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Fonctions exponentielles — cours

4ème année (Bac) · section Informatique · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

La fonction logarithme népérien ln⁡\ln est continue et strictement croissante. Sur quel intervalle de départ réalise-t-elle une bijection vers R\mathbb{R} ?

Remarque

La fonction ln⁡\ln est définie, continue et strictement croissante sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[. Comme lim⁡x→0+ln⁡x=−∞\lim_{x \to 0^+} \ln x = -\infty et lim⁡x→+∞ln⁡x=+∞\lim_{x \to +\infty} \ln x = +\infty, elle réalise une bijection de ]0;+∞[]0 ; +\infty[ sur R\mathbb{R}.

Point de départ · 2

Pour toute bijection ff, il existe une fonction réciproque f−1f^{-1} qui inverse son action : si y=f(x)y = f(x), alors x=f−1(y)x = f^{-1}(y).

Puisque ln⁡\ln est une bijection de ]0;+∞[]0 ; +\infty[ sur R\mathbb{R}, pour tout réel yy, il existe un unique réel x>0x > 0 tel que ln⁡x=y\ln x = y. Comment nomme-t-on la fonction qui associe ce réel xx à yy ?

Cette fonction réciproque s'appelle la fonction exponentielle. Elle prend un nombre réel quelconque et lui associe son unique antécédent strictement positif par le logarithme népérien.

Définition · 3

Définition de la fonction exponentielle

La fonction exponentielle, notée exp⁡\exp, est la bijection réciproque de la fonction logarithme népérien ln⁡\ln.

exp⁡:R→]0;+∞[,x↦exp⁡(x)=ex\exp : \mathbb{R} \to ]0 ; +\infty[, \quad x \mapsto \exp(x) = e^x

Pour tout réel xx et pour tout réel y>0y > 0, l'équivalence fondamentale s'écrit :

y=ex  ⟺  x=ln⁡yy = e^x \iff x = \ln y

Identités directes pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} et tout y>0y > 0 :

ln⁡(ex)=xeteln⁡y=y\ln(e^x) = x \quad \text{et} \quad e^{\ln y} = y

ex>0pour tout x∈Re^x > 0 \quad \text{pour tout } x \in \mathbb{R}

Exemple travaillé · 4

Simplifier les trois écritures suivantes : A=eln⁡5A = e^{\ln 5}, B=e−ln⁡2B = e^{-\ln 2} et C=e2+ln⁡3C = e^{2 + \ln 3}.

1

Pour AA, on applique directement l'identité eln⁡u=ue^{\ln u} = u pour u=5>0u = 5 > 0.

2
A=eln⁡5=5A = e^{\ln 5} = 5
3

Pour BB, on transforme d'abord l'exposant avec la propriété −ln⁡2=ln⁡(12)-\ln 2 = \ln\left(\frac{1}{2}\right).

4
B=eln⁡(1/2)=12B = e^{\ln(1/2)} = \frac{1}{2}
5

Pour CC, on transforme la somme d'exposants en produit de puissances : ea+b=eaebe^{a+b} = e^a e^b.

6
C=e2×eln⁡3=e2×3=3e2C = e^2 \times e^{\ln 3} = e^2 \times 3 = 3e^2

Exemple travaillé · 5

Résoudre dans R\mathbb{R} les deux équations : e2x−1=5e^{2x - 1} = 5 et ex+3=−1e^{x + 3} = -1.

1

Pour e2x−1=5e^{2x - 1} = 5, le membre de droite est strictement positif (5>05 > 0). On applique l'équivalence eu=k  ⟺  u=ln⁡ke^u = k \iff u = \ln k.

2
2x−1=ln⁡52x - 1 = \ln 5
3
2x=1+ln⁡5  ⟺  x=1+ln⁡522x = 1 + \ln 5 \iff x = \frac{1 + \ln 5}{2}
4

Pour ex+3=−1e^{x + 3} = -1, on examine le signe de chaque membre.

