Chapitre 10 · Première

Cours

Fonctions Composées

Composition, dérivée composée et étude de fonctions

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La composition de fonctions consiste à appliquer successivement deux fonctions : g∘fg \circ f signifie « d'abord ff, ensuite gg ». C'est un outil fondamental pour construire des fonctions complexes à partir de fonctions simples, et pour les dériver via la règle de la chaîne. En Première, on applique systématiquement la dérivée des fonctions composées pour étudier des fonctions impliquant eue^u, ln⁡u\ln u, unu^n ou u\sqrt{u}.

Mieux retenir

Comment utiliser ce cours efficacement

Commence par lire les définitions et les exemples, puis va refaire un ou deux exercices sans aide. Le but n’est pas seulement de comprendre le texte, mais de transformer ces idées en réflexes utilisables.

Ce qu’il faut viser

  • Lire et exploiter une fonction dans plusieurs représentations.
  • Rédiger une conclusion claire à partir d’un tableau ou d’un calcul.

Points de vigilance

  • Confondre image et antécédent.
  • Conclure sans citer le signe ou le tableau étudié.

1Définition et domaine de $g \circ f$

Soient f:Df→Rf : D_f \to \mathbb{R} et g:Dg→Rg : D_g \to \mathbb{R}. La composée g∘fg \circ f est définie par :
(g∘f)(x)=g(f(x))(g \circ f)(x) = g(f(x))

Le domaine de g∘fg \circ f est l'ensemble des x∈Dfx \in D_f tels que f(x)∈Dgf(x) \in D_g.

Attention : en général g∘f≠f∘gg \circ f \neq f \circ g (la composition n'est pas commutative).

Définition

Composition $g \circ f$

(g∘f)(x)=g(f(x))(g \circ f)(x) = g(f(x)) : on applique ff en premier, puis gg au résultat. La « machine » g∘fg \circ f prend xx, calcule f(x)f(x), puis calcule gg de ce résultat.

Définition

Fonction réciproque

Si ff est bijective, sa fonction réciproque f−1f^{-1} vérifie f−1∘f=Idf^{-1} \circ f = \text{Id}. Exemples : exp⁡\exp et ln⁡\ln sont réciproques (ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x et eln⁡x=xe^{\ln x} = x).
Exemple 1— Identifier et calculer une composée
Soient f(x)=2x−1f(x) = 2x - 1 et g(x)=x2+3g(x) = x^2 + 3. Calculer (g∘f)(x)(g \circ f)(x) et (f∘g)(x)(f \circ g)(x).

Solution

(g∘f)(x)=g(f(x))=g(2x−1)=(2x−1)2+3=4x2−4x+1+3=4x2−4x+4(g \circ f)(x) = g(f(x)) = g(2x-1) = (2x-1)^2 + 3 = 4x^2 - 4x + 1 + 3 = \mathbf{4x^2 - 4x + 4}

(f∘g)(x)=f(g(x))=f(x2+3)=2(x2+3)−1=2x2+5(f \circ g)(x) = f(g(x)) = f(x^2+3) = 2(x^2+3) - 1 = \mathbf{2x^2 + 5}

On constate bien que g∘f≠f∘gg \circ f \neq f \circ g.
  • (g∘f)(x)=g(f(x))(g \circ f)(x) = g(f(x)) : on applique ff en premier.
  • La composition n'est pas commutative en général.
  • Le domaine de g∘fg \circ f : {x∈Df∣f(x)∈Dg}\{x \in D_f \mid f(x) \in D_g\}.

