Pour tout entier n=−1, une primitive de x↦xn sur ]0;+∞[ est x↦n+1xn+1. Que se passe-t-il si l'on applique cette formule à la fonction inverse x↦x1=x−1 ?
Remarque
Pour n=−1, l'exposant n+1=0 conduit à une division par zéro : les fonctions puissances usuelles ne permettent pas de trouver une primitive de x↦x1.
Point de départ · 2
Puisque aucune fonction usuelle ne convient, comment appelle-t-on la fonction définie sur ]0;+∞[ dont la dérivée est x1 et qui s'annule en 1 ?
On introduit une nouvelle fonction appelée le logarithme népérien, notée ln. Ce symbole désigne exactement cette primitive manquante.
Définition · 3
Définition de la fonction logarithme népérien
La fonction ln est l’unique primitive de x↦x1 sur ]0;+∞[ qui s’annule en 1.
Dln=]0;+∞[
∀x∈]0;+∞[,(ln)′(x)=x1etln(1)=0
Pour tout x>0, la dérivée (ln)′(x)=x1 est strictement positive : la fonction ln est donc strictement croissante sur ]0;+∞[.
Remarque
Le réel e est l'unique antécédent de 1 par ln : on a ln(e)=1, avec e≈2,718.
Exemple travaillé · 4
Résoudre dans R l'inéquation ln(x)≤0.
1
On pose la condition d'existence du logarithme.
x∈]0;+∞[
2
On exprime 0 comme valeur de la fonction ln en utilisant ln(1)=0.
ln(x)≤ln(1)
3
La fonction ln étant strictement croissante sur ]0;+∞[, l'ordre est conservé.
x≤1
4
On intersecte cette condition avec le domaine de définition ]0;+∞[.
S=]0;1]
Piège classique · 5
Si un réel x vérifie ln(x)<0, à quel intervalle appartient nécessairement x ?
Attention
Conclure que x<0 en assimilant le signe de ln(x) au signe de la variable x.
À la place : La fonction ln n'est pas définie pour x≤0. Sur son domaine ]0;+∞[, ln(x)<0 équivaut à 0<x<1 car ln(1)=0 et ln est strictement croissante.
Exemple travaillé · 6
Déterminer une équation de la tangente (T) à la courbe représentative de la fonction ln au point d'abscisse 1.
1
On rappelle l'équation générale de la tangente en un point d'abscisse a=1.
y=(ln)′(1)(x−1)+ln(1)
2
On calcule les deux valeurs requises à l'aide de la définition de ln.
(ln)′(1)=11=1etln(1)=0
3
On remplace dans l'équation et on réduit l'expression.
y=1(x−1)+0⟺y=x−1
Vérification · 7
Complète les égalités fondamentales issues de la définition de la fonction ln :
Remarque
Pour tout x>0, la fonction ln vérifie (ln)′(x)=x1, ln(1)=0 et le nombre e vérifie par définition ln(e)=1.
Point de départ · 8
La fonction ln possède une propriété remarquable qui transforme les multiplications. À ton avis, quelle est la formule exacte pour tous réels a>0 et b>0 ?
Le logarithme transforme une multiplication en une addition : ln(a×b)=ln(a)+ln(b).
Définition · 9
Propriétés algébriques fondamentales
∀a>0,∀b>0,ln(a×b)=ln(a)+ln(b)
De cette règle découle le comportement du logarithme sur l'inverse, le quotient, les puissances et les racines carrées.
ln(b1)=−ln(b)etln(ba)=ln(a)−ln(b)
∀n∈Z,ln(an)=nln(a)etln(a)=21ln(a)
Exemple travaillé · 10
Écris ln(108) sous la forme aln(2)+bln(3), où a et b sont deux entiers relatifs.
1
On décompose 108 en produit de facteurs premiers.
108=4×27=22×33
2
On applique la propriété du produit pour séparer les facteurs.
ln(108)=ln(22×33)=ln(22)+ln(33)
3
On applique la règle de la puissance ln(xn)=nln(x) à chaque terme.
ln(22)=2ln(2)etln(33)=3ln(3)
4
On conclut en regroupant l'expression finale.
ln(108)=2ln(2)+3ln(3)
Piège classique · 11
Parmi les égalités suivantes écrites pour des réels strictement positifs, laquelle est fausse ?