5

Pour tout réel xx, ex+3>0e^{x + 3} > 0. Or −1≤0-1 \le 0, donc l'égalité est impossible. L'ensemble des solutions est S=∅S = \emptyset.

Piège classique · 6

On cherche à résoudre dans R\mathbb{R} l'équation ex=−3e^x = -3. Quelle est la conclusion correcte ?

Attention

Appliquer mécaniquement le logarithme népérien aux deux membres et écrire x=ln⁡(−3)x = \ln(-3).

À la place : Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, on a ex>0e^x > 0. Un nombre strictement positif ne peut jamais être égal à −3-3. De plus, ln⁡\ln n'est pas définie pour les nombres négatifs. L'équation n'a aucune solution réelle.

Vérification · 7

Calculer la valeur exacte du nombre E=ln⁡(e4)+eln⁡2E = \ln(e^4) + e^{\ln 2}.

Remarque

D'après les identités réciproques fondamentales, ln⁡(e4)=4\ln(e^4) = 4 et eln⁡2=2e^{\ln 2} = 2. On trouve donc E=4+2=6E = 4 + 2 = 6.

Point de départ · 8

La fonction logarithme népérien transforme un produit en somme : ln⁡(a×b)=ln⁡a+ln⁡b\ln(a \times b) = \ln a + \ln b.

Puisque l'exponentielle est la réciproque de ln⁡\ln, quelle opération fait-elle correspondre à une somme d'exposants ea+be^{a+b} ?

L'exponentielle inverse ce rôle : elle transforme une somme en exposant en un produit de puissances, soit ea+b=ea×ebe^{a+b} = e^a \times e^b.

Définition · 9

Propriétés algébriques fondamentales

Pour tous réels aa et bb, et pour tout entier relatif n∈Zn \in \mathbb{Z} :

ea+b=ea×ebe^{a+b} = e^a \times e^b

e−b=1ebe^{-b} = \frac{1}{e^b}

ea−b=eaebe^{a-b} = \frac{e^a}{e^b}

(ea)n=ena(e^a)^n = e^{na}

Remarque

En appliquant la dernière propriété avec n=2n = 2, on obtient l'égalité fondamentale (ex)2=e2x(e^x)^2 = e^{2x}.

Exemple travaillé · 10

Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation : e2x−ex−6=0e^{2x} - e^x - 6 = 0.

1

On réécrit le premier terme à l'aide de l'égalité e2x=(ex)2e^{2x} = (e^x)^2.

2
(ex)2−ex−6=0(e^x)^2 - e^x - 6 = 0
3

On pose X=exX = e^x. Comme l'exponentielle est strictement positive, on impose la condition X>0X > 0.

4
X2−X−6=0avec X>0X^2 - X - 6 = 0 \quad \text{avec } X > 0
5

On calcule le discriminant du trinôme : Δ=(−1)2−4(1)(−6)=25=52\Delta = (-1)^2 - 4(1)(-6) = 25 = 5^2. Les racines en XX sont :

6
X1=1+52=3etX2=1−52=−2X_1 = \frac{1 + 5}{2} = 3 \quad \text{et} \quad X_2 = \frac{1 - 5}{2} = -2
7

Puisque X>0X > 0, la valeur X2=−2X_2 = -2 est rejetée. On retient uniquement X1=3X_1 = 3.

8

On revient à la variable xx en appliquant le logarithme népérien :

9
ex=3  ⟺  x=ln⁡3e^x = 3 \iff x = \ln 3
10

L'ensemble des solutions réelles est S={ln⁡3}S = \{\ln 3\}.

Piège classique · 11

En posant X=exX = e^x, un élève résout une équation et trouve deux racines pour XX : X1=4X_1 = 4 et X2=−1X_2 = -1. Combien de solutions réelles l'équation de départ en xx possède-t-elle ?

