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Exercices corrigés — Dérivation, variations et convexité (Terminale)

Quatre niveaux de difficulté, du plus simple au plus exigeant. Chaque exercice a sa correction détaillée, étape par étape.

2 exercices de niveau « Maîtrise ». Voir les 8 exercices.

Exercice 5 Maîtrise

f(x) = (x2 + 1)e−x. Étudier les variations de f sur ℝ, déterminer ses limites en ±∞ et dresser son tableau de variations.

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Correction détaillée

f est dérivable sur ℝ (produit). Avec u = x2 + 1, u' = 2x, et v = e−x, v' = −e−x : f'(x) = 2xe−x − (x2 + 1)e−x = e−x(−x2 + 2x − 1) = −e−x(x − 1)2.
e−x > 0 et (x − 1)2 ≥ 0, donc f'(x) ≤ 0 pour tout réel x, avec f'(x) = 0 seulement pour x = 1. Une dérivée négative qui ne s'annule qu'en un point isolé donne une fonction strictement décroissante : f est strictement décroissante sur ℝ.
Limites : en −∞, x2 + 1 → +∞ et e−x → +∞, donc f(x) → +∞. En +∞, f(x) = x2ex + 1ex → 0 + 0 = 0 par croissances comparées.
Tableau : f décroît strictement de +∞ vers 0 sur ℝ, sans extremum. Au point d'abscisse 1, f(1) = 2e ≈ 0,74, la tangente est horizontale mais il n'y a ni maximum ni minimum : f'(1) = 0 ne suffit pas à conclure à un extremum, il faut un changement de signe de f'.

Exercice 6 Maîtrise

Étudier la convexité de g(x) = e−x2 et déterminer ses points d'inflexion.

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Correction détaillée

g'(x) = −2xe−x2 (dérivée de eu avec u = −x2). On dérive ce produit : g''(x) = −2e−x2 + (−2x)(−2x)e−x2 = (4x2 − 2)e−x2 = 2(2x2 − 1)e−x2.
L'exponentielle étant strictement positive, g'' est du signe de 2x2 − 1, qui s'annule pour x = ±1√2 = ±√22, est négatif entre ces deux valeurs et positif à l'extérieur.
g est donc convexe sur ]−∞ ; −√22] et sur [√22 ; +∞[, et concave sur [−√22 ; √22].
g'' change de signe en −√22 et en √22 : la courbe admet deux points d'inflexion, d'abscisses ±√22 et d'ordonnée g(±√22) = e−12 = 1√e ≈ 0,61. C'est la « courbe en cloche » : bombée au centre, elle s'infléchit de part et d'autre du sommet.