Attention
Écrire ln(a+b)=ln(a)+ln(b) en appliquant la formule du produit à une addition.
À la place : Le logarithme transforme les produits en sommes, mais il n'existe aucune formule pour développer ln(a+b). En particulier, ln(3+5)=ln(8)=ln(3)+ln(5) car ln(3)+ln(5)=ln(15).
Exemple travaillé · 12
Exprime le réel A=ln(83) en fonction de ln(2) et ln(3).
1
On applique la propriété du quotient pour séparer le numérateur et le dénominateur.
A=ln(3)−ln(8)
2
On utilise la règle de la racine carrée sur le premier terme.
ln(3)=21ln(3)
3
On écrit 8=23, puis on applique la règle des puissances.
ln(8)=ln(23)=3ln(2)
4
On soustrait les deux termes pour obtenir l'écriture réduite.
A=21ln(3)−3ln(2)
Vérification · 13
Soit l'écriture ln(72)=aln(2)+bln(3). Détermine les entiers a et b :
Remarque
Comme 72=8×9=23×32, on a ln(72)=ln(23)+ln(32)=3ln(2)+2ln(3).
Point de départ · 14
Pour résoudre l'équation ln(2x−1)=ln(x+3), quelle est la toute première démarche indispensable ?
Le logarithme n'est défini que sur ]0;+∞[. Avant d'éliminer les logarithmes, il faut impérativement chercher les valeurs de x pour lesquelles 2x−1>0 et x+3>0.
Définition · 15
Résolution d'équations et inéquations logarithmiques
∀A>0,∀B>0,ln(A)=ln(B)⟺A=B
A>0etB>0
∀A>0,∀B>0,ln(A)<ln(B)⟺A<B
La stricte croissance de la fonction ln sur ]0;+∞[ conserve l'égalité et le sens des inégalités, sous réserve expresse que chaque membre soit strictement positif.
Exemple travaillé · 16
Résoudre dans R l'équation ln(x)+ln(x+1)=0.
1
On détermine l'ensemble de validité D en imposant la stricte positivité de chaque argument.
x>0etx+1>0⟺D=]0;+∞[
2
On applique la propriété du produit pour regrouper les logarithmes et on écrit 0=ln(1).
ln(x(x+1))=ln(1)
3
On applique l'équivalence ln(A)=ln(B)⟺A=B sur D.
x(x+1)=1⟺x2+x−1=0
4
Le discriminant vaut Δ=12−4(1)(−1)=5. Les racines du trinôme sont :
x1=2−1−5etx2=2−1+5
5
On confronte les racines trouvées avec le domaine D=]0;+∞[. Comme x1<0, x1∈/D. Seule la racine x2 est strictement positive.
S={2−1+5}
Piège classique · 17
Un élève résout 2ln(x)=ln(9). Il transforme l'équation en ln(x2)=ln(9), en déduit x2=9 et écrit S={−3;3}. Que penser de sa démarche ?
Attention
Conserver la solution négative −3 issue de la résolution de x2=9.
À la place : L'équation initiale comporte 2ln(x), ce qui impose x>0. Même si (−3)2=9>0, le réel −3 n'a pas d'image par ln. Seule la solution 3 est admissible : S={3}.
Exemple travaillé · 18
Résoudre dans R l'inéquation ln(x2−1)≤ln(3).
1
On détermine le domaine de validité : le trinôme sous le logarithme doit être strictement positif.
x2−1>0⟺x∈]−∞;−1[∪]1;+∞[
2
Par stricte croissance de la fonction ln sur ]0;+∞[, on compare directement les arguments.
x2−1≤3⟺x2≤4
3
On résout l'inégalité polynomiale.
x∈[−2;2]
4
On intersecte cet ensemble avec le domaine de validité D.