Attention

Conserver les deux racines en écrivant x1=ln⁡4x_1 = \ln 4 et x2=ln⁡(−1)x_2 = \ln(-1), soit deux solutions réelles.

À la place : Pour tout réel xx, ex>0e^x > 0. L'égalité ex=−1e^x = -1 est impossible car ln⁡\ln n'est pas définie sur les nombres négatifs. Seule la racine strictement positive X1=4X_1 = 4 convient, ce qui donne l'unique solution x=ln⁡4x = \ln 4.

Exemple travaillé · 12

Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation : 2ex+e−x−3=02e^x + e^{-x} - 3 = 0.

1

L'équation contient e−x=1exe^{-x} = \frac{1}{e^x}. Pour éliminer ce dénominateur, on multiplie chaque membre par exe^x, qui est strictement positif.

2
ex(2ex+e−x−3)=ex×0e^x(2e^x + e^{-x} - 3) = e^x \times 0
3

On développe en utilisant ex×ex=(ex)2e^x \times e^x = (e^x)^2 et ex×e−x=1e^x \times e^{-x} = 1 :

4
2(ex)2−3ex+1=02(e^x)^2 - 3e^x + 1 = 0
5

On pose X=exX = e^x avec la condition X>0X > 0. L'équation devient :

6
2X2−3X+1=02X^2 - 3X + 1 = 0
7

Les coefficients vérifient 2−3+1=02 - 3 + 1 = 0. Les deux racines sont :

8
X1=1etX2=12X_1 = 1 \quad \text{et} \quad X_2 = \frac{1}{2}
9

Ces deux valeurs sont strictement positives, on les conserve toutes les deux pour trouver xx :

10
ex=1  ⟺  x=0ouex=12  ⟺  x=−ln⁡2e^x = 1 \iff x = 0 \quad \text{ou} \quad e^x = \frac{1}{2} \iff x = -\ln 2
11

L'ensemble des solutions réelles est S={−ln⁡2  ;  0}S = \{-\ln 2 \;;\; 0\}.

Vérification · 13

On considère l'équation e2x−5ex+6=0e^{2x} - 5e^x + 6 = 0. Quel est l'ensemble de ses solutions réelles ?

Remarque

En posant X=ex>0X = e^x > 0, l'équation devient X2−5X+6=0X^2 - 5X + 6 = 0. Ses racines sont X=2X = 2 et X=3X = 3. Toutes deux étant strictement positives, on obtient x=ln⁡2x = \ln 2 et x=ln⁡3x = \ln 3.

Point de départ · 14

La fonction logarithme népérien vérifie (ln⁡)′(y)=1y(\ln)'(y) = \frac{1}{y}. Sachant que la fonction exponentielle est sa bijection réciproque, que vaut la dérivée de exe^x ?

La dérivation d'une fonction réciproque donne (exp⁡)′(x)=1ln⁡′(ex)=11ex=ex(\exp)'(x) = \frac{1}{\ln'(e^x)} = \frac{1}{\frac{1}{e^x}} = e^x. La fonction exponentielle a la propriété remarquable d'être égale à sa propre dérivée.

Définition · 15

Dérivation de la fonction exponentielle

La fonction exponentielle est dérivable sur R\mathbb{R} et coïncide avec sa propre fonction dérivée.

(ex)′=ex(e^x)' = e^x

Pour tout réel xx, ex>0e^x > 0. Sa dérivée est donc strictement positive sur R\mathbb{R}.

(ex)′>0(e^x)' > 0

La fonction exponentielle est continue et strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Si uu est une fonction dérivable sur un intervalle II, la fonction composée eue^u est dérivable sur II :

(eu(x))′=u′(x)eu(x)(e^{u(x)})' = u'(x) e^{u(x)}

Exemple travaillé · 16

Déterminer la fonction dérivée de ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=(2x−1)e−xf(x) = (2x - 1)e^{-x}, puis étudier son signe.

