Étude de fonctions et réciproques en maths sup (MPSI) : cours et méthodes
Ce chapitre réunit tous les outils qui servent à étudier une fonction de la variable réelle sans hésiter : domaine, symétries, variations, limites et allure de la courbe. Il arrive en tout début d’année, juste après la trigonométrie. Ainsi, vous y retrouvez des fonctions de terminale, mais traitées avec la rigueur attendue en colle.
Nous y construisons les fonctions réciproques MPSI du programme : Arcsin, Arccos, Arctan, ainsi que les fonctions hyperboliques sh, ch et th. De plus, nous établissons la formule de la dérivée d’une réciproque et les inégalités de convexité les plus utiles.
Enfin, ce cours prépare directement les chapitres sur les primitives, les équations différentielles et les développements limités. Chaque méthode est rédigée comme on l’attend à l’oral, avec ses pièges.
Ce que vous saurez faire
- Mener une étude de fonction complète et rédigée, du domaine jusqu’à l’allure de la courbe.
- Déduire une courbe d’une autre par translation, symétrie ou dilatation.
- Dériver une composée et une bijection réciproque, en vérifiant les hypothèses.
- Établir une inégalité par étude de fonction.
- Simplifier une expression contenant Arcsin, Arccos ou Arctan.
- Manipuler sh, ch, th et dériver \(t \mapsto e^{\varphi(t)}\) quand \(\varphi\) est à valeurs complexes.
1. Le plan type d’une étude de fonction
Une étude de fonction suit toujours le même ordre. D’abord, on fixe le domaine. Ensuite, on réduit ce domaine grâce aux symétries. Puis on étudie les variations et les limites. Enfin, on trace la courbe avec ses tangentes et ses asymptotes.
1.1 Domaine, parité, périodicité
Soit \(f\) définie sur une partie \(D\) de \(\mathbb{R}\). On dit que \(f\) est paire si \(D\) est symétrique par rapport à 0 et si \(f(-x)=f(x)\) pour tout \(x \in D\). Elle est impaire si \(D\) est symétrique et \(f(-x)=-f(x)\). Enfin, \(f\) est \(T\)-périodique (avec \(T>0\)) si \(x+T \in D \iff x \in D\) et si \(f(x+T)=f(x)\) pour tout \(x \in D\).
Ces propriétés servent à réduire le travail. Si \(f\) est paire ou impaire, on étudie \(f\) sur \(D \cap [0,+\infty[\). Ensuite, on complète par symétrie d’axe \(Oy\) ou de centre \(O\). Si \(f\) est \(T\)-périodique, un intervalle de longueur \(T\) suffit.
Considérons \(f(x)=\dfrac{\sin(2x)}{3+\cos x}\). Le dénominateur vaut au moins 2, donc \(D=\mathbb{R}\). De plus, \(f(-x)=-f(x)\), donc \(f\) est impaire. Par ailleurs, \(f\) est \(2\pi\)-périodique. On étudie donc \(f\) sur \([0,\pi]\) seulement. On obtient la courbe entière par symétrie de centre \(O\), puis par translations de vecteurs \(2k\pi\,\vec{\imath}\).
Piège à éviter :
Une égalité \(f(-x)=f(x)\) ne suffit pas. Il faut d’abord vérifier que le domaine est symétrique. Par exemple, \(x \mapsto x^2\) restreinte à \([-1,2]\) n’est pas paire.
1.2 Transformations du graphe
Beaucoup de courbes se déduisent d’une courbe connue. Notons \(\mathcal{C}_f\) la courbe de \(f\) et fixons des réels \(a\) et \(b\), avec \(\lambda>0\).
- La courbe de \(x \mapsto f(x-a)+b\) est l’image de \(\mathcal{C}_f\) par la translation de vecteur \(a\vec{\imath}+b\vec{\jmath}\).
- La courbe de \(x \mapsto f(-x)\) est la symétrique de \(\mathcal{C}_f\) par rapport à l’axe \(Oy\).
- La courbe de \(x \mapsto -f(x)\) est la symétrique de \(\mathcal{C}_f\) par rapport à l’axe \(Ox\).
- La courbe de \(x \mapsto f(\lambda x)\) s’obtient en divisant les abscisses par \(\lambda\).
- La courbe de \(x \mapsto \lambda f(x)\) s’obtient en multipliant les ordonnées par \(\lambda\).
