Chapitre 08 · Première

Cours

Fonctions de Référence

Exponentielle, logarithme et puissances

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Les fonctions de référence sont les briques élémentaires de l'analyse. En Première, on étudie plus précisément la fonction exponentielle xexx \mapsto e^x et son inverse le logarithme naturel xlnxx \mapsto \ln x, ainsi que les fonctions puissances et racines. Ces fonctions interviennent dans la modélisation de la croissance, la décroissance radioactive, la physique et l'économie.

Mieux retenir

Comment utiliser ce cours efficacement

Commence par lire les définitions et les exemples, puis va refaire un ou deux exercices sans aide. Le but n’est pas seulement de comprendre le texte, mais de transformer ces idées en réflexes utilisables.

Ce qu’il faut viser

  • Lire et exploiter une fonction dans plusieurs représentations.
  • Rédiger une conclusion claire à partir d’un tableau ou d’un calcul.

Points de vigilance

  • Confondre image et antécédent.
  • Conclure sans citer le signe ou le tableau étudié.

1Fonction exponentielle

La fonction exponentielle f(x)=exf(x) = e^x est définie sur R\mathbb{R}. Elle est l'unique fonction dérivable telle que f=ff' = f et f(0)=1f(0) = 1. Ses propriétés fondamentales :

- Domaine : R\mathbb{R}, image : ]0,+[]0, +\infty[.
- Croissance : strictement croissante sur R\mathbb{R}.
- Dérivée : (ex)=ex(e^x)' = e^x.
- Limites : limxex=0\lim_{x \to -\infty} e^x = 0 et limx+ex=+\lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty.
- Propriétés algébriques : ea+b=eaebe^{a+b} = e^a \cdot e^b, ea=1eae^{-a} = \dfrac{1}{e^a}, (ea)n=ena(e^a)^n = e^{na}.

Définition

Nombre $e$

e2,718e \approx 2{,}718 est la base de l'exponentielle naturelle. C'est la valeur e1e^1. La croissance des bactéries, la décroissance radioactive, les intérêts composés continus : tout passe par ee.

Définition

Propriétés de $e^x$

ex>0e^x > 0 pour tout xRx \in \mathbb{R}. On a e0=1e^0 = 1, exey=ex+ye^x e^y = e^{x+y}, exey=exy\dfrac{e^x}{e^y} = e^{x-y}, (ex)n=enx(e^x)^n = e^{nx}.
Exemple 1Résolution d'une équation avec exponentielle
Résoudre e2x3ex+2=0e^{2x} - 3e^x + 2 = 0.

Solution

On pose X=ex>0X = e^x > 0. L'équation devient X23X+2=0X^2 - 3X + 2 = 0.

Δ=98=1\Delta = 9 - 8 = 1, donc X1=1X_1 = 1 et X2=2X_2 = 2.

- ex=1x=0e^x = 1 \Rightarrow x = 0
- ex=2x=ln2e^x = 2 \Rightarrow x = \ln 2

Solution : x=0\mathbf{x = 0} ou x=ln2\mathbf{x = \ln 2}.
  • (ex)=ex(e^x)' = e^x et ex>0e^x > 0 pour tout xx.
  • ea+b=eaebe^{a+b} = e^a e^b, ea=1/eae^{-a} = 1/e^a.
  • Pour résoudre ef=ege^f = e^g, on peut écrire f=gf = g (injectivité).

2Fonction logarithme naturel

Le logarithme naturel (ou népérien) ln\ln est la fonction réciproque de exe^x : ln(ex)=x\ln(e^x) = x pour tout xRx \in \mathbb{R}, et elnx=xe^{\ln x} = x pour tout x>0x > 0.

- Domaine : ]0,+[]0, +\infty[, image : R\mathbb{R}.
- Dérivée : (lnx)=1x(\ln x)' = \dfrac{1}{x} pour x>0x > 0.
- Limites : limx0+lnx=\lim_{x \to 0^+} \ln x = -\infty et limx+lnx=+\lim_{x \to +\infty} \ln x = +\infty.
- Propriétés algébriques : ln(ab)=lna+lnb\ln(ab) = \ln a + \ln b, lnab=lnalnb\ln\dfrac{a}{b} = \ln a - \ln b, ln(an)=nlna\ln(a^n) = n\ln a.

Définition

Logarithme naturel

lnx\ln x est l'unique réel tel que elnx=xe^{\ln x} = x. Donc ln\ln et exp\exp sont inverses l'une de l'autre. On a ln1=0\ln 1 = 0 et lne=1\ln e = 1.

Définition

Propriétés de $\ln$

ln(ab)=lna+lnb\ln(ab) = \ln a + \ln b, ln(a/b)=lnalnb\ln(a/b) = \ln a - \ln b, ln(ar)=rlna\ln(a^r) = r \ln a pour a,b>0a, b > 0. Ces propriétés transforment produits en sommes.
Exemple 1Résolution d'une équation logarithmique
Résoudre ln(x+1)+ln(x1)=ln3\ln(x+1) + \ln(x-1) = \ln 3.

Solution

Conditions d'existence : x+1>0x+1 > 0 et x1>0x-1 > 0, donc x>1x > 1.

ln(x+1)+ln(x1)=ln[(x+1)(x1)]=ln(x21)\ln(x+1) + \ln(x-1) = \ln\bigl[(x+1)(x-1)\bigr] = \ln(x^2 - 1)

ln(x21)=ln3x21=3x2=4x=±2\ln(x^2-1) = \ln 3 \Rightarrow x^2 - 1 = 3 \Rightarrow x^2 = 4 \Rightarrow x = \pm 2

Avec x>1x > 1, la solution est x=2\mathbf{x = 2}.
  • (lnx)=1x(\ln x)' = \frac{1}{x} pour x>0x > 0.
  • ln(ab)=lna+lnb\ln(ab) = \ln a + \ln b, ln(an)=nlna\ln(a^n) = n\ln a.
  • ln\ln et exp\exp sont réciproques : elnx=xe^{\ln x} = x et ln(ex)=x\ln(e^x) = x.

À retenir

  • 1
    (ex)=ex(e^x)' = e^x ; ea+b=eaebe^{a+b} = e^a e^b ; ex>0e^x > 0 toujours.
  • 2
    (lnx)=1x(\ln x)' = \frac{1}{x} sur ]0,+[]0, +\infty[.
  • 3
    ln(ab)=lna+lnb\ln(ab) = \ln a + \ln b ; ln(an)=nlna\ln(a^n) = n\ln a.
  • 4
    ln\ln et exp\exp sont inverses : elnx=xe^{\ln x} = x et ln(ex)=x\ln(e^x) = x.

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