1

On reconnaît un produit u(x)v(x)u(x)v(x) avec u(x)=2x−1u(x) = 2x - 1 et v(x)=e−xv(x) = e^{-x}.

2

On dérive chaque facteur. Pour v(x)=e−xv(x) = e^{-x}, la dérivée de l'exposant −x-x est −1-1 :

u′(x)=2etv′(x)=−e−xu'(x) = 2 \quad \text{et} \quad v'(x) = -e^{-x}
3

On applique la règle de dérivation d'un produit (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv' :

f′(x)=2e−x+(2x−1)(−e−x)f'(x) = 2e^{-x} + (2x - 1)(-e^{-x})
4

On factorise par le terme commun e−xe^{-x} :

f′(x)=(2−(2x−1))e−x=(3−2x)e−xf'(x) = (2 - (2x - 1))e^{-x} = (3 - 2x)e^{-x}
5

Pour tout réel xx, e−x>0e^{-x} > 0. Le signe de f′(x)f'(x) est donc celui de 3−2x3 - 2x : strictement positif sur ]−∞;32[]-\infty ; \frac{3}{2}[, nul en 32\frac{3}{2}, et strictement négatif sur ]32;+∞[]\frac{3}{2} ; +\infty[.

Piège classique · 17

Quelle est la dérivée de la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=e−3xg(x) = e^{-3x} ?

Attention

Dériver e−3xe^{-3x} comme exe^x en écrivant e−3xe^{-3x}, ou oublier le signe moins et écrire 3e−3x3e^{-3x}.

À la place : L'exposant est u(x)=−3xu(x) = -3x, dont la dérivée est u′(x)=−3u'(x) = -3. La formule (eu)′=u′eu(e^u)' = u' e^u donne g′(x)=−3e−3xg'(x) = -3e^{-3x}.

Exemple travaillé · 18

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=exex+1f(x) = \frac{e^x}{e^x + 1}. Calculer f′(x)f'(x) et déterminer son signe.

1

On applique la règle de dérivation d'un quotient (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} avec u(x)=exu(x) = e^x et v(x)=ex+1v(x) = e^x + 1.

2

Comme (ex)′=ex(e^x)' = e^x et (ex+1)′=ex(e^x + 1)' = e^x, on écrit :

f′(x)=ex(ex+1)−ex(ex)(ex+1)2f'(x) = \frac{e^x(e^x + 1) - e^x(e^x)}{(e^x + 1)^2}
3

On développe le numérateur :

f′(x)=e2x+ex−e2x(ex+1)2f'(x) = \frac{e^{2x} + e^x - e^{2x}}{(e^x + 1)^2}
4

Les termes e2xe^{2x} s'annulent :

f′(x)=ex(ex+1)2f'(x) = \frac{e^x}{(e^x + 1)^2}
5

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, ex>0e^x > 0 et (ex+1)2>0(e^x + 1)^2 > 0. On en déduit que f′(x)>0f'(x) > 0 pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}. La fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Vérification · 19

Déterminer la fonction dérivée de h(x)=e−x2+1h(x) = e^{-x^2 + 1} définie sur R\mathbb{R}.

Remarque

En posant u(x)=−x2+1u(x) = -x^2 + 1, la dérivée est u′(x)=−2xu'(x) = -2x. Par la formule (eu)′=u′eu(e^u)' = u' e^u, on obtient h′(x)=−2xe−x2+1h'(x) = -2x e^{-x^2 + 1}.

Point de départ · 20

Au voisinage de +∞+\infty, les deux termes de l'expression ex−5xe^x - 5x tendent vers +∞+\infty.

La différence présente une forme indéterminée +∞−∞+\infty - \infty. D'après toi, qui croît le plus vite quand xx devient très grand : la puissance xx ou l'exponentielle exe^x ?

L'exponentielle l'emporte sur toute puissance polynomiale au voisinage de +∞+\infty : on dit que l'exponentielle impose sa croissance comparée.