- La courbe de \(x \mapsto |f(x)|\) garde la partie au-dessus de \(Ox\) et retourne le reste.
La figure suivante montre trois transformations de la racine carrée. Observez en particulier le sens du décalage : \(\sqrt{x-2}\) part vers la droite, et non vers la gauche.

Remarque :
Si \(f(a-x)=f(a+x)\) pour tout \(x\), alors la droite d’équation \(x=a\) est un axe de symétrie de \(\mathcal{C}_f\). De même, \(f(a-x)+f(a+x)=2b\) signifie que le point \((a,b)\) est un centre de symétrie.
1.3 Rédiger une étude complète
À l’écrit comme à l’oral, le correcteur attend une progression visible. Chaque étape justifie la suivante. C’est pourquoi on annonce le plan avant de calculer.
- Écrire le domaine sous forme de réunion d’intervalles, avec la condition qui le justifie.
- Réduire l’intervalle d’étude par parité, périodicité ou symétrie, en le disant explicitement.
- Justifier la dérivabilité, calculer \(f^{\prime}\) et la factoriser.
- Dresser le tableau de variations avec les valeurs exactes et les limites.
- Chercher les asymptotes : verticales, horizontales, puis obliques sous la forme \(f(x)-(ax+b) \to 0\).
- Placer quelques tangentes remarquables, puis tracer la courbe complète.
Pour une asymptote oblique, on calcule d’abord la limite de \(f(x)/x\), qui donne \(a\). Ensuite, on étudie \(f(x)-ax\), qui donne \(b\). Enfin, le signe de \(f(x)-(ax+b)\) indique la position de la courbe.
Étudions la branche infinie de \(k(x)=\sqrt{x^2+6x}\) en \(+\infty\). D’abord, \(k(x)/x=\sqrt{1+6/x} \to 1\), donc \(a=1\). Ensuite, on multiplie par la quantité conjuguée :
\[k(x)-x=\frac{6x}{\sqrt{x^2+6x}+x}=\frac{6}{\sqrt{1+6/x}+1}.\]
Cette expression tend vers 3. Ainsi, la droite \(y=x+3\) est asymptote en \(+\infty\). De plus, \(k(x)^2=(x+3)^2-9<(x+3)^2\), donc la courbe reste sous l’asymptote.
Une limite finie de \(f(x)/x\) ne garantit pas d’asymptote. Par exemple, pour \(f(x)=x+\sqrt{x}\), on a \(f(x)/x \to 1\). Pourtant, \(f(x)-x=\sqrt{x}\) tend vers \(+\infty\). On parle alors de branche parabolique de direction \(y=x\).
2. Monotonie, bornes et dérivation
2.1 Fonctions monotones, fonctions bornées
Soit \(f : D \to \mathbb{R}\). Un réel \(M\) supérieur ou égal à toutes les valeurs de \(f\) est un majorant, et \(f\) est alors majorée. Symétriquement, un minorant est un réel inférieur ou égal à toutes ses valeurs. Une fonction à la fois majorée et minorée est bornée : cela revient à dire que \(|f|\) admet un majorant. Par ailleurs, \(f\) est croissante lorsque \(x \leqslant y\) entraîne \(f(x) \leqslant f(y)\). Elle l’est strictement lorsque \(x<y\) donne toujours \(f(x)<f(y)\).
Une fonction strictement monotone sur \(D\) est injective. En effet, si \(x \neq y\), par exemple \(x<y\), alors \(f(x)<f(y)\) ou \(f(x)>f(y)\), donc \(f(x) \neq f(y)\).
Sur un intervalle, une fonction dérivable de dérivée positive est croissante. Si de plus la dérivée ne s’annule qu’en des points isolés, la croissance est stricte. Ce critère sert dans presque toutes les études.
Piège à éviter :
Le lien entre signe de \(f^{\prime}\) et monotonie exige un intervalle. Par exemple, \(x \mapsto -1/x\) a une dérivée strictement positive sur \(\mathbb{R}^*\). Pourtant, elle n’est pas croissante sur \(\mathbb{R}^*\), car \(-1/(-1)=1>-1=-1/1\).
2.2 Dérivée d’une composée
Soit \(u\) dérivable sur un intervalle \(I\), à valeurs dans un intervalle \(J\), et \(g\) dérivable sur \(J\). Alors \(g \circ u\) est dérivable sur \(I\) et \((g \circ u)^{\prime}=u^{\prime} \times (g^{\prime} \circ u)\).
