Algèbre-Analyse

Fonctions

maths · Durée indicative : 14 h

Découvrir la notion de fonction (variable, image, antécédent, notation f(x)) et les différents modes de représentation. Étudier les fonctions linéaires et affines, la fonction carré, lire variations et extremums, et résoudre graphiquement équations, inéquations et systèmes de deux équations à deux inconnues.

1. La notion de fonction

Une fonction est une « machine » qui, à un nombre x (la variable), associe un unique résultat noté f(x). Exemple : le prix payé en fonction du nombre d'articles, le chiffre d'affaires en fonction de l'heure de la journée.

Définitions.
• Image : f(x) est l'image de x par la fonction f. C'est le résultat.
• Antécédent : si f(x) = y, on dit que x est un antécédent de y. Un nombre peut avoir plusieurs antécédents… ou aucun !
• La notation f(x) se lit « f de x ».
Exemple. Un pressing facture f(x) = 2x + 3 € pour x vêtements (2 € par vêtement + 3 € de forfait).
• Image de 5 : f(5) = 13 → 5 vêtements coûtent 13 €.
• Antécédent de 21 : on résout 2x + 3 = 21 → x = 9 → avec 21 € on peut faire nettoyer 9 vêtements.

2. Les modes de représentation d'une fonction

Courbe d'une fonction avec lecture de l'image de a et d'un antécédent de c
Sur la courbe de f : l'image de a se lit sur l'axe vertical ; un antécédent de c se lit sur l'axe horizontal.
Lire un graphique.
• Pour lire l'image d'un nombre : partir de l'axe des abscisses (x), monter jusqu'à la courbe, lire la valeur sur l'axe des ordonnées (y).
• Pour lire un antécédent : partir de l'axe des ordonnées, rejoindre la courbe horizontalement, descendre vers l'axe des abscisses. Il peut y avoir plusieurs points → plusieurs antécédents.

3. Fonctions linéaires et affines

Définitions.
• Une fonction linéaire est de la forme f(x) = ax. Elle traduit une situation de proportionnalité. Sa courbe est une droite qui passe par l'origine.
• Une fonction affine est de la forme f(x) = ax + b. Sa courbe est une droite.
• a est le coefficient directeur (la pente) ; b est l'ordonnée à l'origine (la valeur de f(0), là où la droite coupe l'axe vertical).
Propriétés essentielles.
• Taux d'accroissement : entre deux points A(x₁ ; y₁) et B(x₂ ; y₂) de la droite,
a = (y₂ − y₁) ÷ (x₂ − x₁).
• Si a > 0, la fonction est croissante ; si a < 0, elle est décroissante ; si a = 0, elle est constante.
• Droites parallèles : deux fonctions affines de même coefficient directeur sont représentées par des droites parallèles.
Exemple. Tarifs de livraison de deux transporteurs : f(x) = 3x + 5 et g(x) = 3x + 9 (en €, x = poids en kg).
Même coefficient directeur a = 3 → droites parallèles : le transporteur g coûte toujours 4 € de plus, quel que soit le poids.
Taux d'accroissement de f entre x = 1 (f(1) = 8) et x = 6 (f(6) = 23) : (23 − 8) ÷ (6 − 1) = 15 ÷ 5 = 3 ✔ : 3 € par kg supplémentaire.

4. Variations, extremums et tableau de variations

Définitions.
• Une fonction est croissante sur un intervalle si ses images augmentent quand x augmente (la courbe « monte »).
• Elle est décroissante si ses images diminuent (la courbe « descend »).
• Un maximum est la plus grande valeur atteinte ; un minimum, la plus petite. Ce sont les extremums.
Dresser un tableau de variations à partir d'une courbe.
1. Repérer sur l'axe des x les intervalles où la courbe monte (flèche ↗) et où elle descend (flèche ↘).
2. Noter les valeurs de x où le sens change, avec les images correspondantes.
3. Tracer le tableau : première ligne = valeurs de x, deuxième ligne = flèches et valeurs des images.
Exemple. Fréquentation d'un magasin au cours d'une journée : la courbe monte de l'ouverture (9 h) jusqu'à 12 h, descend jusqu'à 14 h, remonte jusqu'au pic de 18 h puis descend jusqu'à la fermeture (19 h).
Le maximum de fréquentation est atteint à 18 h : c'est l'information utile pour placer les pauses du personnel !

5. La fonction carré et ses transformations

Fonction carré. La fonction carré est f(x) = x2. Sa courbe est une parabole :
• décroissante sur ]−∞ ; 0], croissante sur [0 ; +∞[ ;
• elle admet un minimum égal à 0, atteint en x = 0 ;
• elle est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées : f(−x) = f(x).
Variations de la famille.
• x ↦ kx2 : si k > 0, la parabole garde la même allure (ouverte vers le haut), plus ou moins « écartée » ; si k < 0, la parabole est retournée (ouverte vers le bas) et admet un maximum 0.
• x ↦ f(x) + k : la courbe de f est translatée verticalement de k (vers le haut si k > 0, vers le bas si k < 0).
Exemple : la courbe de g(x) = x2 + 2 est celle de x2 décalée de 2 unités vers le haut ; son minimum est 2, atteint en x = 0.

6. Résolutions graphiques

Résoudre graphiquement f(x) = c et f(x) < c.
1. Tracer (ou observer) la courbe de f et la droite horizontale d'équation y = c.
2. f(x) = c : les solutions sont les abscisses des points d'intersection de la courbe et de la droite.
3. f(x) < c : repérer les portions de courbe en dessous de la droite y = c ; les solutions sont les x correspondants (intervalle(s)).
Résoudre graphiquement un système de 2 équations à 2 inconnues.
Un système comme { y = 2x + 3 ; y = −x + 9 } se résout graphiquement ainsi :
1. Tracer les deux droites correspondantes.
2. Lire les coordonnées du point d'intersection : c'est le couple solution (x ; y).
3. Vérifier par le calcul que ces coordonnées satisfont les deux équations.
Ici : intersection en (2 ; 7). Vérification : 2×2 + 3 = 7 et −2 + 9 = 7 ✔.
Exemple métier. Deux offres : « 2 € par article + 3 € de frais » (f) et « lot forfaitaire dégressif » modélisé par g(x) = −x + 9. Le point d'intersection (2 ; 7) donne la quantité pour laquelle les deux offres se valent : 2 articles pour 7 €. Au-delà, on compare la position des courbes pour savoir quelle offre est la moins chère.
Erreurs fréquentes à éviter.
• Confondre image et antécédent : l'image se calcule (ou se lit sur l'axe y), l'antécédent se cherche (lecture sur l'axe x).
• Dire « fonction linéaire » pour toute droite : linéaire = passe par l'origine (b = 0).
• Calculer le taux d'accroissement en inversant x et y : c'est bien (y₂ − y₁) ÷ (x₂ − x₁), dans le même ordre en haut et en bas.
• Oublier qu'une fonction affine avec a < 0 est décroissante.
• Lire une solution graphique avec imprécision : vérifier toujours par le calcul si possible.

Exercices d'entraînement