Définition · 21

Limites fondamentales et croissances comparées

Limites aux bornes de R\mathbb{R} :

lim⁡x→−∞ex=0etlim⁡x→+∞ex=+∞\lim_{x \to -\infty} e^x = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty

Croissances comparées : pour tout entier naturel non nul n∈N∗n \in \mathbb{N}^* :

lim⁡x→+∞exxn=+∞etlim⁡x→−∞xnex=0\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to -\infty} x^n e^x = 0

Taux d'accroissement en 00 :

lim⁡x→0ex−1x=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} = 1

Exemple travaillé · 22

Déterminer lim⁡x→+∞(ex−5x)\lim_{x \to +\infty} (e^x - 5x) puis lim⁡x→−∞(2x−1)ex\lim_{x \to -\infty} (2x - 1)e^x.

1

Pour x→+∞x \to +\infty, la forme indéterminée est +∞−∞+\infty - \infty. On factorise par le terme polynomial xx pour faire apparaître la croissance comparée :

2
ex−5x=x(exx−5)e^x - 5x = x\left(\frac{e^x}{x} - 5\right)
3

Par croissance comparée, lim⁡x→+∞exx=+∞\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x} = +\infty, donc lim⁡x→+∞(exx−5)=+∞\lim_{x \to +\infty} \left(\frac{e^x}{x} - 5\right) = +\infty.

4

Par produit avec lim⁡x→+∞x=+∞\lim_{x \to +\infty} x = +\infty, on conclut :

5
lim⁡x→+∞(ex−5x)=+∞\lim_{x \to +\infty} (e^x - 5x) = +\infty
6

Pour x→−∞x \to -\infty, on développe l'expression afin de séparer les termes :

7
(2x−1)ex=2xex−ex(2x - 1)e^x = 2x e^x - e^x
8

Par croissances comparées en −∞-\infty, lim⁡x→−∞xex=0\lim_{x \to -\infty} x e^x = 0 et lim⁡x→−∞ex=0\lim_{x \to -\infty} e^x = 0. Par somme :

9
lim⁡x→−∞(2x−1)ex=0\lim_{x \to -\infty} (2x - 1)e^x = 0

Piège classique · 23

Pour calculer lim⁡x→−∞(ex+3x)\lim_{x \to -\infty} (e^x + 3x), quelle est la démarche correcte ?

Attention

Factoriser par exe^x en −∞-\infty en écrivant ex(1+3xex)e^x(1 + 3\frac{x}{e^x}).

À la place : En −∞-\infty, ex→0e^x \to 0 et 3x→−∞3x \to -\infty. Il n'y a aucune forme indéterminée : la somme donne directement −∞-\infty. Factoriser par exe^x crée artificiellement une indétermination 0×∞0 \times \infty car xex→−∞\frac{x}{e^x} \to -\infty.

Exemple travaillé · 24

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ex−1ex+1f(x) = \frac{e^x - 1}{e^x + 1}. Déterminer lim⁡x→−∞f(x)\lim_{x \to -\infty} f(x) puis lim⁡x→+∞f(x)\lim_{x \to +\infty} f(x).

1

En −∞-\infty, comme lim⁡x→−∞ex=0\lim_{x \to -\infty} e^x = 0, le numérateur tend vers −1-1 et le dénominateur vers 11. Il n'y a pas d'indétermination :

2
lim⁡x→−∞ex−1ex+1=0−10+1=−1\lim_{x \to -\infty} \frac{e^x - 1}{e^x + 1} = \frac{0 - 1}{0 + 1} = -1
3

En +∞+\infty, le quotient présente l'indétermination +∞+∞\frac{+\infty}{+\infty}. On factorise par le terme dominant exe^x au numérateur et au dénominateur :

4
ex−1ex+1=ex(1−e−x)ex(1+e−x)=1−e−x1+e−x\frac{e^x - 1}{e^x + 1} = \frac{e^x(1 - e^{-x})}{e^x(1 + e^{-x})} = \frac{1 - e^{-x}}{1 + e^{-x}}
5

