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Règles de dérivation d’une fonction

Après cette leçon: Je peux dériver une fonction simple avec les règles de la puissance, de la somme et du produit.

Leçon de 60 min3 commandesLab JupyterLab de science des données : pandas, Matplotlib et scikit-learn dans le navigateur

Une formule pour la pente en tout point

Dériver une fonction, c’est trouver une formule qui donne sa pente en chaque point. Quelques règles suffisent pour les fonctions que l’on rencontre le plus.

Elles évitent de refaire un calcul avec un petit pas à chaque fois. La formule est exacte, plus rapide, et on peut la vérifier avec l’estimation de la leçon précédente.

À la fin de cette leçon

Remarque

Je peux dériver une fonction simple avec les règles de la puissance, de la somme et du produit.

Mots clés

MotCe que ça veut direExemple
Fonctionune règle qui donne un y pour chaque x
Dérivéela formule de la pente en chaque point
Puissanceun nombre multiplié par lui-même n foisx ** 3
Coefficientle nombre qui multiplie une puissance de x
Polynômeune somme de termes comme 3x au carré

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La règle de la puissance en deux gestes

La règle de la puissance se retient en deux gestes. On descend la puissance devant, puis on la diminue de un.

Ainsi x au carré donne 2x et x au cube donne 3x au carré. Une constante comme 5 ne bouge pas, donc sa dérivée est 0. Un coefficient reste devant : 3 fois x au carré donne 3 fois 2x, soit 6x.

Exemple travaillé : la règle sur cinq termes

TermeOn descend la puissanceDérivée
x1 fois x puissance 01
x au carré2 fois x puissance 12x
x au cube3 fois x puissance 23x au carré
3x au carré3 fois 2 fois x6x
5aucune puissance de x0

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La règle de la puissance en Python

Code: python
# La dérivée d’un terme a·x^n est (a·n)·x^(n-1).
# On range le résultat dans une liste : [nouveau coefficient, nouvelle puissance].
def deriver_terme(a, n):
    return [a * n, n - 1]

print(deriver_terme(3, 2))
print(deriver_terme(5, 1))
print(deriver_terme(2, 4))
# Ajoutez la ligne qui dérive 6x au cube, puis relancez.

Dériver une somme terme par terme

Pour une somme de termes, on dérive chaque terme à part, puis on additionne les résultats. Les constantes disparaissent.

Prenons 3x au carré, plus 2x, plus 5. Les dérivées sont 6x, 2 et 0. La dérivée de la somme est donc 6x plus 2.

Faire dériver un polynôme par NumPy

Commande
docker exec jupyter python3 -c "import numpy as np; print(np.polyder([3, 2, 5]).tolist(), np.polyder([1, 0, 0, 0]).tolist())"

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La dérivée d’un produit mélange les deux facteurs

Un produit s’écrit u fois v. Sa dérivée est u prime fois v, plus u fois v prime. Chaque facteur est dérivé à son tour, l’autre restant tel quel.

Prenons u = x et v = x plus 1. On a u prime = 1 et v prime = 1. Le résultat est (x plus 1) plus x, soit 2x plus 1.

Exemple : la règle du produit en 3

ÉtapeCalculRésultat
u et vu = x et v = x plus 1u = 3 et v = 4
Leurs dérivéesu prime = 1 et v prime = 11 et 1
u prime fois v1 fois 44
u fois v prime3 fois 13
Somme4 plus 37

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Vérifier la règle du produit

Commande
docker exec jupyter python3 -c "f = lambda x: x * (x + 1); h = 0.0001; print(round((f(3 + h) - f(3 - h)) / (2 * h), 3), 2 * 3 + 1)"

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Comparer une règle à une estimation

Commande
docker exec jupyter python3 -c "f = lambda x: x ** 3 + 2 * x; h = 0.0001; print(round((f(2 + h) - f(2 - h)) / (2 * h), 3), 3 * 2 ** 2 + 2)"

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Une erreur fréquente

Attention

Beaucoup pensent que la dérivée d’un produit est le produit des dérivées. Avec x fois (x plus 1), cela donnerait 1 fois 1, soit 1. Or la pente en x = 3 est 7. Il faut les deux termes : u prime fois v, plus u fois v prime.

Pour aller plus loin

Essayez de dériver x au carré fois x au cube avec la règle du produit. Comparez avec x puissance 5 dérivée par la règle de la puissance : vous devez retrouver le même résultat.

La leçon suivante dérive des fonctions de deux variables : une dérivée par variable.

À propos de ce labo et de sa source: Lab JupyterLab de science des données : pandas, Matplotlib et scikit-learn dans le navigateur

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