Tableau de signe de f'(x) et tableau de variations

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Pour une fonction $f$ dérivable sur un intervalle $I$, le signe de sa dérivée $f'$ sur $I$ détermine les variations de $f$. Plus précisément, si $f'(x) > 0$ sur un intervalle, alors $f$ est strictement croissante sur cet intervalle. Si $f'(x) < 0$ sur un intervalle, alors $f$ est strictement décroissante sur cet intervalle. Si $f'(x) = 0$ sur un intervalle, alors $f$ est constante sur cet intervalle. Les valeurs de $x$ pour lesquelles $f'(x) = 0$ (ou n'est pas définie) sont appelées valeurs critiques et marquent un changement potentiel de variation.

💡 Bon réflexe : Toujours vérifier la cohérence entre le signe de $f'(x)$ et les flèches de variation de $f$ dans le tableau, et ne pas oublier les valeurs aux extremums et les limites aux bornes.
xf′(x)f(x)ab+0max
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Étape 1 : Déterminer l'ensemble de définition et de dérivabilité de $f$

Avant de commencer, il est essentiel de connaître l'intervalle sur lequel la fonction $f$ est définie et dérivable. Cela permet de savoir sur quel domaine on va étudier le signe de $f'(x)$.

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Étape 2 : Calculer la dérivée $f'(x)$ de la fonction $f$

Utiliser les règles de dérivation (dérivée d'une somme, d'un produit, d'un quotient, d'une fonction composée, etc.) pour calculer l'expression de $f'(x)$. Simplifier cette expression autant que possible pour faciliter l'étude de son signe.

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Étape 3 : Étudier le signe de $f'(x)$

Résoudre l'inéquation $f'(x) > 0$ et $f'(x) < 0$. Identifier les valeurs de $x$ pour lesquelles $f'(x) = 0$. Ces valeurs sont les racines de $f'(x)$ et sont cruciales pour construire le tableau de signes. Si $f'(x)$ est un polynôme, on peut utiliser les propriétés des polynômes (racines, signe du coefficient dominant). Si $f'(x)$ est un quotient, étudier le signe du numérateur et du dénominateur séparément.

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Étape 4 : Construire le tableau de variations de $f$

Organiser les informations dans un tableau à trois lignes :
1. La première ligne contient les valeurs de $x$ (avec les bornes de l'intervalle d'étude et les valeurs critiques où $f'(x)$ s'annule ou n'est pas définie).
2. La deuxième ligne indique le signe de $f'(x)$ sur chaque intervalle.
3. La troisième ligne représente les variations de $f$ (flèche montante pour 'croissante', flèche descendante pour 'décroissante').
Calculer les valeurs de $f(x)$ aux bornes de l'intervalle d'étude et aux points où $f'(x)=0$ (extremums locaux) pour compléter le tableau.

Soit la fonction $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 5$. Établir le tableau de variations de $f$.