Comme lim⁡x→+∞e−x=0\lim_{x \to +\infty} e^{-x} = 0, on obtient par quotient de limites finies :

6
lim⁡x→+∞1−e−x1+e−x=1−01+0=1\lim_{x \to +\infty} \frac{1 - e^{-x}}{1 + e^{-x}} = \frac{1 - 0}{1 + 0} = 1

Vérification · 25

Déterminer la valeur de la limite suivante : lim⁡x→0e3x−1x\lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - 1}{x}.

Remarque

On fait apparaître le taux d'accroissement usuel en écrivant e3x−1x=3×e3x−13x\frac{e^{3x} - 1}{x} = 3 \times \frac{e^{3x} - 1}{3x}. En posant u=3xu = 3x, quand x→0x \to 0, u→0u \to 0. Comme lim⁡u→0eu−1u=1\lim_{u \to 0} \frac{e^u - 1}{u} = 1, la limite vaut 3×1=33 \times 1 = 3.

Point de départ · 26

On sait que la fonction exponentielle vérifie (ex)′=ex(e^x)' = e^x. Par conséquent, dériver ou chercher une primitive de exe^x redonne la même fonction.

Que se passe-t-il si l'exposant comporte un coefficient, comme dans e3xe^{3x} ? Si on dérive e3xe^{3x}, on obtient 3e3x3e^{3x}. Quelle fonction a donc pour dérivée e3xe^{3x} ?

Pour compenser le facteur 33 qui apparaît lors de la dérivation, il faut diviser par 33 : la fonction 13e3x\frac{1}{3}e^{3x} a bien pour dérivée 13×3e3x=e3x\frac{1}{3} \times 3e^{3x} = e^{3x}.

Définition · 27

Primitives des fonctions exponentielles

Les primitives sur R\mathbb{R} de la fonction x↦exx \mapsto e^x sont les fonctions x↦ex+kx \mapsto e^x + k, où k∈Rk \in \mathbb{R}.

∫ex dx=ex+k(k∈R)\int e^x \, dx = e^x + k \quad (k \in \mathbb{R})

Si uu est une fonction dérivable sur un intervalle II, une primitive sur II de u′euu' e^u est eue^u :

∫u′(x)eu(x) dx=eu(x)+k(k∈R)\int u'(x)e^{u(x)} \, dx = e^{u(x)} + k \quad (k \in \mathbb{R})

En particulier, pour tous réels aa et bb avec a≠0a \neq 0, une primitive sur R\mathbb{R} de x↦eax+bx \mapsto e^{ax+b} est :

x↦1aeax+b+k(k∈R)x \mapsto \frac{1}{a} e^{ax+b} + k \quad (k \in \mathbb{R})

Exemple travaillé · 28

Déterminer une primitive sur R\mathbb{R} de chacune des fonctions suivantes : f(x)=e4x−1f(x) = e^{4x - 1} et g(x)=xex2g(x) = x e^{x^2}.

1

Pour f(x)=e4x−1f(x) = e^{4x-1}, on reconnaît la forme eax+be^{ax+b} avec a=4≠0a = 4 \neq 0 et b=−1b = -1.

2
F(x)=14e4x−1F(x) = \frac{1}{4} e^{4x - 1}
3

Pour g(x)=xex2g(x) = x e^{x^2}, l'exposant est u(x)=x2u(x) = x^2, dont la dérivée est u′(x)=2xu'(x) = 2x.

4

On fait apparaître la dérivée intérieure u′(x)u'(x) en multipliant et en divisant par 22 :

g(x)=12×(2xex2)=12u′(x)eu(x)g(x) = \frac{1}{2} \times (2x e^{x^2}) = \frac{1}{2} u'(x) e^{u(x)}
5

On en déduit une primitive de gg sur R\mathbb{R} :

G(x)=12ex2G(x) = \frac{1}{2} e^{x^2}

Piège classique · 29

On cherche une primitive sur R\mathbb{R} de la fonction h(x)=e3xh(x) = e^{3x}. Quelle est l'expression correcte ?

