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Chapitre 4
Activité

Dérivation

18 professeurs ont participé à cette page
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A
Chute libre d'une balle

Objectif : Interpréter le nombre dérivé en termes de vitesse instantanée
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La chute d'une balle de tennis a été prise en photos à intervalles réguliers de 0,02 seconde (chronophotographie). Des mesures de la distance d(t) parcourue par la balle (en mètre) en fonction du temps t (en seconde) sont effectuées et sont données dans le tableau suivant.

 t0,240,260,280,300,320,340,36
 d(t)0,290,3270,3880,4460,5090,5750,644

La vitesse moyenne v d'un objet est le quotient de la distance parcourue d par le temps t mis pour la parcourir. Avec les données de l'exercice, on l'exprime en mètre par seconde (m·s-1) : v=\dfrac{d}{t}.

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1
Calculer la vitesse moyenne de la balle entre 0,26 s et 0,30 s, entre 0,28 s et 0,32 s puis entre 0,30 s et 0,34 s. La vitesse moyenne obtenue est-elle la même pour une même durée ? Expliquer pourquoi.

2
On admet que, pour tout t>0, d(t)=5 t^{2}. Soit h > 0 . Exprimer, en fonction de h , la vitesse moyenne entre deux instants très proches t=0{,}3+h et t=0{,}3.
Aide
On calcule \dfrac{d(0{,}3+h)-d(0{,}3)}{h} en développant et réduisant le numérateur, puis on factorise le numérateur par h pour simplifier le quotient.

3
On prend des valeurs très proches de 0 pour h . Calculer la vitesse moyenne (en m·s-1) pour h = 0{,}1 , pour h = 0{,}01 , pour h = 0{,}001 et pour h = 0{,}000 1 .
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Bilan
Que constate-t-on pour la valeur de la vitesse moyenne quand h se rapproche de plus en plus de 0\:?

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Remarque

La vitesse limite que l'on obtient est appelée vitesse instantanée de la balle pour t = 0{,}3.
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B
Bénéfice annuel d'un artisan

Objectif : Introduire la notion de taux de variation d'une fonction entre deux réels proches.
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Un artisan produit et commercialise des biscuits en sachets. Le bénéfice réalisé pour la fabrication et la vente de n dizaines de sachets de biscuits, avec 0 \lt n \lt 1\,000, est donné en euro par la fonction \text{B} définie par : \mathrm{B}(n)=-0{,}02 n^{2}+20 n-1\,000.

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1
Le nombre annuel de dizaines de sachets de biscuits vendus est passé de 200 à 300 de 2017 à 2018. Déterminer la variation absolue en euro du bénéfice annuel de cet artisan entre 2017 et 2018.
Aide
La variation absolue est la différence entre la valeur finale v_1 et la valeur initiale v_0.

2
En déduire de combien d'euros a varié en moyenne le bénéfice annuel de cet artisan par dizaine de sachets supplémentaire produite.

Remarque

On obtient l'accroissement moyen du bénéfice annuel par dizaine supplémentaire produite.

3
Soit h un réel non nul. On suppose qu'en 2019, le nombre de dizaines de sachets de biscuits vendus passe de 300 à 300 + h . Calculer l'accroissement moyen, en euro, du bénéfice annuel pour h = 0{,}5 , puis pour h = 0{,}1 .

4
Exprimer, en fonction de h , l'accroissement moyen, en euro, du bénéfice annuel lorsque les ventes passent de 50 à 50 + h dizaines de sachets de biscuits.

Remarque

Cette expression est le taux de variation de la fonction \text{B} entre 50 et 50 + h .
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Bilan
Déterminer le taux de variation de la fonction \text{B} entre 400 et 400 + h .

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C
Vers le nombre dérivé

Objectif : Interpréter le nombre dérivé comme limite des coefficients directeurs des sécantes successives à une courbe.
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Soit f la fonction définie sur \R par f(x)=x^{2}. On appelle \mathcal{C}_f sa courbe représentative dans un repère orthonormé et on considère le point \text{A} de \mathcal{C}_f d'abscisse 2.

Soit h un réel non nul. On appelle \text{H} le point de \mathcal{C}_f d'abscisse 2 + h .

On s'intéresse aux coefficients directeurs des sécantes (\mathrm{AH}) quand h se rapproche de 0.

On note \tau(h) le coefficient directeur de la sécante (\mathrm{AH}).

Vers le nombre dérivé
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1
À l'aide de GeoGebra ou en faisant les calculs à la main, relever les valeurs des coefficients directeurs des sécantes (\mathrm{AH}) à \mathcal{C}_f pour les différentes valeurs de h données dans le tableau.
Aide
On place le point \mathrm{H}(2+h\:; f(2+h)) avec les différentes valeurs de h lues dans le tableau et on fait afficher l'équation réduite de la droite (\mathrm{AH}) par le logiciel. On lit ainsi les coefficients directeurs cherchés.
 h-0,2-0,1-0,050,050,10,2
 \tau \left( h \right)

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2
Quand h prend des valeurs de plus en plus proches de 0, vers quel point de la courbe \mathcal{C}_f le point H semble-t-il se rapprocher ? De quelle valeur le coefficient directeur \tau(h) semble-t-il se rapprocher ?

3
Exprimer en fonction de h le coefficient directeur \tau(h) de la droite (\mathrm{AH}) lorsque \text{A} et \text{H} sont distincts.
Aide
On écrit les coordonnées des points \text{A} et \text{H} et on utilise la formule du coefficient directeur de la droite (\mathrm{AH}): \tau(h)=\dfrac{y_{\mathrm{H}}-y_{\mathrm{A}}}{x_{\mathrm{H}}-x_{\mathrm{A}}}.

Remarque

Puisque h \neq 0 alors \text{A} et \text{H} ne sont pas confondus et on a nécessairement x_{\mathrm{H}} \neq x_{\mathrm{A}}, donc la sécante (\mathrm{AH}) est toujours définie.

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Bilan
De quelle valeur s'approche \tau({h}) quand h prend des valeurs de plus en plus proches de 0 ?

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