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Déterminer l'ensemble de définition et de dérivabilité de $f$
La fonction $f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 5$ est une fonction polynomiale. Elle est donc définie et dérivable sur $\mathbb{R}$.
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Calculer la dérivée $f'(x)$
On applique les règles de dérivation :
$$f'(x) = \frac{d}{dx}(x^3) - \frac{d}{dx}(3x^2) - \frac{d}{dx}(9x) + \frac{d}{dx}(5)$$
$$f'(x) = 3x^2 - 3 × (2x) - 9 × 1 + 0$$
$$f'(x) = 3x^2 - 6x - 9$$
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Étudier le signe de $f'(x)$
On cherche les racines de $f'(x) = 3x^2 - 6x - 9$. C'est un polynôme du second degré. On peut simplifier en divisant par 3 : $x^2 - 2x - 3 = 0$.
Calcul du discriminant $\Delta = b^2 - 4ac = (-2)^2 - 4 × 1 × (-3) = 4 + 12 = 16$.
Les racines sont $x_1 = \frac{-b - \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{2 - \sqrt{16}}{2 × 1} = \frac{2 - 4}{2} = -1$.
Et $x_2 = \frac{-b + \sqrt{\Delta}}{2a} = \frac{2 + \sqrt{16}}{2 × 1} = \frac{2 + 4}{2} = 3$.
Puisque le coefficient dominant de $f'(x)$ ($3x^2$) est $3 > 0$, $f'(x)$ est positif à l'extérieur des racines et négatif entre les racines.
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Construire le tableau de variations de $f$
On calcule les valeurs de $f$ aux points critiques :
$f(-1) = (-1)^3 - 3(-1)^2 - 9(-1) + 5 = -1 - 3 + 9 + 5 = 10$.
$f(3) = (3)^3 - 3(3)^2 - 9(3) + 5 = 27 - 27 - 27 + 5 = -22$.
On a aussi les limites aux bornes de l'intervalle :
$\lim_{x \to -\infty} f(x) = \lim_{x \to -\infty} x^3 = -\infty$.
$\lim_{x \to +\infty} f(x) = \lim_{x \to +\infty} x^3 = +\infty$.

Le tableau de variations est le suivant :
$x$$-\infty$$-1$$3$$+\infty$
Signe de $f'(x)$$+$$0$$-$$0$$+$
Variations de $f$$-\infty$$\nearrow$$10$$\searrow$$-22$$\nearrow$$+\infty$

La fonction $f$ est strictement croissante sur $]-\infty; -1]$, strictement décroissante sur $[-1; 3]$, et strictement croissante sur $[3; +\infty[$. Elle admet un maximum local en $x=-1$ de valeur $f(-1)=10$ et un minimum local en $x=3$ de valeur $f(3)=-22$.

  1. Ne pas oublier de calculer les limites aux bornes de l'ensemble de définition ou les valeurs de la fonction aux points où la dérivée s'annule pour compléter le tableau de variations.
  2. Confondre le signe de $f(x)$ et le signe de $f'(x)$. Le signe de $f(x)$ donne la position de la courbe par rapport à l'axe des abscisses, tandis que le signe de $f'(x)$ donne les variations de $f$.
  3. Faire des erreurs de calcul lors de la dérivation ou lors de la résolution de l'équation $f'(x)=0$, ce qui fausse tout le tableau.

On considère la fonction $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = (2x-1)e^{-x}$.

  1. Calculer la dérivée $f'(x)$ de la fonction $f$.
  2. Étudier le signe de $f'(x)$ sur $\mathbb{R}$.
  3. En déduire le tableau de variations de $f$ sur $\mathbb{R}$.
  1. Calcul de la dérivée $f'(x)$ :

    La fonction $f$ est de la forme $u(x)v(x)$ avec $u(x) = 2x-1$ et $v(x) = e^{-x}$.

    On a $u'(x) = 2$ et $v'(x) = -e^{-x}$.

    La formule de dérivation d'un produit est $(uv)' = u'v + uv'$.

    Ainsi, $f'(x) = 2e^{-x} + (2x-1)(-e^{-x})$

    $f'(x) = e^{-x}(2 - (2x-1))$

    $f'(x) = e^{-x}(2 - 2x + 1)$

    $f'(x) = e^{-x}(3 - 2x)$

  2. Étude du signe de $f'(x)$ :

    Pour étudier le signe de $f'(x) = e^{-x}(3 - 2x)$, on doit étudier le signe de chaque facteur.

    • Pour tout $x \in \mathbb{R}$, $e^{-x} > 0$.
    • Le signe de $f'(x)$ dépend donc uniquement du signe de $(3 - 2x)$.

    On résout $3 - 2x = 0 \Leftrightarrow 2x = 3 \Leftrightarrow x = \frac{3}{2}$.

    On résout $3 - 2x > 0 \Leftrightarrow 3 > 2x \Leftrightarrow x < \frac{3}{2}$.