S=[−2;2]∩(]−∞;−1[∪]1;+∞[)=[−2;−1[∪]1;2]
Vérification · 19
Résous dans R l'équation ln(x−2)=ln(6−x) :
Remarque
Le domaine d'existence impose x−2>0 et 6−x>0, soit x∈]2;6[. On résout ensuite x−2=6−x⟺2x=8⟺x=4. Comme 4∈]2;6[, 4 est l'unique solution.
Point de départ · 20
On sait que (ln(x))′=x1. À ton avis, quelle est la dérivée de la fonction f(x)=ln(3x+1) sur ]0;+∞[ ?
Il s'agit d'une fonction composée : la règle de dérivation impose de multiplier par la dérivée de la fonction intérieure (3x+1)′=3. La dérivée est donc 3x+13 et non 3x+11.
Définition · 21
Dérivée de la fonction composée ln(u)
(ln∘u)′(x)=u(x)u′(x)
u est deˊrivable et strictement positive sur un intervalle I
Pour dériver ln(u(x)), on divise la dérivée de la fonction intérieure u′(x) par la fonction intérieure u(x).
Exemple travaillé · 22
Détermine le domaine de dérivabilité et la fonction dérivée de f(x)=ln(x2+2) sur R.
1
On pose u(x)=x2+2. On vérifie que u(x)>0 pour tout x∈R.
2
∀x∈R,x2≥0⟹x2+2≥2>0
3
La fonction polynôme u est dérivable et strictement positive sur R, donc f est dérivable sur R.
4
On calcule la dérivée intérieure : u′(x)=2x.
5
On applique la formule (ln(u))′=uu′.
6
f′(x)=x2+22x
Piège classique · 23
Quelle est la dérivée de la fonction g(x)=ln(5−2x) sur son domaine ]−∞;25[ ?
Attention
Oublier la dérivée intérieure u′(x) ou son signe négatif en écrivant g′(x)=5−2x1 ou g′(x)=5−2x2.
À la place : La fonction intérieure est u(x)=5−2x, de dérivée u′(x)=−2. La formule (ln(u))′=uu′ donne impérativement g′(x)=5−2x−2.
Exemple travaillé · 24
Soit la fonction f définie sur ]3;+∞[ par f(x)=ln(x2−4x+3). Calcule f′(x) et détermine le sens de variation de f.
1
On pose u(x)=x2−4x+3=(x−1)(x−3). Pour tout x>3, x−1>0 et x−3>0, donc u(x)>0.
2
On dérive le trinôme intérieur : u′(x)=2x−4.
3
On applique la règle de dérivation (ln(u))′=uu′.
4
f′(x)=x2−4x+32x−4
5
Comme le dénominateur u(x) est strictement positif sur ]3;+∞[, le signe de f′(x) est celui de son numérateur 2x−4.
6
Pour tout x>3, 2x>6, donc 2x−4>2>0. La fonction f est donc strictement croissante sur ]3;+∞[.
Vérification · 25
Soit la fonction h définie sur ]1;+∞[ par h(x)=ln(x3−1). Complète les coefficients de sa dérivée h′(x)=x3−1axn :
Remarque
Avec u(x)=x3−1, la dérivée intérieure est u′(x)=3x2. On obtient directement h′(x)=x3−13x2.
Point de départ · 26
Sur l'intervalle ]0;+∞[, une primitive de x↦x1 est x↦ln(x). Quelle est une primitive de cette même fonction sur l'intervalle ]−∞;0[ ?
Pour x<0, ln(x) n'existe pas car le logarithme n'accepte que des nombres strictement positifs. En revanche, −x>0 : en dérivant x↦ln(−x), la dérivée composée donne −x−1=x1. La primitive cherchée est donc x↦ln(−x).
Définition · 27
Primitives de la forme u'/u et rôle de la valeur absolue
Les primitives de x↦u(x)u′(x) sur un intervalle I sont les fonctions x↦ln∣u(x)∣+k,k∈R.
u est deˊrivable et ne s’annule pas sur I
Selon le signe de u(x) sur l'intervalle d'étude I :
ln∣u(x)∣={ln(u(x))ln(−u(x))si u(x)>0si u(x)<0
Exemple travaillé · 28
Détermine les primitives de la fonction f(x)=x2−1x sur l'intervalle I=]1;+∞[.
