Dérivée d’un déterminant de fonctions : corrigé du contrôle de maths en MP

Dérivée d'un déterminant de fonctions – Corrigé du contrôle en Maths spé (MP) sur Maths-pdf.fr Couverture : Livre de contrôles corrigés de maths MP en PDF Télécharger en PDF Le livre des 25 contrôles corrigés en MP PDF à imprimer Voir le livre ›


Voici le corrigé du contrôle de maths en MP sur le thème « dérivée d’un déterminant de fonctions », question par question.

Cette correction suit la rédaction attendue en MP : chaque dérivée est justifiée par la multilinéarité, et chaque majoration cite son théorème. Pour le déterminant, elle montre comment l’alternance élimine deux des trois termes de la dérivée, ce qui évite tout développement. Ensuite, la comparaison entre l’inégalité des accroissements finis et Taylor est menée jusqu’au seuil exact où l’une devient meilleure. Le problème s’accompagne d’un tableau de variations, puis d’un dessin de l’allure avec le point double et les tangentes remarquables. Enfin, l’aire de la boucle est calculée pas à pas, et un barème clôt chaque exercice.

L’énoncé complet se trouve ici : Dérivée d’un déterminant de fonctions : contrôle de maths en MP.

Barème du contrôle corrigé : dérivée d’un déterminant de fonctions

Exercice Points
1. Une courbe tracée sur la sphère 4 points
2. Un déterminant qui se dérive sans être développé 4 points
3. Deux majorations sur la développante du cercle 4 points
4. Problème : la boucle d’une cubique paramétrée 8 points
Total 20 points

Le corrigé détaillé : dérivée d’un déterminant de fonctions

Exercice 1 – Une courbe tracée sur la sphère (4 points)

  1. Dérivée d’une expression bilinéaire

    Notons \(f = (f_1, \ldots, f_n)\) et \(g = (g_1, \ldots, g_n)\) ; les coordonnées sont dérivables, puisque \(f\) et \(g\) le sont. Ainsi \(\langle f, g \rangle = \sum_{i=1}^{n} f_i g_i\) est une somme de produits de fonctions réelles dérivables. La règle du produit donne alors :

    \[\langle f, g \rangle^{\prime} = \sum_{i=1}^{n} \left(f_i^{\prime} g_i + f_i g_i^{\prime}\right) = \langle f^{\prime}, g \rangle + \langle f, g^{\prime} \rangle.\]

    En prenant \(g = f\) et grâce à la symétrie du produit scalaire, on obtient \(\left(\lVert f \rVert^2\right)^{\prime} = 2\langle f, f^{\prime} \rangle\).

  2. La norme étant positive, \(\lVert f \rVert\) est constante si et seulement si \(\lVert f \rVert^2\) l’est. Or \(I\) est un intervalle : une fonction dérivable y est constante exactement quand sa dérivée est nulle. D’après la question 1, cela revient à \(\langle f(t), f^{\prime}(t) \rangle = 0\) pour tout \(t\). Donc \(\lVert f \rVert\) est constante si et seulement si \(f(t) \perp f^{\prime}(t)\) pour tout \(t \in I\).

  3. Appartenance à la sphère

    Pour tout réel \(t\), on factorise par \(\sin^2 t\) :

    \[\lVert h(t) \rVert^2 = \sin^2 t\left(\cos^2 t + \sin^2 t\right) + \cos^2 t = \sin^2 t + \cos^2 t = 1.\]

    Vecteur dérivé et orthogonalité

    On dérive chaque coordonnée, puis on reconnaît les formules de duplication : \(h^{\prime}(t) = \left(\cos 2t, \sin 2t, -\sin t\right)\). Ensuite :

    \[\langle h(t), h^{\prime}(t) \rangle = \sin t\cos t\left(\cos 2t + 2\sin^2 t – 1\right) = 0,\]

    car \(\cos 2t = 1 – 2\sin^2 t\). On retrouve bien le résultat de la question 2. Enfin, \(\cos^2 2t + \sin^2 2t = 1\), d’où \(\lVert h^{\prime}(t) \rVert = \sqrt{1 + \sin^2 t}\).

Barème : la dérivée du produit scalaire vaut un point et le cas de la norme au carré un demi-point ; l’équivalence de la question 2 rapporte un point, à condition de mentionner l’intervalle ; dans la question 3, la sphère, l’orthogonalité et la norme de \(h^{\prime}\) comptent chacune un demi-point.

Piège classique : écrire \(\left(\lVert f \rVert^2\right)^{\prime} = 2\lVert f \rVert\,\lVert f^{\prime} \rVert\) en imitant le cas réel ; la bonne dérivée fait intervenir le produit scalaire de \(f\) et \(f^{\prime}\).

