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La fonction dérivée et les variations

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  1. 1

    Dans une plaque de carton rectangulaire de 16 cm sur 10 cm, on découpe un carré de côté x cm à chaque coin, puis on relève les bords pour obtenir une boîte sans couvercle. Son volume, en cm³, est noté V(x)V(x), pour x dans ]0;5[]0 \,;\, 5[.
    Quelle valeur de x rend le volume de la boîte maximal, et que vaut ce volume maximal ?

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    a) Le fond de la boîte mesure (162x)(16 - 2x) cm sur (102x)(10 - 2x) cm, et la hauteur vaut x cm.
    V(x)=x(162x)(102x)=x(16032x20x+4x2)=4x352x2+160xV(x) = x(16 - 2x)(10 - 2x) = x(160 - 32x - 20x + 4x^{2}) = 4x^{3} - 52x^{2} + 160x.
    b) V(x)=12x2104x+160V'(x) = 12x^{2} - 104x + 160.
    4(x2)(3x20)=4(3x220x6x+40)=4(3x226x+40)=12x2104x+1604(x - 2)(3x - 20) = 4(3x^{2} - 20x - 6x + 40) = 4(3x^{2} - 26x + 40) = 12x^{2} - 104x + 160 : c'est bien V(x)V'(x).
    c) Sur ]0;5[]0 \,;\, 5[, on a 3x<153x < 15, donc 3x20<03x - 20 < 0. V(x)V'(x) est du signe contraire de (x2)(x - 2) : positive sur ]0;2[]0 \,;\, 2[, négative sur ]2;5[]2 \,;\, 5[.
    d) V est croissante puis décroissante : le volume est maximal pour x=2x = 2.
    V(2)=2×12×6=144V(2) = 2 \times 12 \times 6 = 144.
    Il faut découper des carrés de 2 cm de côté ; le volume maximal est 144 cm³.

  2. 2

    Une usine produit et vend x tonnes d'un produit par mois, avec x dans [0;12][0 \,;\, 12]. Le coût de production, en milliers d'euros, est C(x)=x315x2+80x+100C(x) = x^{3} - 15x^{2} + 80x + 100, et chaque tonne est vendue 53 milliers d'euros. On note B(x)B(x) le bénéfice mensuel, en milliers d'euros.
    Quelle quantité l'usine doit-elle produire pour obtenir un bénéfice maximal, et quel est ce bénéfice ?

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    a) B(x)=53xC(x)=53xx3+15x280x100=x3+15x227x100B(x) = 53x - C(x) = 53x - x^{3} + 15x^{2} - 80x - 100 = -x^{3} + 15x^{2} - 27x - 100.
    b) B(x)=3x2+30x27B'(x) = -3x^{2} + 30x - 27.
    3(x1)(x9)=3(x210x+9)=3x2+30x27-3(x - 1)(x - 9) = -3(x^{2} - 10x + 9) = -3x^{2} + 30x - 27 : c'est bien B(x)B'(x).
    c) BB' est négative sur [0;1[[0 \,;\, 1[, positive sur ]1;9[]1 \,;\, 9[, négative sur ]9;12]]9 \,;\, 12].
    B est décroissante sur [0;1][0 \,;\, 1], croissante sur [1;9][1 \,;\, 9], décroissante sur [9;12][9 \,;\, 12].
    B(0)=100B(0) = -100 ; B(1)=1+1527100=113B(1) = -1 + 15 - 27 - 100 = -113 ; B(9)=729+1215243100=143B(9) = -729 + 1215 - 243 - 100 = 143 ; B(12)=1728+2160324100=8B(12) = -1728 + 2160 - 324 - 100 = 8.
    d) Le bénéfice est maximal pour 9 tonnes produites ; il vaut alors 143 milliers d'euros, soit 143 000 €.

  3. 3

    Soit b et c deux nombres réels, et f la fonction définie sur ℝ par f(x)=x3+bx2+cf(x) = x^{3} + bx^{2} + c. On sait que la courbe de f admet une tangente horizontale au point d'abscisse 2, et que f(2)=1f(2) = -1.
    Détermine les extremums locaux de f, en précisant leur nature.

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  4. 4

    Soit f la fonction définie sur ℝ par f(x)=x33x2f(x) = x^{3} - 3x^{2}, et d la droite d'équation y=9x+1y = 9x + 1.
    Quels sont les points de la courbe de f où la tangente est parallèle à la droite d ? Donne leurs coordonnées.

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  5. 5

    Après l'injection d'un médicament, sa concentration dans le sang, en mg/L, est modélisée par C(t)=t3+6t2C(t) = -t^{3} + 6t^{2}, où t est le temps en heures, avec t dans [0;6][0 \,;\, 6].
    À quel instant la concentration augmente-t-elle le plus vite ?

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  6. 6

    Un cylindre a un rayon r et une hauteur h, en centimètres, liés par la contrainte r+h=6r + h = 6, avec r dans ]0;6[]0 \,;\, 6[. On rappelle que le volume d'un cylindre est πr2h\pi r^{2} h. Donne les résultats approchés arrondis à l'unité.
    Quelles dimensions rendent le volume du cylindre maximal ? Donne ce volume maximal en cm³.

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  7. 7

    Soit f la fonction définie sur [2;3][-2 \,;\, 3] par f(x)=2x33x212x+4f(x) = 2x^{3} - 3x^{2} - 12x + 4.
    Montre que, pour tout x de [2;3][-2 \,;\, 3], on a 16f(x)11-16 \le f(x) \le 11.

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  8. 8

    Soit m un nombre réel et f la fonction définie sur ℝ par f(x)=x33x+mf(x) = x^{3} - 3x + m.
    Pour quelles valeurs de m le minimum local de f est-il strictement positif ?

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  9. 9

    On considère les fonctions f et g définies sur [0;2][0 \,;\, 2] par f(x)=x2+2xf(x) = x^{2} + 2x et g(x)=x3x2+2xg(x) = x^{3} - x^{2} + 2x. On étudie l'écart d(x)=f(x)g(x)d(x) = f(x) - g(x) entre ces deux fonctions. Donne les résultats approchés arrondis au centième.
    Pour quelle valeur de x l'écart f(x)g(x)f(x) - g(x) est-il maximal sur [0;2][0 \,;\, 2] ? Donne la valeur de cet écart maximal.

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  10. 10

    Une entreprise vend x milliers d'unités d'un produit, avec x dans [0;5][0 \,;\, 5]. Le prix de vente unitaire, en euros, est p(x)=12xp(x) = 12 - x, et le coût de production, en milliers d'euros, est C(x)=x34x2+3x+5C(x) = x^{3} - 4x^{2} + 3x + 5. La recette R(x)R(x) et le bénéfice B(x)B(x) sont exprimés en milliers d'euros.
    Quelle quantité l'entreprise doit-elle vendre pour que son bénéfice soit maximal, à quel prix unitaire, et quel est alors le bénéfice ?

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