1
On pose u(x)=x2−1. Pour tout x>1, on a x2−1>0, donc u(x)>0 sur I.
2
On calcule la dérivée de u : u′(x)=2x.
3
On fait apparaître la dérivée exacte u′(x) au numérateur en ajustant par le coefficient 21 :
4
f(x)=21×x2−12x=21u(x)u′(x)
5
Comme u(x)>0 sur I, on a ∣u(x)∣=x2−1. Les primitives de f sur I sont donc :
6
F(x)=21ln(x2−1)+k,k∈R
Piège classique · 29
On cherche une primitive de la fonction g(x)=xln(x)1 sur l'intervalle ]0;1[. Quelle écriture est correcte ?
Attention
Écrire ln(ln(x)) en oubliant que pour tout x∈]0;1[, on a ln(x)<0.
À la place : Pour tout x∈]0;1[, ln(x)<0. En posant u(x)=ln(x), on a g(x)=u(x)u′(x). La primitive générale est ln∣u(x)∣. Comme u(x)<0, ∣u(x)∣=−ln(x), ce qui donne impérativement ln(−ln(x))+k.
Exemple travaillé · 30
Détermine la primitive F de f(x)=xln(x) sur ]0;+∞[ qui s'annule en 1.
1
On réécrit l'expression pour analyser sa structure opératoire :
2
f(x)=x1×ln(x)
3
En posant u(x)=ln(x), on a u′(x)=x1. L'expression est de la forme u′(x)⋅(u(x))1 (forme u′un avec n=1), et non de la forme uu′.
4
Une primitive de u′u est 21u2. L'ensemble des primitives de f s'écrit donc :
5
F(x)=21(ln(x))2+k,k∈R
6
On détermine la constante k avec la condition F(1)=0 :
7
F(1)=21(ln(1))2+k=0+k=0⟹k=0
8
L'unique primitive répondant à la condition est donc :
9
F(x)=21(ln(x))2
Vérification · 31
Pour la fonction f(x)=x+3+2x−11 sur I=]21;+∞[, complète les coefficients de sa primitive F(x)=ax2+bx+cln(2x−1) :
Remarque
Sur I, 2x−1>0. Les termes polynomiaux donnent 21x2+3x. Pour le terme rationnel, 2x−11=21×2x−12=21uu′, d'où c=21.
Point de départ · 32
Quand x tend vers +∞, x tend vers +∞ et ln(x) tend vers +∞. Que vaut la limite du quotient limx→+∞xln(x) ?
Bien qu'il s'agisse d'une forme indéterminée du type « ∞∞ », la fonction polynôme x↦x l'emporte sur la fonction logarithme : xln(x) tend vers 0 en +∞. C'est le théorème des croissances comparées.
Définition · 33
Limites aux bornes et croissances comparées
x→+∞limln(x)=+∞etx→0+limln(x)=−∞
x→+∞limxln(x)=0etx→0+limxln(x)=0
Ces résultats de croissance comparée se généralisent pour tout entier naturel non nul n :
x→+∞limxnln(x)=0etx→0+limxnln(x)=0
Remarque
Au point 1, le taux d'accroissement donne deux limites remarquables équivalentes : limx→1x−1ln(x)=1 et limh→0hln(1+h)=1.
Exemple travaillé · 34
Détermine la limite : limx→+∞(x−ln(x)).
1
En +∞, x→+∞ et ln(x)→+∞, ce qui donne une forme indéterminée du type « +∞−∞ ».
2
On factorise par le terme polynomial prépondérant x :
3
x−ln(x)=x(1−xln(x))
4
D'après le théorème des croissances comparées, limx→+∞xln(x)=0, donc le facteur entre parenthèses tend vers 1−0=1.
5
Par produit avec limx→+∞x=+∞, on conclut :
6
x→+∞lim(x−ln(x))=+∞
Piège classique · 35
Quelle est la valeur de la limite limx→+∞xln(1+x1) ?