Attention

Multiplier par 33 au lieu de diviser par 33 en écrivant H(x)=3e3xH(x) = 3e^{3x}, par confusion entre dérivation et recherche de primitive.

À la place : La dérivation fait apparaître un facteur 33 : (e3x)′=3e3x(e^{3x})' = 3e^{3x}. Pour compenser ce facteur lors de l'intégration, il faut diviser par 33 : une primitive est H(x)=13e3xH(x) = \frac{1}{3}e^{3x}.

Exemple travaillé · 30

Calculer l'intégrale suivante : I=∫01xex2 dxI = \int_{0}^{1} x e^{x^2} \, dx.

1

On reconnaît la forme 12u′(x)eu(x)\frac{1}{2} u'(x) e^{u(x)} avec u(x)=x2u(x) = x^2, car (x2)′=2x(x^2)' = 2x.

2

Une primitive sur [0;1][0 ; 1] de la fonction intégrande est donc :

F(x)=12ex2F(x) = \frac{1}{2} e^{x^2}
3

On applique le théorème fondamental du calcul intégral :

I=[F(x)]01=F(1)−F(0)I = [F(x)]_0^1 = F(1) - F(0)
4

On évalue aux bornes en prenant garde à ne pas oublier e0=1e^0 = 1 :

I=12e12−12e02=12e−12=e−12I = \frac{1}{2} e^{1^2} - \frac{1}{2} e^{0^2} = \frac{1}{2} e - \frac{1}{2} = \frac{e - 1}{2}

Vérification · 31

Calculer la valeur exacte de l'intégrale J=∫01e−x dxJ = \int_{0}^{1} e^{-x} \, dx.

Remarque

Une primitive de e−xe^{-x} sur R\mathbb{R} est x↦−e−xx \mapsto -e^{-x}. On calcule donc J=[−e−x]01=−e−1−(−e0)=−e−1+1=1−e−1J = [-e^{-x}]_0^1 = -e^{-1} - (-e^0) = -e^{-1} + 1 = 1 - e^{-1}.

Point de départ · 32

Dans une fonction puissance usuelle comme x↦x3x \mapsto x^3, la variable xx est située à la base et l'exposant est un nombre fixe.

Que signifie l'écriture 3x3^x où la variable xx se trouve désormais à l'exposant, et comment peut-on la relier aux fonctions déjà étudiées ?

Pour donner un sens mathématique rigoureux à 3x3^x pour tout réel xx, on utilise la réciprocité entre le logarithme népérien et l'exponentielle : on pose 3x=exln⁡33^x = e^{x \ln 3}.

Définition · 33

Exponentielle de base aa et puissances rationnelles

Soit aa un réel strictement positif (a>0a > 0). Pour tout réel xx, la fonction exponentielle de base aa est définie par :

ax=exln⁡aa^x = e^{x \ln a}

La fonction fa:x↦axf_a : x \mapsto a^x est dérivable sur R\mathbb{R}. Par dérivation d'une fonction exponentielle composée, on obtient pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} :

fa′(x)=(ln⁡a)axf_a'(x) = (\ln a) a^x

Comme ax>0a^x > 0 pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, le signe de la dérivée dépend uniquement du signe de ln⁡a\ln a :

Si a>1,ln⁡a>0  ⟹  x↦ax est strictement croissante sur R\text{Si } a > 1, \quad \ln a > 0 \implies x \mapsto a^x \text{ est strictement croissante sur } \mathbb{R}
Si 0<a<1,ln⁡a<0  ⟹  x↦ax est strictement deˊcroissante sur R\text{Si } 0 < a < 1, \quad \ln a < 0 \implies x \mapsto a^x \text{ est strictement décroissante sur } \mathbb{R}

Remarque

Pour tout rationnel r∈Qr \in \mathbb{Q} et tout réel x>0x > 0, la puissance rationnelle xrx^r est définie de même par xr=erln⁡xx^r = e^{r \ln x}.