On en déduit les formules de travail : \((e^u)^{\prime}=u^{\prime}e^u\), \((\ln|u|)^{\prime}=u^{\prime}/u\) là où \(u\) ne s’annule pas, et \((u^\alpha)^{\prime}=\alpha u^{\prime}u^{\alpha-1}\) là où \(u>0\). Ainsi, la dérivée de \(x \mapsto \ln(1+e^{3x})\) vaut \(3e^{3x}/(1+e^{3x})\).
2.3 Bijection réciproque et sa dérivée
Prenons un intervalle \(I\) et une fonction \(f\) continue sur \(I\), strictement croissante ou strictement décroissante. L’image \(J=f(I)\) est encore un intervalle. De plus, chaque élément de \(J\) possède un unique antécédent dans \(I\). La fonction \(f^{-1} : J \to I\) ainsi obtenue hérite de la continuité et du sens de variation de \(f\). Enfin, en repère orthonormé, on passe de \(\mathcal{C}_f\) à \(\mathcal{C}_{f^{-1}}\) en échangeant abscisse et ordonnée, c’est-à-dire par la réflexion d’axe la première bissectrice.
Supposons de plus \(f\) dérivable en \(a \in I\), et posons \(b=f(a)\). Alors \(f^{-1}\) est dérivable en \(b\) si et seulement si \(f^{\prime}(a) \neq 0\). Dans ce cas :
\[(f^{-1})^{\prime}(b)=\frac{1}{f^{\prime}(a)}=\frac{1}{f^{\prime}\big(f^{-1}(b)\big)}.\]
Soit \(y \in J\) avec \(y \neq b\), et posons \(x=f^{-1}(y)\). Comme \(f^{-1}\) est injective, \(x \neq a\). On écrit alors :
\[\frac{f^{-1}(y)-f^{-1}(b)}{y-b}=\frac{x-a}{f(x)-f(a)}.\]
Quand \(y\) tend vers \(b\), la continuité de \(f^{-1}\) donne \(x \to a\). Donc le quotient \((f(x)-f(a))/(x-a)\) tend vers \(f^{\prime}(a)\). Si \(f^{\prime}(a) \neq 0\), son inverse tend vers \(1/f^{\prime}(a)\). En revanche, si \(f^{\prime}(a)=0\) et si \(f^{-1}\) était dérivable en \(b\), on dériverait \(f^{-1}\circ f=\mathrm{id}\) en \(a\). On obtiendrait \((f^{-1})^{\prime}(b)\,f^{\prime}(a)=1\), ce qui est absurde.
Géométriquement, la tangente à \(\mathcal{C}_{f^{-1}}\) est la symétrique de la tangente à \(\mathcal{C}_f\). Ainsi, une pente \(p\) devient une pente \(1/p\). Une tangente horizontale devient donc verticale.
Pour dériver une réciproque en un point \(b\) :
- justifier que \(f\) est continue et strictement monotone sur un intervalle \(I\) ;
- déterminer \(J=f(I)\) par les limites aux bornes ;
- trouver l’antécédent \(a\) de \(b\), souvent « à vue » ;
- vérifier \(f^{\prime}(a) \neq 0\), puis écrire \((f^{-1})^{\prime}(b)=1/f^{\prime}(a)\).
Soit \(g(x)=x^5+3x-2\) sur \(\mathbb{R}\). D’abord, \(g^{\prime}(x)=5x^4+3>0\), donc \(g\) est strictement croissante. Ensuite, ses limites en \(\pm\infty\) valent \(\pm\infty\), donc \(g\) est une bijection de \(\mathbb{R}\) sur \(\mathbb{R}\). On remarque que \(g(1)=2\). De plus, \(g^{\prime}(1)=8 \neq 0\). Par conséquent, \((g^{-1})^{\prime}(2)=1/8\). Pourtant, on ne sait pas exprimer \(g^{-1}\) par une formule.