Attention
Conclure à 0 en assimilant cette expression à la croissance comparée xln(x)→0 en 0.
À la place : Ici x→+∞ et x1→0. En posant le changement de variable u=x1, l'expression devient uln(1+u). Quand u→0, il s'agit du taux d'accroissement de la fonction ln en 1, dont la limite vaut 1 et non 0.
Exemple travaillé · 36
Détermine la limite : limx→1x2−1ln(x).
1
En évaluant en x=1, on obtient 12−1ln(1)=00, ce qui est une forme indéterminée.
2
On factorise le dénominateur à l'aide de l'identité remarquable x2−1=(x−1)(x+1) :
3
x2−1ln(x)=x−1ln(x)×x+11
4
On applique la limite remarquable du taux d'accroissement en 1 : limx→1x−1ln(x)=1.
5
Comme limx→1x+11=21, on conclut par produit de limites :
6
x→1limx2−1ln(x)=1×21=21
Vérification · 37
En utilisant les croissances comparées, détermine la valeur de la limite limx→0+x2(1−ln(x)) :
Remarque
En développant l'expression, on obtient x2(1−ln(x))=x2−x2ln(x). Quand x→0+, limx→0+x2=0 et d'après le théorème des croissances comparées limx→0+x2ln(x)=0. Par différence, la limite vaut 0.
Point de départ · 38
Soit f une fonction continue et strictement croissante telle que f(1)=2 et f′(1)=3. La courbe de sa bijection réciproque f−1 passe par le point (2;1). Quelle est la pente de la tangente à la courbe de f−1 en ce point d'abscisse 2 ?
La courbe de f−1 est la symétrique de celle de f par rapport à la droite d'équation y=x. Les pentes des tangentes se répondent par inversion : en l'abscisse 2, le coefficient directeur vaut f′(1)1=31, et non f′(2)1.
Définition · 39
Théorème de la bijection et dérivée de la fonction réciproque
Si f est continue et strictement monotone sur I, alors f reˊalise une bijection de I sur J=f(I).
(f−1)′(y0)=f′(x0)1=f′(f−1(y0))1
f(x0)=y0etf′(x0)=0
Remarque
Si f′(x0)=0, la courbe de f présente une tangente horizontale en (x0;y0) : la courbe symétrique de f−1 admet alors une tangente verticale en (y0;x0), et f−1 n'est pas dérivable en y0.
Exemple travaillé · 40
Soit f(x)=ln(x)−1ln(x)−2 définie sur ]0;e[. On admet que f est une bijection de ]0;e[ sur ]1;+∞[ et que f′(x)=x(ln(x)−1)21. Calcule (f−1)′(2).
1
On détermine d'abord l'antécédent x0∈]0;e[ tel que f(x0)=2.
2
ln(x0)−1ln(x0)−2=2⟺ln(x0)−2=2ln(x0)−2
3
ln(x0)=0⟺x0=1
4
Comme 1∈]0;e[, on a bien f−1(2)=1.
5
On évalue la dérivée f′ en cet antécédent x0=1 :
6
f′(1)=1×(ln(1)−1)21=1×(−1)21=1
7
Comme f′(1)=1=0, la fonction f−1 est dérivable en 2 et :
8
(f−1)′(2)=f′(1)1=11=1
Piège classique · 41
Soit g une fonction dérivable et bijective sur ]0;+∞[ vérifiant g(1)=3, g(3)=7, g′(1)=0 et g′(3)=5. La fonction réciproque g−1 est-elle dérivable en 3 ?
Attention
Affirmer que (g−1)′(3)=g′(3)1=51 en évaluant la dérivée g′ directement en la valeur cible 3.
À la place : Pour étudier la dérivabilité de g−1 en 3, on cherche l'antécédent x0 tel que g(x0)=3. L'énoncé donne g(1)=3, donc x0=1. Comme g′(1)=0, la courbe de g possède une tangente horizontale en (1;3), ce qui donne une tangente verticale pour g−1 en (3;1) : g−1 n'est pas dérivable en 3.
