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Logarithme népérien — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Pour tout entier n1n \neq -1, une primitive de xxnx \mapsto x^n sur ]0;+[]0 ; +\infty[ est xxn+1n+1x \mapsto \frac{x^{n+1}}{n+1}. Que se passe-t-il si l'on applique cette formule à la fonction inverse x1x=x1x \mapsto \frac{1}{x} = x^{-1} ?

Remarque

Pour n=1n = -1, l'exposant n+1=0n+1 = 0 conduit à une division par zéro : les fonctions puissances usuelles ne permettent pas de trouver une primitive de x1xx \mapsto \frac{1}{x}.

Point de départ · 2

Puisque aucune fonction usuelle ne convient, comment appelle-t-on la fonction définie sur ]0;+[]0 ; +\infty[ dont la dérivée est 1x\frac{1}{x} et qui s'annule en 11 ?

On introduit une nouvelle fonction appelée le logarithme népérien, notée ln\ln. Ce symbole désigne exactement cette primitive manquante.

Définition · 3

Définition de la fonction logarithme népérien

La fonction ln est l’unique primitive de x1x sur ]0;+[ qui s’annule en 1.\text{La fonction } \ln \text{ est l'unique primitive de } x \mapsto \frac{1}{x} \text{ sur } ]0 ; +\infty[ \text{ qui s'annule en } 1.

Dln=]0;+[D_{\ln} = ]0 ; +\infty[
x]0;+[,(ln)(x)=1xetln(1)=0\forall x \in ]0 ; +\infty[, \quad (\ln)'(x) = \frac{1}{x} \quad \text{et} \quad \ln(1) = 0

Pour tout x>0x > 0, la dérivée (ln)(x)=1x(\ln)'(x) = \frac{1}{x} est strictement positive : la fonction ln\ln est donc strictement croissante sur ]0;+[]0 ; +\infty[.

Remarque

Le réel ee est l'unique antécédent de 11 par ln\ln : on a ln(e)=1\ln(e) = 1, avec e2,718e \approx 2{,}718.

Exemple travaillé · 4

Résoudre dans R\mathbb{R} l'inéquation ln(x)0\ln(x) \le 0.

1

On pose la condition d'existence du logarithme.

x]0;+[x \in ]0 ; +\infty[
2

On exprime 00 comme valeur de la fonction ln\ln en utilisant ln(1)=0\ln(1) = 0.

ln(x)ln(1)\ln(x) \le \ln(1)
3

La fonction ln\ln étant strictement croissante sur ]0;+[]0 ; +\infty[, l'ordre est conservé.

x1x \le 1
4

On intersecte cette condition avec le domaine de définition ]0;+[]0 ; +\infty[.

S=]0;1]S = ]0 ; 1]

Piège classique · 5

Si un réel xx vérifie ln(x)<0\ln(x) < 0, à quel intervalle appartient nécessairement xx ?

Attention

Conclure que x<0x < 0 en assimilant le signe de ln(x)\ln(x) au signe de la variable xx.

À la place : La fonction ln\ln n'est pas définie pour x0x \le 0. Sur son domaine ]0;+[]0 ; +\infty[, ln(x)<0\ln(x) < 0 équivaut à 0<x<10 < x < 1 car ln(1)=0\ln(1) = 0 et ln\ln est strictement croissante.

Exemple travaillé · 6

Déterminer une équation de la tangente (T)(T) à la courbe représentative de la fonction ln\ln au point d'abscisse 11.

1

On rappelle l'équation générale de la tangente en un point d'abscisse a=1a = 1.

y=(ln)(1)(x1)+ln(1)y = (\ln)'(1)(x - 1) + \ln(1)
2

On calcule les deux valeurs requises à l'aide de la définition de ln\ln.

(ln)(1)=11=1etln(1)=0(\ln)'(1) = \frac{1}{1} = 1 \quad \text{et} \quad \ln(1) = 0
3

On remplace dans l'équation et on réduit l'expression.

y=1(x1)+0    y=x1y = 1(x - 1) + 0 \iff y = x - 1

Vérification · 7

Complète les égalités fondamentales issues de la définition de la fonction ln\ln :

Remarque

Pour tout x>0x > 0, la fonction ln\ln vérifie (ln)(x)=1x(\ln)'(x) = \frac{1}{x}, ln(1)=0\ln(1) = 0 et le nombre ee vérifie par définition ln(e)=1\ln(e) = 1.

Point de départ · 8

La fonction ln\ln possède une propriété remarquable qui transforme les multiplications. À ton avis, quelle est la formule exacte pour tous réels a>0a > 0 et b>0b > 0 ?

Le logarithme transforme une multiplication en une addition : ln(a×b)=ln(a)+ln(b)\ln(a \times b) = \ln(a) + \ln(b).