3. Exponentielle, logarithme et puissances
3.1 Les fonctions de référence
Rappelons le point de départ : \(\ln\) désigne l’unique primitive de \(x \mapsto 1/x\) sur \(]0,+\infty[\) qui prend la valeur 0 au point 1. Sa dérivée est positive et ses limites valent \(-\infty\) et \(+\infty\). Elle envoie donc bijectivement \(]0,+\infty[\) sur \(\mathbb{R}\), et l’exponentielle est définie comme sa bijection inverse. D’après le théorème précédent, \(\exp^{\prime}(y)=1/\ln^{\prime}(e^y)=e^y\).
Pour \(x>0\) et \(\alpha \in \mathbb{R}\), on pose \(x^\alpha=e^{\alpha \ln x}\). Pour \(a>0\), on pose de même \(a^x=e^{x \ln a}\) pour tout réel \(x\).
On dérive ces fonctions en revenant à l’exponentielle. Ainsi, \((x^\alpha)^{\prime}=\alpha x^{\alpha-1}\) et \((a^x)^{\prime}=(\ln a)\,a^x\). Pour une expression du type \(u(x)^{v(x)}\), on écrit toujours \(e^{v(x)\ln u(x)}\) avant de dériver.
Piège à éviter :
L’écriture \(x^\alpha\) avec \(\alpha\) réel quelconque n’a de sens que pour \(x>0\). Par exemple, \((-8)^{1/3}\) n’est pas défini par cette formule, même si \(-2\) vérifie \((-2)^3=-8\).
3.2 Croissances comparées
Pour tous réels \(\alpha>0\) et \(\beta>0\) :
\[\lim_{x \to +\infty}\frac{(\ln x)^\beta}{x^\alpha}=0,\qquad \lim_{x \to +\infty}\frac{x^\alpha}{e^{\beta x}}=0,\qquad \lim_{x \to 0^+}x^\alpha\,|\ln x|^\beta=0.\]
Retenons donc la hiérarchie en \(+\infty\) : exponentielle devant puissance, puissance devant logarithme. Pour s’en servir, on factorise par le terme dominant. Par exemple, \(e^{x}-x^{40}=e^{x}\big(1-x^{40}e^{-x}\big)\) tend vers \(+\infty\).
Devant une limite en \(0^+\) avec un logarithme, on pose \(x=e^{-u}\) avec \(u \to +\infty\). Ainsi, \(\sqrt{x}\,(\ln x)^4=u^4e^{-u/2}\), qui tend vers 0 par croissances comparées.
3.3 Inégalités de convexité usuelles
Certaines inégalités reviennent sans cesse en colle. En fait, chacune dit qu’une courbe reste d’un seul côté de l’une de ses tangentes, ou bien d’une de ses cordes.
- Pour tout réel \(x\), \(e^x \geqslant 1+x\).
- Pour tout \(x>-1\), \(\ln(1+x) \leqslant x\).
- Pour tout \(x \geqslant 0\), \(\sin x \leqslant x\) ; plus généralement \(|\sin x| \leqslant |x|\) pour tout réel \(x\).
- Pour tout \(x \in [0,\pi/2]\), \(\sin x \geqslant \dfrac{2x}{\pi}\).
Prouvons la première. Posons \(h(x)=e^x-1-x\). Alors \(h^{\prime}(x)=e^x-1\), négative sur \(]-\infty,0]\) et positive sur \([0,+\infty[\). Donc \(h\) atteint son minimum en 0, et \(h(0)=0\). Ensuite, la deuxième s’en déduit : pour \(x>-1\), on applique la première à \(\ln(1+x)\). On obtient \(1+x \geqslant 1+\ln(1+x)\).
Les deux dernières inégalités viennent de la concavité du sinus sur \([0,\pi/2]\). En effet, la courbe reste sous sa tangente en 0 et au-dessus de sa corde entre 0 et \(\pi/2\).
3.4 Établir une inégalité par étude de fonction
- Tout passer d’un côté : on étudie \(h=\) membre de gauche \(-\) membre de droite.
- Dériver \(h\) et factoriser \(h^{\prime}\) pour lire son signe.
- Si le signe de \(h^{\prime}\) reste obscur, dériver encore et remonter.
- Conclure avec une valeur connue, souvent \(h(0)=0\), et le sens de variation.