Exemple travaillé · 42
Soit α>0 un réel annulant la fonction auxiliaire g(x)=1+x2−2x2ln(x), c'est-à-dire vérifiant 1+α2−2α2ln(α)=0. On pose f(x)=1+x2ln(x). Exprime f(α) sans aucun logarithme, uniquement sous forme rationnelle en α.
1
On part de la relation caractéristique g(α)=0 pour isoler ln(α) :
2
1+α2−2α2ln(α)=0⟺2α2ln(α)=1+α2
3
Comme α>0, le terme 2α2 est non nul. On exprime ln(α) :
4
ln(α)=2α21+α2
5
On substitue cette expression de ln(α) directement dans la formule de f(α) :
6
f(α)=1+α2ln(α)=1+α22α21+α2
7
On simplifie par le facteur non nul (1+α2) pour obtenir l'écriture rationnelle finale :
8
f(α)=2α21
Vérification · 43
Soit f une fonction strictement croissante sur ]0;+∞[ telle que f(e)=2 et f′(e)=e1. Détermine le nombre dérivé (f−1)′(2) :
Remarque
Comme f(e)=2, l'antécédent de 2 par f est e. On applique la formule de dérivation de la réciproque : (f−1)′(2)=f′(e)1=e11=e.
Point de départ · 44
Pour mesurer des grandeurs physiques (comme les décibels ou le pH), on utilise une fonction logarithme adaptée aux puissances de 10. À ton avis, si log(x)=ln(10)ln(x), que vaut log(100)=log(102) ?
Comme log(10p)=p, le logarithme décimal compte directement la puissance de 10 : log(100)=log(102)=2.
Définition · 45
Fonction logarithme décimal
∀x>0,log(x)=ln(10)ln(x)
Dlog=]0;+∞[
log(1)=0,log(10)=1et∀p∈Z,log(10p)=p
Pour tous réels x>0 et y>0, la fonction log vérifie les mêmes propriétés algébriques que ln : log(xy)=log(x)+log(y) et log(yx)=log(x)−log(y).
Remarque
Si un nombre s'écrit en notation scientifique x=a×10p avec 1≤a<10 et p∈Z, alors log(x)=p+log(a), où p est la partie entière de log(x) et log(a)∈[0;1[ sa partie décimale.
Exemple travaillé · 46
Sans calculatrice, déterminer la partie entière du réel log(42500).
1
On écrit le nombre 42500 sous sa forme scientifique standard a×10p avec 1≤a<10.
2
42500=4,25×104
3
On applique les propriétés du logarithme décimal à ce produit.
Comme 1≤4,25<10 et que la fonction log est strictement croissante avec log(1)=0 et log(10)=1, on encadre le terme décimal.
6
0≤log(4,25)<1
7
On en déduit l'encadrement de log(42500) entre deux entiers consécutifs.
8
4≤log(42500)<5
9
La partie entière de log(42500) est le plus grand entier inférieur ou égal à ce nombre : c'est l'exposant 4.
Piège classique · 47
Quelle est la partie entière du réel log(0,0073) ?
Attention
Tronquer vers zéro en répondant −2, en voyant que log(0,0073)≈−2,14.
À la place : En écriture scientifique, 0,0073=7,3×10−3, d'où log(0,0073)=−3+log(7,3). Comme 0<log(7,3)<1, on a −3<log(0,0073)<−2. La partie entière d'un nombre négatif est l'entier inférieur : elle vaut −3 et non −2.
Exemple travaillé · 48
Le niveau sonore en décibels d'un son d'intensité I est donné par d(I)=10log(I0I). Calcule la hausse de niveau sonore d(I2)−d(I1) lorsque l'intensité double (I2=2I1), sachant que log(2)≈0,301.
1
On exprime la différence des niveaux sonores à partir de la définition.
2
d(I2)−d(I1)=10log(I0I2)−10log(I0I1)
3
On factorise par 10 et on applique la propriété du quotient log(a)−log(b)=log(a/b).