Exemple travaillé · 34

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=3xf(x) = 3^x. Justifier sa dérivabilité, calculer f′(x)f'(x) et déterminer son sens de variation.

1

On réécrit f(x)f(x) sous sa forme canonique en base népérienne :

f(x)=exln⁡3f(x) = e^{x \ln 3}
2

La fonction u:x↦xln⁡3u : x \mapsto x \ln 3 est dérivable sur R\mathbb{R} avec u′(x)=ln⁡3u'(x) = \ln 3.

3

On applique la règle de dérivation (eu)′=u′eu(e^u)' = u' e^u :

f′(x)=(ln⁡3)exln⁡3=(ln⁡3)⋅3xf'(x) = (\ln 3) e^{x \ln 3} = (\ln 3) \cdot 3^x
4

Comme 3>13 > 1, on a ln⁡3>0\ln 3 > 0. De plus, pour tout réel xx, 3x>03^x > 0.

5

Par produit de facteurs strictement positifs, f′(x)>0f'(x) > 0 pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}. La fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Piège classique · 35

Quelle est la dérivée de la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=5xg(x) = 5^x ?

Attention

Dériver 5x5^x comme s'il s'agissait d'une fonction puissance xnx^n en écrivant x⋅5x−1x \cdot 5^{x-1}.

À la place : La variable xx se trouve à l'exposant et non à la base : la formule (xn)′=nxn−1(x^n)' = n x^{n-1} ne s'applique pas. Il faut utiliser la forme 5x=exln⁡55^x = e^{x \ln 5}, dont la dérivée est (ln⁡5)⋅5x(\ln 5) \cdot 5^x.

Exemple travaillé · 36

Résoudre dans R\mathbb{R} l'inéquation : (12)x≤4\left(\frac{1}{2}\right)^x \le 4.

1

Comme les deux membres sont strictement positifs, on applique la fonction logarithme népérien, strictement croissante sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[ :

2
ln⁡((12)x)≤ln⁡4\ln\left(\left(\frac{1}{2}\right)^x\right) \le \ln 4
3

On utilise la propriété ln⁡(ax)=xln⁡a\ln(a^x) = x \ln a :

4
xln⁡(12)≤ln⁡4x \ln\left(\frac{1}{2}\right) \le \ln 4
5

On simplifie chaque logarithme : ln⁡(12)=−ln⁡2\ln\left(\frac{1}{2}\right) = -\ln 2 et ln⁡4=ln⁡(22)=2ln⁡2\ln 4 = \ln(2^2) = 2\ln 2 :

6
−xln⁡2≤2ln⁡2-x \ln 2 \le 2\ln 2
7

On divise par −ln⁡2-\ln 2. Comme ln⁡2>0\ln 2 > 0, −ln⁡2<0-\ln 2 < 0 : le sens de l'inégalité s'inverse :

8
x≥2ln⁡2−ln⁡2  ⟺  x≥−2x \ge \frac{2\ln 2}{-\ln 2} \iff x \ge -2
9

L'ensemble des solutions réelles est S=[−2  ;  +∞[S = [-2 \;;\; +\infty[.

Vérification · 37

Déterminer l'unique solution réelle de l'équation 10x=710^x = 7.

Remarque

En appliquant le logarithme népérien aux deux membres, on obtient ln⁡(10x)=ln⁡7\ln(10^x) = \ln 7, ce qui équivaut à xln⁡10=ln⁡7x \ln 10 = \ln 7. Comme ln⁡10≠0\ln 10 \neq 0, on en déduit x=ln⁡7ln⁡10x = \frac{\ln 7}{\ln 10}.

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