Montrons que \(\ln(1+x) \geqslant \dfrac{2x}{2+x}\) pour tout \(x \geqslant 0\). Posons \(h(x)=\ln(1+x)-\dfrac{2x}{2+x}\). On calcule :
\[h^{\prime}(x)=\frac{1}{1+x}-\frac{4}{(2+x)^2}=\frac{(2+x)^2-4(1+x)}{(1+x)(2+x)^2}=\frac{x^2}{(1+x)(2+x)^2}.\]
Donc \(h^{\prime} \geqslant 0\) sur \([0,+\infty[\), et \(h\) y est croissante. Comme \(h(0)=0\), on obtient \(h(x) \geqslant 0\). Cet encadrement est très fin près de 0, comme le montre la figure.

4. Les fonctions réciproques Arcsin, Arccos, Arctan
Aucune des trois fonctions circulaires n’est injective : chaque valeur du sinus est prise une infinité de fois. Pour inverser, nous choisissons donc une fenêtre de monotonie stricte, toujours la même. Chaque fenêtre fournit alors une bijection, puis une fonction « arc ».
4.1 Définitions et dérivées
- \(\sin\) réalise une bijection de \([-\pi/2,\pi/2]\) sur \([-1,1]\). Sa réciproque est \(\mathrm{Arcsin} : [-1,1] \to [-\pi/2,\pi/2]\).
- \(\cos\) réalise une bijection de \([0,\pi]\) sur \([-1,1]\). Sa réciproque est \(\mathrm{Arccos} : [-1,1] \to [0,\pi]\).
- \(\tan\) réalise une bijection de \(]-\pi/2,\pi/2[\) sur \(\mathbb{R}\). Sa réciproque est \(\mathrm{Arctan} : \mathbb{R} \to\, ]-\pi/2,\pi/2[\).
Autrement dit, \(\mathrm{Arcsin}\,y\) est l’unique angle de \([-\pi/2,\pi/2]\) dont le sinus vaut \(y\). Par exemple, \(\mathrm{Arcsin}(-\sqrt{3}/2)=-\pi/3\), \(\mathrm{Arccos}(-1/2)=2\pi/3\) et \(\mathrm{Arctan}(-1)=-\pi/4\).
Arcsin et Arccos sont dérivables sur \(]-1,1[\), mais pas en \(\pm 1\). Arctan est dérivable sur \(\mathbb{R}\). Pour \(x \in\, ]-1,1[\) et \(t \in \mathbb{R}\) :
\[\mathrm{Arcsin}^{\prime}(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}},\qquad \mathrm{Arccos}^{\prime}(x)=\frac{-1}{\sqrt{1-x^2}},\qquad \mathrm{Arctan}^{\prime}(t)=\frac{1}{1+t^2}.\]
Traitons Arcsin. Pour \(x \in\, ]-1,1[\), posons \(\theta=\mathrm{Arcsin}\,x \in\, ]-\pi/2,\pi/2[\). Alors \(\sin^{\prime}(\theta)=\cos\theta>0\). Le théorème de la partie 2 donne donc \(\mathrm{Arcsin}^{\prime}(x)=1/\cos\theta\). Or \(\cos\theta \geqslant 0\) et \(\cos^2\theta=1-x^2\), donc \(\cos\theta=\sqrt{1-x^2}\). En \(\pm 1\), en revanche, \(\cos(\pm\pi/2)=0\), d’où une tangente verticale. Pour Arctan, on obtient de même \(1/(1+\tan^2\theta)=1/(1+t^2)\).
Remarque :
Ces dérivées sont des fonctions algébriques, sans aucune fonction circulaire. C’est pourquoi les fonctions arc apparaissent naturellement comme primitives. Par exemple, une primitive de \(x \mapsto \frac{1}{9+x^2}\) est \(x \mapsto \frac{1}{3}\mathrm{Arctan}\frac{x}{3}\). De même, \(x \mapsto \mathrm{Arcsin}\frac{x}{2}\) est une primitive de \(x \mapsto \frac{1}{\sqrt{4-x^2}}\) sur \(]-2,2[\).
4.2 Relations et simplifications
- Arcsin et Arctan sont impaires ; \(\mathrm{Arccos}(-x)=\pi-\mathrm{Arccos}\,x\).
- Pour tout \(x \in [-1,1]\), \(\mathrm{Arcsin}\,x+\mathrm{Arccos}\,x=\dfrac{\pi}{2}\).
- Pour tout \(x>0\), \(\mathrm{Arctan}\,x+\mathrm{Arctan}\dfrac{1}{x}=\dfrac{\pi}{2}\) ; pour \(x<0\), cette somme vaut \(-\dfrac{\pi}{2}\).
- Pour \(x \in [-1,1]\), \(\cos(\mathrm{Arcsin}\,x)=\sin(\mathrm{Arccos}\,x)=\sqrt{1-x^2}\).
Pour prouver la relation avec \(1/x\), on dérive \(x \mapsto \mathrm{Arctan}\,x+\mathrm{Arctan}(1/x)\) sur \(]0,+\infty[\). On trouve \(\dfrac{1}{1+x^2}-\dfrac{1}{x^2}\cdot\dfrac{x^2}{x^2+1}=0\). La fonction est donc constante sur cet intervalle, et sa valeur en 1 vaut \(\pi/4+\pi/4\).
Piège à éviter :
On a toujours \(\sin(\mathrm{Arcsin}\,y)=y\) pour \(y \in [-1,1]\). En revanche, \(\mathrm{Arcsin}(\sin x)=x\) n’est vrai que si \(x \in [-\pi/2,\pi/2]\). Ailleurs, la courbe de \(x \mapsto \mathrm{Arcsin}(\sin x)\) forme une ligne brisée en dents de scie.

Pour simplifier une expression avec des fonctions arc :
- calculer le sinus, le cosinus ou la tangente de l’expression ;
- localiser l’expression dans un intervalle où cette fonction est injective ;
- conclure par injectivité. Une autre voie consiste à dériver l’expression, puis à évaluer en un point.
Montrons que \(2\,\mathrm{Arctan}\dfrac{1}{3}+\mathrm{Arctan}\dfrac{1}{7}=\dfrac{\pi}{4}\). Posons \(a=\mathrm{Arctan}(1/3)\) et \(b=\mathrm{Arctan}(1/7)\). D’abord, la formule de duplication donne :
\[\tan(2a)=\frac{2/3}{1-1/9}=\frac{3}{4},\qquad \tan(2a+b)=\frac{3/4+1/7}{1-3/28}=\frac{25/28}{25/28}=1.\]
Ensuite, on localise. Comme \(0<1/7<1/3<1/\sqrt{3}\), on a \(0<b<a<\pi/6\). Donc \(2a+b \in\, ]0,\pi/2[\). Or la seule solution de \(\tan\theta=1\) dans cet intervalle est \(\pi/4\). Par conséquent, \(2a+b=\pi/4\).
5. Les fonctions hyperboliques sh, ch et th
5.1 Définitions et formules
Pour tout réel \(x\), on pose :
\[\mathrm{ch}\,x=\frac{e^x+e^{-x}}{2},\qquad \mathrm{sh}\,x=\frac{e^x-e^{-x}}{2},\qquad \mathrm{th}\,x=\frac{\mathrm{sh}\,x}{\mathrm{ch}\,x}=\frac{e^{2x}-1}{e^{2x}+1}.\]
La fonction ch est paire, tandis que sh et th sont impaires. De plus, \(\mathrm{ch}\,x+\mathrm{sh}\,x=e^x\). On retient aussi la relation fondamentale, qui remplace \(\cos^2+\sin^2=1\).
Pour tout réel \(x\), \(\mathrm{ch}^2x-\mathrm{sh}^2x=1\). Par ailleurs, \(\mathrm{sh}^{\prime}=\mathrm{ch}\), \(\mathrm{ch}^{\prime}=\mathrm{sh}\) et \(\mathrm{th}^{\prime}=1-\mathrm{th}^2=\dfrac{1}{\mathrm{ch}^2}\).
En effet, \((\mathrm{ch}\,x-\mathrm{sh}\,x)(\mathrm{ch}\,x+\mathrm{sh}\,x)=e^{-x}e^{x}=1\). Les formules d’addition s’obtiennent de la même manière, en développant les exponentielles. Ainsi, \(\mathrm{ch}(a+b)=\mathrm{ch}\,a\,\mathrm{ch}\,b+\mathrm{sh}\,a\,\mathrm{sh}\,b\).
Piège à éviter :
Les signes diffèrent de la trigonométrie. Par exemple, \(\mathrm{ch}^{\prime}=+\mathrm{sh}\) alors que \(\cos^{\prime}=-\sin\). De même, \(\mathrm{ch}(2x)=\mathrm{ch}^2x+\mathrm{sh}^2x=1+2\,\mathrm{sh}^2x\).
