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Fonctions algébriques

Fonction du second degré : parabole, sommet, dérivée et primitive

La fonction du second degré f(x) = ax² + bx + c : parabole, formule du sommet, racines, dérivée 2ax + b, primitive et exemples corrigés.

Fonctions algébriques Mis à jour Lecture : 3 min

En bref

f(x) = ax^2 + bx + c, \quad a \ne 0
Domaine de définition
(-\infty, \infty)
Ensemble image
\left[f\left(-\frac{b}{2a}\right), \infty\right) si a > 0
Dérivée
2ax + b
Primitive
\frac{a}{3}x^3 + \frac{b}{2}x^2 + cx + C
Sommet
x = -\frac{b}{2a}
Racines
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}
Sur cette page
  1. Formule et différentes formes
  2. Courbe d'une fonction du second degré
  3. Dérivée d'une fonction du second degré
  4. Primitive d'une fonction du second degré
  5. Exemples corrigés
  6. Erreurs fréquentes
  7. Liens avec le reste du cours

Une fonction du second degré est un polynôme de degré deux. Sa courbe est une parabole, une courbe symétrique en forme de U avec un seul extremum appelé le sommet. Ces fonctions modélisent la hauteur d'un projectile, une aire ou un bénéfice, et ce sont les premières courbes où la dérivée révèle quelque chose qu'une droite ne montre pas.

Formule et différentes formes

f(x) = ax^2 + bx + c, \qquad a \ne 0
Forme Équation Fait apparaître
Développée ax^2 + bx + c ordonnée à l'origine c (axe des y)
Canonique a(x - h)^2 + k sommet (h, k)
Factorisée a(x - r_1)(x - r_2) racines r_1, r_2

Courbe d'une fonction du second degré

Parabole y = x² - 2x - 3 et sa dérivée y = 2x - 2
Le sommet est en (1, -4), exactement là où la dérivée s'annule. Les racines sont x = -1 et x = 3.

Caractéristiques principales :

  • Orientation. Tournée vers le haut si a > 0 (le sommet est un minimum), vers le bas si a < 0 (le sommet est un maximum).
  • Axe de symétrie. La droite verticale x = -\frac{b}{2a}.
  • Racines. Données par la formule x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}. Le discriminant b^2 - 4ac indique s'il y a deux, une ou aucune racine réelle.
  • Ensemble image. \left[k, \infty\right) si a > 0 et \left(-\infty, k\right] si a < 0, où k est l'ordonnée du sommet.

Dérivée d'une fonction du second degré

D'après la règle de la puissance et la règle de la somme :

f'(x) = 2ax + b, \qquad f''(x) = 2a

La dérivée d'une fonction du second degré est une fonction affine. Elle s'annule en un seul point, x = -\frac{b}{2a}, qui est le sommet. La dérivée seconde est la constante 2a, donc la parabole est convexe partout lorsque a > 0 et concave partout lorsque a < 0. C'est pourquoi le sommet est toujours l'extremum global.

Primitive d'une fonction du second degré

\int (ax^2 + bx + c)\,dx = \frac{a}{3}x^3 + \frac{b}{2}x^2 + cx + C

Le c minuscule est le terme constant du trinôme ; le C majuscule est la constante d'intégration.

Exemples corrigés

Exemple 1 : le sommet par la dérivée. Pour f(x) = x^2 - 2x - 3, f'(x) = 2x - 2 = 0 donne x = 1, et f(1) = -4. Le sommet est (1, -4), un minimum car a = 1 > 0.

Exemple 2 : hauteur maximale. La hauteur d'une balle est h(t) = -5t^2 + 20t + 1 mètres. Alors h'(t) = -10t + 20 = 0 en t = 2, et la hauteur maximale est h(2) = -20 + 40 + 1 = 21 mètres.

Exemple 3 : aire sous une parabole. Calculons \int_0^3 (x^2 + 1)\,dx :

\left[\tfrac{x^3}{3} + x\right]_0^3 = (9 + 3) - 0 = 12

Exemple 4 : tangente. Pour f(x) = x^2 - 2x - 3 en x = 3 : f(3) = 0 et f'(3) = 4, donc la tangente a pour équation y = 4(x - 3) = 4x - 12.

Erreurs fréquentes

  1. Oublier le signe moins dans -\frac{b}{2a}. Pour x^2 - 2x - 3, b = -2, donc le sommet est en x = -\frac{-2}{2} = 1.
  2. Dériver ax^2 en ax. L'exposant descend : \frac{d}{dx}3x^2 = 6x.
  3. Intégrer x^2 en \frac{x^3}{2}. Il faut diviser par le nouvel exposant, 3.
  4. Développer (x - 2)^2 en x^2 + 4. Le développement correct est x^2 - 4x + 4.

Liens avec le reste du cours

Les fonctions du second degré sont les fonctions polynômes courbées les plus simples : ce sont donc les premiers exemples classiques pour les problèmes d'optimisation, l'étude de fonctions et l'aire entre deux courbes. Le polynôme de Taylor d'ordre deux de toute fonction lisse est du second degré, ce qui explique pourquoi les paraboles approchent si bien tant de courbes au voisinage d'un point.

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Questions fréquentes

Quelle est la dérivée d'une fonction du second degré ?

La dérivée de ax^2 + bx + c est 2ax + b, obtenue terme à terme avec la règle de la puissance. Par exemple, la dérivée de 3x^2 - 5x + 2 est 6x - 5.

Comment trouver le sommet d'une parabole avec la dérivée ?

On annule la dérivée : 2ax + b = 0 donne x = -\frac{b}{2a}. On remplace ce x dans f pour obtenir l'ordonnée y du sommet.

Comment intégrer une fonction du second degré ?

On applique la règle de la puissance à l'envers sur chaque terme : \int (ax^2 + bx + c)\,dx = \frac{a}{3}x^3 + \frac{b}{2}x^2 + cx + C.

Comment savoir si une parabole est tournée vers le haut ou vers le bas ?

On regarde le signe de a, le coefficient de x^2. Si a > 0, elle est tournée vers le haut et le sommet est un minimum ; si a < 0, elle est tournée vers le bas et le sommet est un maximum.

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