Exercice 2 – Un déterminant qui se dérive sans être développé (4 points)

  1. Dérivabilité

    La formule de Leibniz exprime \(\varphi(t)\) comme une somme, indexée par les permutations \(\sigma\) de \(\{1, 2, 3\}\), de termes \(\varepsilon(\sigma)\, u_{\sigma(1)}(t)\, v_{\sigma(2)}(t)\, w_{\sigma(3)}(t)\). Chacun d’eux est un produit de trois fonctions réelles dérivables, donc \(\varphi\) est dérivable.

    Expression de la dérivée

    On dérive chaque produit : il apparaît trois groupes de termes, selon que l’on dérive le facteur issu de \(u\), de \(v\) ou de \(w\). Chaque groupe redonne une formule de Leibniz, appliquée à un triplet où un seul vecteur est remplacé par sa dérivée. Par conséquent, \(\varphi^{\prime} = \det(u^{\prime}, v, w) + \det(u, v^{\prime}, w) + \det(u, v, w^{\prime})\).

  2. La fonction \(g\) est de classe \(\mathcal{C}^\infty\). On applique donc la question 1 avec \(u = g\), \(v = g^{\prime}\) et \(w = g^{\prime\prime}\) :

    \[D^{\prime} = \det(g^{\prime}, g^{\prime}, g^{\prime\prime}) + \det(g, g^{\prime\prime}, g^{\prime\prime}) + \det(g, g^{\prime}, g^{\prime\prime\prime}).\]

    Or le déterminant est une forme alternée : il s’annule dès que deux vecteurs sont égaux. Les deux premiers termes disparaissent, si bien que \(D^{\prime}(t) = \det\left(g(t), g^{\prime}(t), g^{\prime\prime\prime}(t)\right)\).

  3. Calcul de la dérivée

    On a \(g^{\prime\prime\prime}(t) = (\sin t, -\cos t, 0)\). Développons selon la dernière ligne :

    \[D^{\prime}(t) = \begin{vmatrix} \cos t & -\sin t & \sin t \\ \sin t & \cos t & -\cos t \\ t & 1 & 0 \end{vmatrix} = t \times 0 – 1 \times \left(-\cos^2 t – \sin^2 t\right) = 1.\]

    En effet, le mineur associé à \(t\) vaut \(\sin t\cos t – \sin t\cos t = 0\).

    Valeur en 0 et conclusion

    Ensuite, \(g(0) = (1, 0, 0)\) et \(g^{\prime\prime}(0) = (-1, 0, 0)\). Ces deux vecteurs sont colinéaires, donc \(D(0) = 0\). Comme \(D^{\prime} = 1\) sur l’intervalle \(\mathbb{R}\), on conclut que \(D(t) = t\) pour tout réel \(t\).

Barème : un point et demi pour la question 1, dont un demi-point pour la dérivabilité ; un point pour l’élimination des deux termes par alternance ; enfin, la valeur de \(D^{\prime}\), celle de \(D(0)\) et la conclusion se partagent le dernier point et demi.

Exercice 3 – Deux majorations sur la développante du cercle (4 points)

  1. Les termes en \(\sin t\) et en \(\cos t\) se compensent lors de la dérivation : \(\gamma^{\prime}(t) = \left(t\cos t, t\sin t\right)\). Puisque \(t \geq 0\), on obtient \(\lVert \gamma^{\prime}(t) \rVert = t\).

  2. La fonction \(\gamma\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) sur le segment \([0, x]\), et \(\lVert \gamma^{\prime}(t) \rVert = t \leq x\) sur ce segment. L’inégalité des accroissements finis, valable pour les fonctions vectorielles, donne donc \(\lVert \gamma(x) – \gamma(0) \rVert \leq x \times (x – 0)\). Ainsi \(\lVert \gamma(x) – \gamma(0) \rVert \leq x^2\).

  3. Dérivée seconde

    On dérive \(\gamma^{\prime}\) : \(\gamma^{\prime\prime}(t) = \left(\cos t – t\sin t, \sin t + t\cos t\right)\). En développant les carrés, les doubles produits s’éliminent, d’où \(\lVert \gamma^{\prime\prime}(t) \rVert = \sqrt{1 + t^2}\).

    Majoration par Taylor

    La fonction \(\gamma\) est de classe \(\mathcal{C}^2\), donc la formule de Taylor avec reste intégral s’applique entre 0 et \(x\) :

    \[\gamma(x) = \gamma(0) + x\,\gamma^{\prime}(0) + \int_0^x (x – t)\,\gamma^{\prime\prime}(t)\,\mathrm{d}t.\]

    Or \(\gamma^{\prime}(0) = (0, 0)\). On majore ensuite la norme de l’intégrale par l’intégrale de la norme, puis \(\sqrt{1 + t^2}\) par \(\sqrt{1 + x^2}\) :

    \[\lVert \gamma(x) – \gamma(0) \rVert \leq \sqrt{1 + x^2} \int_0^x (x – t)\,\mathrm{d}t = \frac{x^2}{2}\sqrt{1 + x^2}.\]

    On a bien établi la majoration demandée.

  4. Pour \(x > 0\), on divise par \(x^2\) : la condition \(\frac{x^2}{2}\sqrt{1 + x^2} < x^2\) équivaut à \(\sqrt{1 + x^2} < 2\), soit \(x^2 < 3\). La majoration de Taylor est strictement meilleure exactement pour \(0 < x < \sqrt{3}\).

Piège classique : invoquer une « égalité » des accroissements finis pour une fonction à valeurs dans \(\mathbb{R}^2\) ; seule l’inégalité subsiste dans le cas vectoriel.

Barème : un point pour \(\gamma^{\prime}\) et sa norme ; un point pour l’inégalité des accroissements finis correctement citée ; un point et demi pour \(\gamma^{\prime\prime}\), la formule de Taylor et la majoration ; un demi-point pour le seuil \(\sqrt{3}\).

Exercice 4 – Problème : la boucle d’une cubique paramétrée (8 points)

  1. Signes des dérivées

    On a \(x^{\prime}(t) = 2t + 1\), qui s’annule en \(-\frac{1}{2}\), et \(y^{\prime}(t) = 3(t – 1)(t + 1)\), qui s’annule en \(-1\) et en \(1\). Ainsi \(x\) décroît sur \(\left]-\infty, -\frac{1}{2}\right]\) puis croît, tandis que \(y\) croît, décroît sur \([-1, 1]\), puis croît de nouveau.

    Tableau commun

    \(t\) \(-\infty\) \(-2\) \(-1\) \(-\frac{1}{2}\) \(0\) \(1\) \(+\infty\)
    \(x^{\prime}(t)\) – – – 0 + + +
    \(x(t)\) \(+\infty\) ↘ \(2\) ↘ \(0\) ↘ \(-\frac{1}{4}\) ↗ \(0\) ↗ \(2\) ↗ \(+\infty\)
    \(y^{\prime}(t)\) + + 0 – – 0 +
    \(y(t)\) \(-\infty\) ↗ \(-2\) ↗ \(2\) ↘ \(\frac{11}{8}\) ↘ \(0\) ↘ \(-2\) ↗ \(+\infty\)

    Par exemple, \(y\left(-\frac{1}{2}\right) = -\frac{1}{8} + \frac{3}{2} = \frac{11}{8}\). Le tableau résume ainsi le mouvement du point \(M(t)\).

  2. Les dérivées \(x^{\prime}\) et \(y^{\prime}\) ne s’annulent jamais en même temps, car \(y^{\prime}\left(-\frac{1}{2}\right) = -\frac{9}{4} \neq 0\). Tous les points de \(\Gamma\) sont donc réguliers. Ensuite, la tangente est horizontale quand \(y^{\prime}(t) = 0\), soit aux points \(M(-1) = (0, 2)\) et \(M(1) = (2, -2)\). Elle est verticale quand \(x^{\prime}(t) = 0\), c’est-à-dire au point \(M\left(-\frac{1}{2}\right) = \left(-\frac{1}{4}, \frac{11}{8}\right)\).

  3. Mise en équations

    Soit \(t_1 \neq t_2\) tels que \(M(t_1) = M(t_2)\). L’égalité des abscisses s’écrit \((t_1 – t_2)(t_1 + t_2 + 1) = 0\), donc \(s = -1\). Celle des ordonnées donne \((t_1 – t_2)\left(t_1^2 + t_1 t_2 + t_2^2 – 3\right) = 0\). Puisque \(t_1^2 + t_1 t_2 + t_2^2 = s^2 – p\), on obtient \(1 – p = 3\), d’où \(p = -2\).

    Résolution par somme et produit

    Les réels \(t_1\) et \(t_2\) sont alors les racines de \(X^2 + X – 2 = (X – 1)(X + 2)\). Réciproquement, \(M(1) = (2, -2)\) et \(M(-2) = (4 – 2, -8 + 6) = (2, -2)\). Les seuls couples sont \((1, -2)\) et \((-2, 1)\) : la courbe a un unique point double, \((2, -2)\).

  4. Branches infinies

    Pour \(t \notin \{-1, 0\}\), on simplifie par \(t\) : \(\frac{y(t)}{x(t)} = \frac{t^2 – 3}{t + 1}\), qui tend vers \(+\infty\) en \(+\infty\) et vers \(-\infty\) en \(-\infty\). Comme \(x(t) \to +\infty\) dans les deux cas, \(\Gamma\) présente deux branches paraboliques de direction asymptotique \((Oy)\), l’une vers le haut et l’autre vers le bas.

    Allure de la courbe

    Quand \(t\) parcourt \([-2, 1]\), le point décrit une boucle qui part de \((2, -2)\), monte jusqu’à \((0, 2)\), passe par le point de tangente verticale, traverse l’origine puis revient en \((2, -2)\). En ce point double, les deux tangentes sont distinctes : l’une est horizontale (\(t = 1\)), l’autre dirigée par \(M^{\prime}(-2) = (-3, 9)\). La figure résume cette étude.

    Courbe bleue avec une boucle orange entre le point double M(1) égal à M(-2) et le point M(-1), tangentes horizontales et verticale marquées
  5. L’application \((U, V) \mapsto \det(U, V)\) est bilinéaire sur \(\mathbb{R}^2\), et \(M\) est de classe \(\mathcal{C}^2\). Par conséquent, \(\varphi^{\prime} = \det(M^{\prime}, M^{\prime}) + \det(M, M^{\prime\prime})\), et le premier terme est nul par alternance. Avec \(M^{\prime\prime}(t) = (2, 6t)\), on calcule :

    \[\det\left(M(t), M^{\prime\prime}(t)\right) = 6t\left(t^2 + t\right) – 2\left(t^3 – 3t\right) = 4t^3 + 6t^2 + 6t.\]

    Enfin, \(M(0) = (0, 0)\) donne \(\varphi(0) = 0\). En intégrant sur l’intervalle \(\mathbb{R}\), on obtient \(\varphi(t) = t^4 + 2t^3 + 3t^2\).

  6. On intègre terme à terme sur \([-2, 1]\). D’abord, \(\int_{-2}^{1} t^4\,\mathrm{d}t = \frac{1 + 32}{5} = \frac{33}{5}\). Ensuite, \(\int_{-2}^{1} 2t^3\,\mathrm{d}t = \frac{1 – 16}{2} = -\frac{15}{2}\). De plus, \(\int_{-2}^{1} 3t^2\,\mathrm{d}t = 1 + 8 = 9\). La somme vaut donc \(\frac{66 – 75 + 90}{10} = \frac{81}{10}\).

    L’aire de la boucle est \(\mathcal{A} = \frac{81}{20} = 4{,}05\) unités d’aire. Ce résultat est plausible, car la boucle tient dans un rectangle de largeur \(\frac{9}{4}\) et de hauteur 4.

Piège classique : oublier la réciproque dans la recherche du point double ; il faut vérifier que les valeurs trouvées donnent bien le même point.

Barème : un point et demi pour le tableau, dont un demi-point pour les valeurs ; un point pour la régularité et les tangentes ; un point et demi pour le point double avec sa réciproque ; un point et demi pour les branches infinies et le tracé ; un point pour \(\varphi\) ; un point et demi pour l’aire, dont un demi-point pour la valeur finale.

À retenir de ce contrôle

  • La dérivée de B(f, g) pour B bilinéaire vaut B(f’, g) + B(f, g’) : on dérive une seule fonction à la fois, jamais les deux.
  • Une fonction vectorielle dérivable garde une norme euclidienne constante si et seulement si elle reste orthogonale à sa dérivée.
  • La dérivée de det(u, v, w) comporte trois déterminants ; un vecteur répété annule un terme, car le déterminant est alterné.
  • Taylor avec reste intégral donne une majoration en x² quand la dérivée première est nulle au départ, souvent meilleure que les accroissements finis.
  • Pour un point double, on cherche deux paramètres distincts de mêmes coordonnées, en passant par leur somme et leur produit.

Revenir à l’énoncé du contrôle

Consolider dérivée d’un déterminant de fonctions après ce corrigé

Pour ne plus perdre de points sur ce thème, relisez le cours dérivation et intégration des fonctions vectorielles ; entraînez-vous sur les exercices dérivation et intégration des fonctions vectorielles.

D’autres évaluations corrigées vous attendent sur la page contrôles de maths en MP.

Voter.. post
Télécharger puis imprimer cette fiche en PDF.

Télécharger ou imprimer cette fiche «dérivée d'un déterminant de fonctions : corrigé du contrôle de maths en MP» au format PDF afin de pouvoir travailler en totale autonomie.


Nombre de fichiers PDF téléchargés.  Maths PDF c'est 16 224 635 cours et exercices de maths téléchargés en PDF et 4 250 exercices.

Télécharger les manuels scolaires de maths en PDF du CP à la Terminale