5.2 Variations et courbes
D’abord, sh est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\), de limites \(\pm\infty\) : c’est une bijection de \(\mathbb{R}\) sur \(\mathbb{R}\). Ensuite, ch décroît sur \(]-\infty,0]\), croît sur \([0,+\infty[\) et vaut au moins 1. Enfin, th est une bijection strictement croissante de \(\mathbb{R}\) sur \(]-1,1[\). Les droites \(y=1\) et \(y=-1\) sont ses asymptotes.

En \(+\infty\), ch et sh sont toutes deux équivalentes à \(e^x/2\). C’est pourquoi leurs courbes se rapprochent l’une de l’autre, puis de celle de \(x \mapsto e^x/2\).
Résolvons \(\mathrm{ch}\,x=\dfrac{17}{8}\). On pose \(t=e^x>0\). L’équation devient \(t+1/t=17/4\), soit \(4t^2-17t+4=0\). Le discriminant vaut \(289-64=225\), donc \(t=4\) ou \(t=1/4\). Par conséquent, les solutions sont \(x=2\ln 2\) et \(x=-2\ln 2\), ce qui respecte la parité de ch.
Remarque :
Les réciproques de sh, ch et th ne figurent pas au programme. Cependant, la méthode \(t=e^x\) permet de les calculer dans chaque exercice qui en a besoin.
6. Dérivée de exp(φ) pour φ à valeurs complexes
On étend la dérivation aux fonctions à valeurs complexes. Une fonction \(\varphi : I \to \mathbb{C}\) est dérivable si sa partie réelle et sa partie imaginaire le sont. On pose alors \(\varphi^{\prime}=(\mathrm{Re}\,\varphi)^{\prime}+i\,(\mathrm{Im}\,\varphi)^{\prime}\).
Soit \(\varphi : I \to \mathbb{C}\) dérivable sur un intervalle \(I\). Alors \(t \mapsto e^{\varphi(t)}\) est dérivable sur \(I\), et sa dérivée vaut \(\varphi^{\prime}(t)\,e^{\varphi(t)}\).
Écrivons \(\varphi=a+ib\) avec \(a\) et \(b\) réelles. Alors \(e^{\varphi}=e^{a}\cos b+i\,e^{a}\sin b\). On dérive chaque partie :
\[\big(e^{\varphi}\big)^{\prime}=e^{a}\big(a^{\prime}\cos b-b^{\prime}\sin b\big)+i\,e^{a}\big(a^{\prime}\sin b+b^{\prime}\cos b\big).\]
Ensuite, on factorise : cette expression vaut \(e^{a}(a^{\prime}+ib^{\prime})(\cos b+i\sin b)=\varphi^{\prime}e^{\varphi}\).
Ce résultat sert surtout à trouver des primitives. Par exemple, pour \(m=-1+4i\), la fonction \(t \mapsto e^{mt}/m\) est une primitive de \(t \mapsto e^{mt}\). En prenant la partie réelle, on obtient une primitive de \(t \mapsto e^{-t}\cos(4t)\).
Calculons cette primitive. On a \(\dfrac{1}{m}=\dfrac{-1-4i}{17}\). Ensuite, \(e^{mt}=e^{-t}(\cos 4t+i\sin 4t)\). La partie réelle du produit vaut donc :
\[F(t)=\frac{e^{-t}}{17}\big(4\sin 4t-\cos 4t\big).\]
On vérifie en dérivant : \(F^{\prime}(t)=\dfrac{e^{-t}}{17}\big(\cos 4t-4\sin 4t+16\cos 4t+4\sin 4t\big)=e^{-t}\cos 4t\).
Remarque :
Pour \(\varphi\) à valeurs complexes, on a \(|e^{\varphi}|=e^{\mathrm{Re}\,\varphi}\). Ainsi, \(t \mapsto e^{it^2}\) reste sur le cercle unité, alors que sa dérivée \(2it\,e^{it^2}\) a pour module \(2|t|\).
Les erreurs fréquentes
- Affirmer qu’une fonction est paire sans vérifier que son domaine est symétrique.
- Écrire \(\mathrm{Arcsin}(\sin x)=x\) ou \(\mathrm{Arctan}(\tan x)=x\) hors de l’intervalle de référence.
- Dériver une réciproque en un point où la dérivée de \(f\) s’annule, comme Arcsin en 1.
