Exercice 10-08
Pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\), calculer la \(n\)ème dérivée de \(f\), notée \(f^{(n)}\).
  1. \(f(x)=x^{m}\quad(m\in\mathbb{Z})\)
  2. \(f(x)=\sin(2x)+2\cos(x)\)
  3. \(f(x)=\log(x)\)
  4. \(f(x)=\frac{1}{\sqrt{1+x}}\)
L'intérêt des dérivées d'ordre supérieur d'une fonction viendra bientôt, dans l'étude des développements limités et des séries de Taylor/MacLaurin.

On distinguera trois cas: \(m\gt 0\), \(m=0\), \(m\lt 0\).

Relire l'exemple de \(f(x)=\sin(\omega x)\) donné ici.

  1. On distingue trois cas selon la valeur de \(m\): Si \(m=0\), alors \[ f^{(n)}(x)=0\,,\qquad \forall n\in \mathbb{N}^*\,. \] Si \(m\geqslant 1\), alors \[\begin{aligned} f^{(1)}(x)&=m\cdot x^{m-1}\\ f^{(2)}(x)&=m(m-1)\cdot x^{m-2}\\ f^{(3)}(x)&=m(m-1)(m-2)\cdot x^{m-3}\\ \vdots\\ f^{(m-1)}(x)&=m(m-1)(m-2)\cdots 2\cdot x\\ f^{(m)}(x)&=m(m-1)(m-2)\cdots 2 \cdot 1\\ f^{(m+1)}(x)&=0\\ f^{(m+2)}(x)&=0\\ \vdots \end{aligned}\] On peut donc écrire: \[ f^{(n)}(x)= \begin{cases} m(m-1)(m-2) \cdots (m-n+1) x^{m-n}\,, & n\leqslant m \\ 0\,, & n>m \end{cases} \] Si \(m\leqslant -1\), alors \[f^{(n)}(x) = m(m-1)(m-2) \cdots (m-n+1) x^{m-n}\] pour tout \(n\in \mathbb{N}^*\).
  2. On commence par calculer les quatre premières dérivées de \(f\): \[\begin{aligned} f'(x)&=2\cos(2x)-2\sin(x) \\ f''(x)&=-4\sin(2x) -2\cos(x)\\ f'''(x)&=-8\cos(2x)+2\sin(x) \\ f^{(4)}(x)&=16\sin(2x)+2\cos(x)\,. \end{aligned}\] Une façon d'écrire la dérivée \(n\)-ème est donc de distinguer deux cas selon la parité de \(n\in \mathbb{N}^*\): \[ f^{(n)}(x) = \begin{cases} (-1)^{\frac{n}{2}}\big(2^n\sin (2x)+2\cos(x)\big), & n\text{ pair} \\ (-1)^{\frac{n-1}{2}}\big(2^n\cos (2x)-2\sin(x)\big), & n\text{ impair} \end{cases} \] Une façon plus compacte est d'écrire (voir cours) \[ f^{(n)}(x)=2^n\sin(2x+n\tfrac{\pi}{2})+2\cos(x+n\tfrac{\pi}{2})\,. \]
  3. Comme \(f(x)=\log(x)\) donne \(f'(x)=x^{-1}\), on peut utiliser le résultat ci-dessus avec \(m=-1\) pour obtenir \[ f^{(n)}(x) = (f')^{(n-1)}(x) =(-1)(-2)(-3) \cdots(-(n-1)) x^{-1-(n-1)} =\frac{(-1)^{n-1}(n-1)!}{x^n} \]
  4. En écrivant \(f(x)=(1+x)^{-1/2}\), \[\begin{aligned} f^{(1)}(x)&=\bigl(-\tfrac12\bigr)(1+x)^{-3/2}\\ f^{(2)}(x)&=\bigl(-\tfrac12\bigr)\bigl(-\tfrac32\bigr)(1+x)^{-5/2}\\ f^{(3)}(x)&=\bigl(-\tfrac12\bigr)\bigl(-\tfrac32\bigr)\bigl(-\tfrac52\bigr)(1+x)^{-7/2}\\ \vdots&\\ f^{(n)}(x)&= \frac{(-1)^n}{2^n}(1\cdot 3\cdot 5\cdots(2n-3)\cdot (2n-1))(1+x)^{-(2n+1)/2}\\ \vdots& \end{aligned}\] En introduisant \[ n!! := \begin{cases} n(n-2)(n-4)\cdots 5\cdot 3\cdot 1&n \text{ impair}, \\ n(n-2)(n-4)\cdots 4\cdot 2&n \text{ pair}, \end{cases} \] on peut écrire \[ f^{(n)}(x)= \frac{(-1)^n}{2^n}(2n-1)!!(1+x)^{-(2n+1)/2} \]