    On résout $3 - 2x < 0 \Leftrightarrow 3 < 2x \Leftrightarrow x > \frac{3}{2}$.

    Donc, $f'(x) > 0$ pour $x < \frac{3}{2}$, $f'(x) = 0$ pour $x = \frac{3}{2}$, et $f'(x) < 0$ pour $x > \frac{3}{2}$.

  3. Tableau de variations de $f$ :

    Calculons la valeur de $f$ en $x = \frac{3}{2}$ :

    $f\left(\frac{3}{2}\right) = \left(2 × \frac{3}{2} - 1\right)e^{-\frac{3}{2}} = (3 - 1)e^{-\frac{3}{2}} = 2e^{-\frac{3}{2}}$.

    Calculons les limites aux bornes de l'intervalle :

    • $\lim_{x \to -\infty} f(x) = \lim_{x \to -\infty} (2x-1)e^{-x}$. On a $\lim_{x \to -\infty} (2x-1) = -\infty$ et $\lim_{x \to -\infty} e^{-x} = +\infty$. Le produit est de la forme $(-\infty) × (+\infty)$, donc $\lim_{x \to -\infty} f(x) = -\infty$.
    • $\lim_{x \to +\infty} f(x) = \lim_{x \to +\infty} (2x-1)e^{-x}$. C'est une forme indéterminée de type $\infty × 0$. On peut réécrire $f(x) = \frac{2x-1}{e^x} = \frac{2x}{e^x} - \frac{1}{e^x}$.
      On sait que $\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x} = +\infty$, donc $\lim_{x \to +\infty} \frac{x}{e^x} = 0$. Par conséquent, $\lim_{x \to +\infty} \frac{2x}{e^x} = 0$.
      De plus, $\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{e^x} = 0$.
      Donc, $\lim_{x \to +\infty} f(x) = 0 - 0 = 0$.

    Le tableau de variations est le suivant :

    $x$$-\infty$$\frac{3}{2}$$+\infty$
    Signe de $f'(x)$$+$$0$$-$
    Variations de $f$$-\infty$$\nearrow$$2e^{-\frac{3}{2}}$$\searrow$$0$

Questions fréquentes

Pourquoi $f'(x)=0$ indique un extremum local ?
Lorsque $f'(x)=0$ et que le signe de $f'(x)$ change autour de cette valeur (par exemple, de positif à négatif), cela signifie que la fonction $f$ passe d'une phase de croissance à une phase de décroissance (maximum local) ou inversement (minimum local). C'est un point où la tangente à la courbe est horizontale.
Comment gérer les fonctions non définies sur $\mathbb{R}$ ?
Si la fonction $f$ n'est pas définie sur $\mathbb{R}$ (par exemple, $\ln(x)$ définie sur $]0;+\infty[$), l'étude de $f'(x)$ et le tableau de variations doivent se faire uniquement sur l'ensemble de définition de $f$. Les bornes de cet ensemble doivent apparaître dans le tableau, et on y indique les limites de $f$ si elles existent.
Est-ce que $f'(x)$ peut être nulle sans qu'il y ait un extremum ?
Oui, c'est possible. Par exemple, pour $f(x) = x^3$, $f'(x) = 3x^2$. $f'(0) = 0$. Cependant, le signe de $f'(x)$ ne change pas autour de $x=0$ (il reste positif). La fonction $f$ est croissante avant et après $0$. On parle alors de point d'inflexion à tangente horizontale, et non d'extremum local.
Faut-il toujours calculer les limites aux bornes de l'intervalle ?
Oui, il est fortement recommandé de calculer les limites aux bornes de l'intervalle d'étude (ou les valeurs de la fonction si les bornes sont incluses) pour compléter le tableau de variations. Cela permet d'avoir une vision complète du comportement de la fonction et de vérifier la cohérence des variations.

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