillet 2019, applicable en terminale en 2026-2027 ; le nouveau programme du BO du 2 avril 2026 entre en terminale à la rentrée 2027), partie « Analyse », section « Compléments sur la dérivation »
Durée totale2 séances + 1 évaluation ≈ 3 h 05
ModalitéEnseignement à distance : classe virtuelle + travail autonome + rendu sur l'ENT

Objectifs et capacités

Objectifs

Capacités travaillées (BO)

Notions et définitions

fonction composée v ∘ u, (v ∘ u)' = (v' ∘ u) × u'dérivée seconde f''fonction convexe, concaveposition par rapport aux tangentes et aux sécantespoint d'inflexion

Repères historiques

Ressources de la séquence

Ancrage dans le programme, notions, repères, débats, bibliographie et différenciation, communs à toutes les séances.

Ancrage dans le programme officiel

Capacité attendue : « Démontrer des inégalités en utilisant la convexité d'une fonction. »

Orientation : « L'étude des fonctions convexes permet de réinvestir et d'enrichir le travail entamé en classe de première sur les dérivées. »

Compétences : « L'évaluation doit permettre de repérer les acquis des élèves en lien avec les six compétences mathématiques : chercher, modéliser, représenter, raisonner, calculer, communiquer. »

Épreuve de spécialité (terminale, version consolidée 2024) : écrite, 4 heures, coefficient 16. « Le sujet comporte quatre exercices indépendants les uns des autres, qui permettent d'évaluer les connaissances et compétences des candidats. » « Chaque exercice est noté sur 4 à 8 points. » (définition consolidée de l'épreuve de spécialité (éduscol)).

Notions : définitions rigoureuses

Composée
(v ∘ u)(x) = v(u(x)) ; (v ∘ u)' = (v' ∘ u) × u'.
Cas usuels
(e^u)' = u'e^u ; (uⁿ)' = n u' uⁿ⁻¹ ; (√u)' = u'/(2√u).
Dérivée seconde
f'' est la dérivée de f'.
Convexité
f est convexe sur I si sa courbe est sous ses sécantes ; pour f deux fois dérivable, cela équivaut à f' croissante, à f'' ≥ 0, à la courbe au‑dessus de ses tangentes.
Concavité
f est concave si −f est convexe (f'' ≤ 0).
Point d'inflexion
Point où la courbe traverse sa tangente ; f'' s'y annule en changeant de signe.

Repères

DateÉvénement
1684Leibniz publie la Nova methodus : règles du calcul différentiel.
1838Verhulst propose le modèle logistique, dont la courbe a un point d'inflexion.
1906Jensen publie l'inégalité de convexité qui porte son nom.
2020La notion de point d'inflexion d'une courbe épidémique est largement commentée dans les médias.

Les historiens en débat

La convexité formalise une idée visuelle : une courbe « tournée vers le haut ». Elle relie dérivées premières et secondes à des inégalités puissantes, de Jensen à l'économie (rendements décroissants). Le point d'inflexion, où la croissance cesse d'accélérer, est un indicateur précieux pour lire un phénomène de diffusion. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Dériver une composée65 mincalculer la dérivée de fonctions composées
Séance 2Convexité et point d'inflexion65 minétudier la convexité et l'interpréter
ÉvaluationÉvaluation de fin de séquence (/20)55 minVérifier les acquis : connaissances, capacités, rédaction

Chaque séance dure environ 55 minutes à distance : lancement en classe virtuelle ou par message sur l'ENT, recherche du problème (calculatrice, tableur, GeoGebra ou Python dans le navigateur), mise en commun, cours et trace écrite. Les élèves renvoient la fiche à trous et leur production par l'ENT ou en photo.

Séance 1 · Dériver une composée

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Comment dériver e^(−0,5x²) ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Composition et dérivation

La composée v ∘ u est la fonction x ↦ v(u(x)) : on applique u, puis v. Si u est dérivable sur I et v dérivable sur un intervalle contenant u(I), alors (v ∘ u)' = (v' ∘ u) × u'. Cas usuels : (e^u)' = u' e^u, (uⁿ)' = n u' uⁿ⁻¹, (√u)' = u'/(2√u) pour u > 0, (ln u)' = u'/u pour u > 0, x ↦ f(ax + b) a pour dérivée a f'(ax + b). On identifie toujours la fonction « intérieure » u avant de dériver.

Document 1 · La courbe en cloche

Situation-problème.

En statistique, on rencontre la fonction f(x) = e^(−0,5x²), dont la courbe en cloche décrit la répartition de nombreuses mesures (tailles, erreurs de mesure).

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Décomposez puis dérivez.

  1. Identifiez u et v.
    ✔ Corrigé :

    u(x) = −0,5x², v = exp.

  2. Calculez f'(x).
    ✔ Corrigé :

    −x e^(−0,5x²).

  3. Variations de f ?
    ✔ Corrigé :

    Croissante sur ]−∞ ; 0], décroissante sur [0 ; +∞[, maximum 1 en 0.

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Dérivez.

  1. (2x + 3)⁴.
    ✔ Corrigé :

    8(2x + 3)³.

  2. √(4 − x).
    ✔ Corrigé :

    −1/(2√(4 − x)).

  3. e^(3x − 1) × x.
    ✔ Corrigé :

    e^(3x − 1)(3x + 1).