2Dérivée d'une fonction composée (règle de la chaîne)

Si f=g∘hf = g \circ h (i.e. f(x)=g(h(x))f(x) = g(h(x))), et si hh est dérivable en xx et gg est dérivable en h(x)h(x), alors :
f′(x)=h′(x)⋅g′(h(x))f'(x) = h'(x) \cdot g'(h(x))

Applications directes (les plus fréquentes en Première) :

| f(x)f(x) | f′(x)f'(x) |
|---|---|
| (u(x))n(u(x))^n | n⋅u′(x)⋅(u(x))n−1n \cdot u'(x) \cdot (u(x))^{n-1} |
| u(x)\sqrt{u(x)} | u′(x)2u(x)\dfrac{u'(x)}{2\sqrt{u(x)}} |
| eu(x)e^{u(x)} | u′(x)⋅eu(x)u'(x) \cdot e^{u(x)} |
| ln⁡(u(x))\ln(u(x)) | u′(x)u(x)\dfrac{u'(x)}{u(x)} |
| sin⁡(u(x))\sin(u(x)) | u′(x)⋅cos⁡(u(x))u'(x) \cdot \cos(u(x)) |
| cos⁡(u(x))\cos(u(x)) | −u′(x)⋅sin⁡(u(x))-u'(x) \cdot \sin(u(x)) |
Exemple 1— Dérivée d'une composée avec $e^u$
Dériver f(x)=e3x2−1f(x) = e^{3x^2 - 1}.

Solution

On utilise (eu)′=u′⋅eu(e^u)' = u' \cdot e^u avec u=3x2−1u = 3x^2 - 1, u′=6xu' = 6x.
f′(x)=6x⋅e3x2−1f'(x) = 6x \cdot e^{3x^2 - 1}
Exemple 2— Dérivée d'une composée avec $\ln u$
Dériver g(x)=ln⁡(x2+4)g(x) = \ln(x^2 + 4).

Solution

On utilise (ln⁡u)′=u′u(\ln u)' = \dfrac{u'}{u} avec u=x2+4u = x^2 + 4, u′=2xu' = 2x.
g′(x)=2xx2+4g'(x) = \frac{2x}{x^2 + 4}
(domaine : R\mathbb{R} car x2+4>0x^2 + 4 > 0 toujours).
Exemple 3— Étude complète d'une fonction composée
Étudier les variations de h(x)=xe−xh(x) = x e^{-x} sur R\mathbb{R}.

Solution

On dérive par la règle du produit : u=xu = x, v=e−xv = e^{-x}, u′=1u' = 1, v′=−e−xv' = -e^{-x}.
h′(x)=e−x+x⋅(−e−x)=e−x(1−x)h'(x) = e^{-x} + x \cdot (-e^{-x}) = e^{-x}(1 - x)

Comme e−x>0e^{-x} > 0 toujours, le signe de h′(x)h'(x) est celui de (1−x)(1-x) :
- h′(x)>0h'(x) > 0 pour x<1x < 1 → hh croissante.
- h′(x)<0h'(x) < 0 pour x>1x > 1 → hh décroissante.

Maximum en x=1x = 1 : h(1)=1⋅e−1=1eh(1) = 1 \cdot e^{-1} = \dfrac{1}{e}.

⚠ Attention

Ne pas oublier de multiplier par u′(x)u'(x) (la dérivée de la fonction intérieure). C'est l'erreur la plus fréquente avec la règle de la chaîne.
  • Règle de la chaîne : (g(u(x)))′=u′(x)⋅g′(u(x))(g(u(x)))' = u'(x) \cdot g'(u(x)).
  • (eu)′=u′eu(e^u)' = u' e^u ; (ln⁡u)′=u′/u(\ln u)' = u'/u.
  • (un)′=nun−1u′(u^n)' = nu^{n-1}u' ; (u)′=u′/(2u)(\sqrt{u})' = u'/(2\sqrt{u}).
  • Toujours multiplier par la dérivée de la fonction intérieure.

★ À retenir

  • 1
    (g∘f)(x)=g(f(x))(g \circ f)(x) = g(f(x)) ; composition non commutative.
  • 2
    Règle de la chaîne : (g(u))′=u′⋅g′(u)(g(u))' = u' \cdot g'(u).
  • 3
    (eu)′=u′eu(e^u)' = u'e^u ; (ln⁡u)′=u′/u(\ln u)' = u'/u.
  • 4
    (un)′=nun−1u′(u^n)' = nu^{n-1}u' ; (u)′=u′/(2u)(\sqrt{u})' = u'/(2\sqrt{u}).

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