Définition · 9

Propriétés algébriques fondamentales

a>0,  b>0,ln(a×b)=ln(a)+ln(b)\forall a > 0, \; \forall b > 0, \quad \ln(a \times 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(1b)=ln(b)etln(ab)=ln(a)ln(b)\ln\left(\frac{1}{b}\right) = -\ln(b) \quad \text{et} \quad \ln\left(\frac{a}{b}\right) = \ln(a) - \ln(b)

nZ,ln(an)=nln(a)etln(a)=12ln(a)\forall n \in \mathbb{Z}, \quad \ln(a^n) = n\ln(a) \quad \text{et} \quad \ln(\sqrt{a}) = \frac{1}{2}\ln(a)

Exemple travaillé · 10

Écris ln(108)\ln(108) sous la forme aln(2)+bln(3)a\ln(2) + b\ln(3), où aa et bb sont deux entiers relatifs.

1

On décompose 108108 en produit de facteurs premiers.

108=4×27=22×33108 = 4 \times 27 = 2^2 \times 3^3
2

On applique la propriété du produit pour séparer les facteurs.

ln(108)=ln(22×33)=ln(22)+ln(33)\ln(108) = \ln(2^2 \times 3^3) = \ln(2^2) + \ln(3^3)
3

On applique la règle de la puissance ln(xn)=nln(x)\ln(x^n) = n\ln(x) à chaque terme.

ln(22)=2ln(2)etln(33)=3ln(3)\ln(2^2) = 2\ln(2) \quad \text{et} \quad \ln(3^3) = 3\ln(3)
4

On conclut en regroupant l'expression finale.

ln(108)=2ln(2)+3ln(3)\ln(108) = 2\ln(2) + 3\ln(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)\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)\ln(a+b). En particulier, ln(3+5)=ln(8)ln(3)+ln(5)\ln(3+5) = \ln(8) \neq \ln(3) + \ln(5) car ln(3)+ln(5)=ln(15)\ln(3) + \ln(5) = \ln(15).

Exemple travaillé · 12

Exprime le réel A=ln(38)A = \ln\left(\frac{\sqrt{3}}{8}\right) en fonction de ln(2)\ln(2) et ln(3)\ln(3).

1

On applique la propriété du quotient pour séparer le numérateur et le dénominateur.

A=ln(3)ln(8)A = \ln(\sqrt{3}) - \ln(8)
2

On utilise la règle de la racine carrée sur le premier terme.

ln(3)=12ln(3)\ln(\sqrt{3}) = \frac{1}{2}\ln(3)
3

On écrit 8=238 = 2^3, puis on applique la règle des puissances.

ln(8)=ln(23)=3ln(2)\ln(8) = \ln(2^3) = 3\ln(2)
4

On soustrait les deux termes pour obtenir l'écriture réduite.

A=12ln(3)3ln(2)A = \frac{1}{2}\ln(3) - 3\ln(2)

Vérification · 13

Soit l'écriture ln(72)=aln(2)+bln(3)\ln(72) = a\ln(2) + b\ln(3). Détermine les entiers aa et bb :

Remarque

Comme 72=8×9=23×3272 = 8 \times 9 = 2^3 \times 3^2, on a ln(72)=ln(23)+ln(32)=3ln(2)+2ln(3)\ln(72) = \ln(2^3) + \ln(3^2) = 3\ln(2) + 2\ln(3).

Point de départ · 14

Pour résoudre l'équation ln(2x1)=ln(x+3)\ln(2x - 1) = \ln(x + 3), quelle est la toute première démarche indispensable ?

Le logarithme n'est défini que sur ]0;+[]0 ; +\infty[. Avant d'éliminer les logarithmes, il faut impérativement chercher les valeurs de xx pour lesquelles 2x1>02x - 1 > 0 et x+3>0x + 3 > 0.

Définition · 15

Résolution d'équations et inéquations logarithmiques

A>0,  B>0,ln(A)=ln(B)    A=B\forall A > 0, \; \forall B > 0, \quad \ln(A) = \ln(B) \iff A = B

A>0etB>0A > 0 \quad \text{et} \quad B > 0

A>0,  B>0,ln(A)<ln(B)    A<B\forall A > 0, \; \forall B > 0, \quad \ln(A) < \ln(B) \iff A < B

La stricte croissance de la fonction ln\ln sur ]0;+[]0 ; +\infty[ conserve l'égalité et le sens des inégalités, sous réserve expresse que chaque membre soit strictement positif.

Exemple travaillé · 16

Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation ln(x)+ln(x+1)=0\ln(x) + \ln(x + 1) = 0.

