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Sciences · Mathématiques

La composition de fonctions

Composer deux fonctions, c’est les appliquer l’une après l’autre. La composée g ∘ f (« g rond f ») est la fonction qui à x associe g(f(x)) : on calcule d’abord f(x), puis on applique g au résultat.

Mis à jour le 3 min de lecture

La composition de fonctions est au programme de terminale (spécialité mathématiques), où elle sert surtout à dériver des fonctions comme e^(3x+1) ou √(x² + 1) et à calculer des limites. L’idée est pourtant simple et ressemble à un programme de calcul en deux étapes.

L’ordre compte

On applique d’abord la fonction de droite (f), puis celle de gauche (g). En général, g ∘ f ≠ f ∘ g.

Avec f(x) = x + 3 et g(x) = x² :

  • (g ∘ f)(x) = g(x + 3) = (x + 3)² ;
  • (f ∘ g)(x) = f(x²) = x² + 3.

Pour x = 1 : (g ∘ f)(1) = 16, mais (f ∘ g)(1) = 4.

Calculer une composée : méthode pas à pas

  1. Écrire g(f(x)).
  2. Remplacer, dans l’expression de g, chaque x par l’expression entière de f(x), entre parenthèses.
  3. Simplifier si besoin.

Exemple : f(x) = 2x − 1, g(x) = 1/x. (g ∘ f)(x) = 1/(2x − 1), définie pour x ≠ 1/2.

L’ensemble de définition

x doit être dans l’ensemble de définition de f, et f(x) dans celui de g.

Exemple : h(x) = √(4 − x), avec f(x) = 4 − x et g(x) = √x. Il faut 4 − x ≥ 0, soit x ≤ 4. h est définie sur ]−∞ ; 4].

Décomposer une fonction

Le plus souvent, on fait l’inverse : on reconnaît une fonction comme composée de fonctions simples.

FonctionFonction intérieure uFonction extérieure
(3x + 5)⁴u(x) = 3x + 5X ↦ X⁴
√(x² + 1)u(x) = x² + 1X ↦ √X
e^(−2x)u(x) = −2xX ↦ eˣ
ln(x² + 3)u(x) = x² + 3X ↦ ln X
cos(5x)u(x) = 5xX ↦ cos X

La dérivée d’une composée

Règle générale : (g ∘ u)′(x) = u′(x) × g′(u(x)). On dérive la fonction extérieure en gardant l’intérieur, puis on multiplie par la dérivée de l’intérieur. Les cas usuels :

FonctionDérivée
uⁿn × u′ × uⁿ⁻¹
√u (u > 0)u′ / (2√u)
eᵘu′ × eᵘ
ln u (u > 0)u′ / u
f(ax + b)a × f′(ax + b)

Exemples :

  • ((3x + 5)⁴)′ = 4 × 3 × (3x + 5)³ = 12(3x + 5)³ ;
  • (e^(−2x))′ = −2e^(−2x) (voir fonction exponentielle) ;
  • (√(x² + 1))′ = 2x / (2√(x² + 1)) = x / √(x² + 1).

Voir aussi les dérivées.

Limite d’une composée

Si u(x) tend vers b quand x tend vers a, et si g(X) tend vers c quand X tend vers b, alors g(u(x)) tend vers c. Exemple : quand x tend vers +∞, −x² tend vers −∞ et e^X tend vers 0, donc e^(−x²) tend vers 0. Voir les limites de fonctions.

Sens de variation

La composée de deux fonctions de même sens de variation est croissante ; de sens contraires, décroissante. e^(−x) est décroissante : on compose x ↦ −x (décroissante) et l’exponentielle (croissante).

Erreurs fréquentes

  • Inverser l’ordre : g ∘ f signifie f d’abord.
  • Oublier les parenthèses en substituant : g(2x − 1) avec g(x) = x² donne (2x − 1)², pas 2x² − 1.
  • Oublier le facteur u′ en dérivant : (e^(3x))′ = 3e^(3x), pas e^(3x).
  • Confondre composée et produit : g ∘ f n’est pas g × f.

Exercice corrigé

Soient f(x) = x² − 1 et g(x) = 2x + 3.

  1. (g ∘ f)(x) = 2(x² − 1) + 3 = 2x² + 1.
  2. (f ∘ g)(x) = (2x + 3)² − 1 = 4x² + 12x + 8.
  3. (g ∘ f)(2) = 9 ; (f ∘ g)(2) = 48.
  4. Dériver h(x) = (x² − 1)⁵ : h′(x) = 10x(x² − 1)⁴.
  5. Dériver k(x) = e^(x² − 1) : k′(x) = 2x e^(x² − 1).

Questions fréquentes

Que signifie g ∘ f ?

C’est la fonction qui à x associe g(f(x)) : on applique f à x, puis g au résultat. On lit « g rond f ».

La composition est-elle commutative ?

Non. En général g ∘ f et f ∘ g sont différentes, comme le montre (x + 3)² et x² + 3.

Comment dériver une fonction composée ?

On applique (g ∘ u)′ = u′ × g′ ∘ u : on dérive l’extérieur en gardant l’intérieur, puis on multiplie par la dérivée de l’intérieur.

À quel niveau étudie-t-on la composition ?

En terminale, dans l’enseignement de spécialité mathématiques. En première, on rencontre déjà le cas particulier f(ax + b).

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