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Expliquez en 8 lignes, pour un élève qui hésite, comment dériver h(x) = (x² + 1)³ par deux méthodes (composée, développement) et vérifiez l'accord. Pour bien commencer : Je repère la fonction intérieure… · Avec la formule de la composée, … · En développant, …

✔ Corrigé rédigé :

u = x² + 1, h' = 6x(x² + 1)² ; développement x⁶ + 3x⁴ + 3x² + 1, dérivée 6x⁵ + 12x³ + 6x = 6x(x² + 1)² ; accord ; conseil sur la méthode la plus efficace.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

La dérivée de v ∘ u est (v' ∘ u) × u'. La dérivée de e^u est u' e^u. Avant de dériver, on identifie la fonction intérieure. La dérivée de x ↦ f(ax + b) est x ↦ a f'(ax + b).

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Séance 2 · Convexité et point d'inflexion

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Quand une épidémie commence‑t‑elle à ralentir ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Convexité

f est convexe sur I si sa courbe est située sous ses sécantes entre les deux points ; pour f deux fois dérivable, on admet l'équivalence avec : f' croissante, f'' ≥ 0, courbe au‑dessus de ses tangentes. f est concave si f'' ≤ 0 (courbe sous ses tangentes). Un point d'inflexion est un point où la courbe traverse sa tangente : f'' s'y annule en changeant de signe. Applications : inégalités (eˣ ≥ 1 + x, ln x ≤ x − 1) et lecture d'un phénomène : pour une croissance, le passage de convexe à concave marque l'instant où la vitesse de croissance est maximale.

Document 1 · Diffusion d'une application

Situation-problème.

Le nombre d'utilisateurs (en milliers) d'une application, t semaines après son lancement, est modélisé par N(t) = 100/(1 + 99 e^(−0,5t)). Le graphique de N et celui de N' sont déposés sur l'ENT.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Lisez les graphiques.

  1. Sur quel intervalle N' est‑elle croissante ?
    ✔ Corrigé :

    Environ sur [0 ; 9,2].

  2. Où N semble‑t‑elle changer de convexité ?
    ✔ Corrigé :

    Vers t ≈ 9,2, où N vaut environ 50.

  3. Interprétation ?
    ✔ Corrigé :

    C'est le moment où les inscriptions sont les plus rapides ; ensuite elles ralentissent.

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez la convexité.

  1. f(x) = x³ : convexité et inflexion.
    ✔ Corrigé :

    f'' = 6x : concave sur les négatifs, convexe sur les positifs, inflexion en 0.

  2. f(x) = x e^x : f'' ?
    ✔ Corrigé :

    (x + 2)eˣ : inflexion en −2.

  3. Montrez que ln x ≤ x − 1 pour x > 0.
    ✔ Corrigé :

    ln concave (ln'' = −1/x² < 0), sous sa tangente en 1 : y = x − 1.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez un court article (8 lignes) pour le journal du lycée : « Qu'est‑ce qu'un point d'inflexion et pourquoi en parle‑t‑on pour une diffusion ? » en vous appuyant sur l'exemple de l'application. Pour bien commencer : Avant le point d'inflexion, la courbe est… · Au point d'inflexion, la vitesse de croissance… · Après, …

✔ Corrigé rédigé :

Convexe puis concave ; N' maximale au point d'inflexion ; valeur approchée t ≈ 9 semaines ; vocabulaire exact ; prudence sur le modèle.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

Si f'' est positive, f est convexe. Une fonction convexe a sa courbe au‑dessus de ses tangentes. En un point d'inflexion, f'' s'annule en changeant de signe. La fonction ln est concave.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

La dérivée de x ↦ e^(u(x)) est x ↦ u'(x) e^(u(x)).

Si f'' est positive sur un intervalle, f y est convexe.

Une fonction convexe a une courbe située au‑dessus de ses tangentes.

En un point d'inflexion, la courbe traverse sa tangente.

La version élève contient la même fiche avec une banque de mots (papier ou ENT).

Évaluation de fin de séquence (/20) · barème et corrigé

Évaluation sur 20 à faire en temps limité sur l'ENT ou sur papier, puis à renvoyer en photo ; le corrigé et le barème servent aussi à l'autoévaluation. En Bac Pro, elle est construite comme une situation de contrôle en cours de formation (problème contextualisé, compétences évaluées) ; en 1re générale, elle prépare à l'épreuve anticipée (automatismes sans calculatrice et exercices) ; en Terminale générale, aux exercices indépendants de l'épreuve de spécialité.

N°QuestionBarèmeCorrigé et critères
1Dérivez : f(x) = (3x − 1)⁵ ; g(x) = e^(x²) ; h(x) = √(1 + x²).4 pts15(3x − 1)⁴ ; 2x e^(x²) ; x/√(1 + x²). Un point, un point et demi, un point et demi.
2Soit f(x) = x³ − 3x² + 2. Calculez f'', étudiez la convexité de f et donnez le point d'inflexion avec l'équation de la tangente en ce point.8 ptsf'(x) = 3x² − 6x, f''(x) = 6x − 6 : concave sur ]−∞ ; 1], convexe sur [1 ; +∞[ ; inflexion en (1 ; 0) ; tangente y = −3(x − 1) = −3x + 3. Dérivée seconde (2 pts), convexité (3 pts), inflexion et tangente (3 pts).
3Démontrez que pour tout réel x, eˣ ≥ 1 + x, en utilisant la convexité de l'exponentielle, puis déduisez‑en que e^(−x) ≥ 1 − x. Rédigez. Pour bien commencer : *La fonction exponentielle est convexe car…* · *Sa tangente en 0 a pour équation…* · *En remplaçant x par −x, …*8 ptsexp'' = exp > 0 : convexe, donc la courbe est au‑dessus de sa tangente en 0, d'équation y = 1 + x. En remplaçant x par −x, e^(−x) ≥ 1 − x. Convexité (3 pts), tangente (3 pts), déduction (2 pts).
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent