La bijection tangente et sa réciproque
Application directe du cours · niveau 2 · mathématiques (PTSI), chapitre 6 — Limites, continuité, dérivabilité · C. Dérivabilité : calculs et raccordements
Énoncé
Soit sur . Justifier que est bijective, que est dérivable, et retrouver par la formule de la dérivée d'une réciproque.
Corrigé
Stratégie : le théorème de la bijection donne l'existence et la continuité de la réciproque ; la formule de dérivation de la réciproque donne sa pente. Le tout sans jamais disposer d'une expression de .
Notons .
1) La bijectivité. Sur , la fonction tangente est dérivable, de dérivée
Elle est donc strictement croissante sur , et en particulier continue. Ses limites aux bornes valent en à droite, et en à gauche. Le corollaire sur l'image d'un intervalle donne alors , et le théorème de la bijection conclut : la tangente réalise une bijection de sur , dont la réciproque
est continue et strictement croissante, de même sens de variation que la tangente.
2) La dérivabilité de la réciproque. Soit , et posons , de sorte que avec . Le théorème sur la dérivée d'une réciproque demande trois choses, que l'on vérifie une à une : la tangente est dérivable en , sa dérivée en est non nulle — elle vaut au moins —, et la réciproque est continue, ce que le point 1 vient d'établir. Donc est dérivable en , avec
3) Le calcul, et le tour de main. Il reste à exprimer en fonction de , et non de — car , lui, n'a pas d'expression. C'est ici qu'il faut choisir la bonne écriture de la dérivée :
D'où, pour tout réel ,
⚠️ Le point délicat est le choix entre les deux écritures de . Avec , on obtiendrait : c'est vrai, mais inutilisable, puisque la variable n'y apparaît que sous un qu'on ne sait pas calculer. L'écriture est celle qui s'exprime directement en . Retenir la règle : quand on dérive une réciproque, on écrit sous la forme qui se relit en .
⚠️ L'hypothèse n'est pas décorative. Si la dérivée s'annulait en , la réciproque aurait en une tangente verticale et ne serait pas dérivable. C'est exactement ce qui arrive à en , réciproque de dont la dérivée s'annule en . Ici partout : le problème ne se pose jamais.
Le fait géométrique. Les graphes de la tangente et de l'arc tangente sont symétriques l'un de l'autre par rapport à la première bissectrice. Une tangente de pente au premier graphe se réfléchit donc en une tangente de pente au second : c'est toute la formule, lue sur un dessin. Ainsi, au point d'abscisse , la tangente à la courbe de a pour pente ; au point d'abscisse , la tangente à la courbe de a pour pente . Le produit des deux pentes vaut .
Contrôles numériques.
- et , à la précision machine : les deux applications sont bien réciproques l'une de l'autre. ✔
- Le taux d'accroissement symétrique vaut pour , à comparer à la valeur annoncée . ✔
- L'identité a été vérifiée formellement, et l'égalité par dérivation symbolique. ✔
Ce que l'exercice installe. On vient de dériver une fonction dont on ne possède aucune formule : tout est venu de la fonction directe. C'est le procédé qui donne, exactement de la même façon, la dérivée de à partir de celle de , celles de et à partir du sinus et du cosinus, et celle de à partir de . Le chapitre des fonctions usuelles avait annoncé ces dérivées ; c'est le théorème de la bijection qui vient de les fonder.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.