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Théorème 4Dérivabilité

Égalité des accroissements finis

Énoncé

Soit a<ba < b et f:[a,b]→ℝf : [a, b] \to {\mathbb R} continue sur [a,b][a, b] et dérivable sur ]a,b[]a, b[. Il existe c∈ ]a,b[c \in \,]a, b[ tel que f(b)−f(a)=f′(c) (b−a).f(b) - f(a) = f'(c)\,(b - a).

Démonstration

La fonction g(x)=f(x)−f(a)−f(b)−f(a)b−a (x−a)\begin{aligned} g(x) &= f(x) - f(a) \\ &\quad - \frac{f(b) - f(a)}{b - a}\,(x - a) \end{aligned} est continue sur [a,b][a, b] et dérivable sur ]a,b[]a, b[, de dérivée g′(x)=f′(x)−f(b)−f(a)b−a,g'(x) = f'(x) - \frac{f(b) - f(a)}{b - a}, par les opérations sur les fonctions dérivables (Opérations). On a g(a)=g(b)=0g(a) = g(b) = 0. Le théorème de Rolle (Rolle) fournit c∈ ]a,b[c \in \,]a, b[ tel que g′(c)=0g'(c) = 0, ce qui est l'égalité annoncée.

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Remarque

Géométriquement, il existe un point où la tangente est parallèle à la corde qui joint (a,f(a))(a, f(a)) à (b,f(b))(b, f(b)) ; cinématiquement, un mobile dont la vitesse moyenne vaut vv sur une durée passe au moins une fois par la vitesse instantanée vv. La fonction gg de la démonstration est l'écart vertical entre le graphe et la corde.

x f (b, f(b)) c1 c2 a b pente 1
Pour f(x)=x(x−3)2f(x) = x(x - 3)^2 sur [0,4][0, 4], la corde, en bleu, joint (0,0)(0, 0) à (4,4)(4, 4) et a pour pente 11. Les deux points rouges sont ceux où la tangente a la même pente : f′(c)=3c2−12c+9=1f'(c) = 3c^2 - 12c + 9 = 1 donne c=2±23c = 2 \pm \frac{2}{\sqrt3}, soit environ 0,8450{,}845 et 3,1553{,}155.
Remarque

Le point cc n'est pas unique, et l'on ne sait en général rien de plus sur lui que a<c<ba < c < b. L'erreur la plus répandue est de lui attribuer une valeur particulière, par exemple le milieu de [a,b][a, b] : sur l'exemple ci-dessus, le milieu 22 donne f′(2)=−3f'(2) = -3, qui n'a rien à voir avec la pente 11 de la corde. Le théorème n'est utile que par les encadrements de f′(c)f'(c) qu'il permet, ce que fait le nœud suivant.

Remarque

L'égalité est propre aux fonctions à valeurs réelles. Pour une fonction à valeurs dans ℝ2\mathbb R^2, chaque coordonnée a son propre point cc, et seule l'inégalité subsiste : c'est le point (ii) du nœud Accroissements finis du calcul différentiel.

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