- Conclure une monotonie à partir du signe de \(f^{\prime}\) sur une réunion d’intervalles.
- Oublier le signe dans \(\mathrm{ch}^{\prime}=\mathrm{sh}\) ou dans \(\mathrm{ch}^2-\mathrm{sh}^2=1\).
- Manipuler \(u(x)^{v(x)}\) sans revenir à \(e^{v(x)\ln u(x)}\).
Fiche mémo
- Plan d’étude : domaine, symétries, dérivée, variations, limites, asymptotes, tangentes, courbe.
- \(f(x-a)+b\) : translation de vecteur \(a\vec{\imath}+b\vec{\jmath}\) ; \(f(\lambda x)\) : abscisses divisées par \(\lambda\).
- Strictement monotone implique injective ; continue et strictement monotone sur un intervalle implique bijective sur l’image.
- \((f^{-1})^{\prime}(b)=1/f^{\prime}(f^{-1}(b))\), à condition que \(f^{\prime}(f^{-1}(b)) \neq 0\).
- \(x^\alpha=e^{\alpha\ln x}\) pour \(x>0\) ; exponentielle \(\gg\) puissance \(\gg\) logarithme.
- \(e^x \geqslant 1+x\), \(\ln(1+x) \leqslant x\), \(\sin x \leqslant x\) sur \(\mathbb{R}_+\), \(\sin x \geqslant 2x/\pi\) sur \([0,\pi/2]\).
- \(\mathrm{Arcsin}^{\prime}=1/\sqrt{1-x^2}\), \(\mathrm{Arccos}^{\prime}=-1/\sqrt{1-x^2}\), \(\mathrm{Arctan}^{\prime}=1/(1+x^2)\).
- \(\mathrm{Arcsin}+\mathrm{Arccos}=\pi/2\) ; \(\mathrm{Arctan}\,x+\mathrm{Arctan}(1/x)=\pm\pi/2\) selon le signe de \(x\).
- \(\mathrm{ch}^2-\mathrm{sh}^2=1\), \(\mathrm{th}^{\prime}=1-\mathrm{th}^2\), \(\mathrm{ch}+\mathrm{sh}=\exp\).
- \((e^{\varphi})^{\prime}=\varphi^{\prime}e^{\varphi}\) pour \(\varphi\) complexe, et \(|e^{\varphi}|=e^{\mathrm{Re}\,\varphi}\).
Questions fréquentes
Arcsin(sin x) vaut-il toujours x ?
La fonction Arcsin renvoie toujours un angle de l’intervalle [-π/2, π/2]. Si x sort de cet intervalle, Arcsin(sin x) est l’unique angle de cet intervalle qui a le même sinus que x. Par exemple, Arcsin(sin(5π/7)) vaut 2π/7. Il faut donc toujours se ramener à l’intervalle de référence avant de simplifier.
Faut-il connaître par cœur la dérivée de Arccos ?
Oui, mais elle se retrouve en une ligne. En effet, Arcsin x + Arccos x = π/2 sur [-1, 1], donc la dérivée de Arccos est l’opposée de celle de Arcsin. On obtient -1/√(1-x²) sur ]-1, 1[, sans dérivabilité aux bornes.
Comment savoir qu'une réciproque est dérivable en un point ?
Il faut une bijection continue et strictement monotone sur un intervalle, dérivable au point antécédent, avec une dérivée non nulle en ce point. Si la dérivée s’annule, la courbe de la réciproque admet une tangente verticale. C’est ce qui se passe pour Arcsin en -1 et en 1.
Les fonctions hyperboliques réciproques sont-elles au programme de MPSI ?
Non, le programme de MPSI se limite à sh, ch et th avec leurs propriétés. Vous pouvez toutefois rencontrer leurs réciproques dans un exercice, où elles sont alors construites explicitement. Il suffit de savoir résoudre une équation comme ch x = a en posant t = e^x.
Pour aller plus loin
- S’exercer : exercices corrigés de maths sup (MPSI) sur étude de fonctions et réciproques
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- Vérifier ses acquis : QCM de maths sup (MPSI) sur étude de fonctions et réciproques
- Contrôle corrigé en temps limité : Formules trigonométriques et fonctions arc : contrôle de maths en MPSI
- Tous les chapitres : le sommaire de maths sup (MPSI)
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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