1

On détermine l'ensemble de validité DD en imposant la stricte positivité de chaque argument.

x>0etx+1>0    D=]0;+[x > 0 \quad \text{et} \quad x + 1 > 0 \iff D = ]0 ; +\infty[
2

On applique la propriété du produit pour regrouper les logarithmes et on écrit 0=ln(1)0 = \ln(1).

ln(x(x+1))=ln(1)\ln(x(x + 1)) = \ln(1)
3

On applique l'équivalence ln(A)=ln(B)    A=B\ln(A) = \ln(B) \iff A = B sur DD.

x(x+1)=1    x2+x1=0x(x + 1) = 1 \iff x^2 + x - 1 = 0
4

Le discriminant vaut Δ=124(1)(1)=5\Delta = 1^2 - 4(1)(-1) = 5. Les racines du trinôme sont :

x1=152etx2=1+52x_1 = \frac{-1 - \sqrt{5}}{2} \quad \text{et} \quad x_2 = \frac{-1 + \sqrt{5}}{2}
5

On confronte les racines trouvées avec le domaine D=]0;+[D = ]0 ; +\infty[. Comme x1<0x_1 < 0, x1Dx_1 \notin D. Seule la racine x2x_2 est strictement positive.

S={1+52}S = \left\{ \frac{-1 + \sqrt{5}}{2} \right\}

Piège classique · 17

Un élève résout 2ln(x)=ln(9)2\ln(x) = \ln(9). Il transforme l'équation en ln(x2)=ln(9)\ln(x^2) = \ln(9), en déduit x2=9x^2 = 9 et écrit S={3;3}S = \{-3 ; 3\}. Que penser de sa démarche ?

Attention

Conserver la solution négative 3-3 issue de la résolution de x2=9x^2 = 9.

À la place : L'équation initiale comporte 2ln(x)2\ln(x), ce qui impose x>0x > 0. Même si (3)2=9>0(-3)^2 = 9 > 0, le réel 3-3 n'a pas d'image par ln\ln. Seule la solution 33 est admissible : S={3}S = \{3\}.

Exemple travaillé · 18

Résoudre dans R\mathbb{R} l'inéquation ln(x21)ln(3)\ln(x^2 - 1) \le \ln(3).

1

On détermine le domaine de validité : le trinôme sous le logarithme doit être strictement positif.

x21>0    x];1[    ]1;+[x^2 - 1 > 0 \iff x \in ]-\infty ; -1[ \;\cup\; ]1 ; +\infty[
2

Par stricte croissance de la fonction ln\ln sur ]0;+[]0 ; +\infty[, on compare directement les arguments.

x213    x24x^2 - 1 \le 3 \iff x^2 \le 4
3

On résout l'inégalité polynomiale.

x[2;2]x \in [-2 ; 2]
4

On intersecte cet ensemble avec le domaine de validité DD.

S=[2;2](];1[    ]1;+[)=[2;1[    ]1;2]S = [-2 ; 2] \cap (]-\infty ; -1[ \;\cup\; ]1 ; +\infty[) = [-2 ; -1[ \;\cup\; ]1 ; 2]

Vérification · 19

Résous dans R\mathbb{R} l'équation ln(x2)=ln(6x)\ln(x - 2) = \ln(6 - x) :

Remarque

Le domaine d'existence impose x2>0x - 2 > 0 et 6x>06 - x > 0, soit x]2;6[x \in ]2 ; 6[. On résout ensuite x2=6x    2x=8    x=4x - 2 = 6 - x \iff 2x = 8 \iff x = 4. Comme 4]2;6[4 \in ]2 ; 6[, 44 est l'unique solution.

Point de départ · 20

On sait que (ln(x))=1x(\ln(x))' = \frac{1}{x}. À ton avis, quelle est la dérivée de la fonction f(x)=ln(3x+1)f(x) = \ln(3x + 1) sur ]0;+[]0 ; +\infty[ ?

Il s'agit d'une fonction composée : la règle de dérivation impose de multiplier par la dérivée de la fonction intérieure (3x+1)=3(3x + 1)' = 3. La dérivée est donc 33x+1\frac{3}{3x + 1} et non 13x+1\frac{1}{3x + 1}.

Définition · 21

Dérivée de la fonction composée ln(u)

(lnu)(x)=u(x)u(x)(\ln \circ u)'(x) = \frac{u'(x)}{u(x)}

u est deˊrivable et strictement positive sur un intervalle Iu \text{ est dérivable et strictement positive sur un intervalle } I

Pour dériver ln(u(x))\ln(u(x)), on divise la dérivée de la fonction intérieure u(x)u'(x) par la fonction intérieure u(x)u(x).

Exemple travaillé · 22

Détermine le domaine de dérivabilité et la fonction dérivée de f(x)=ln(x2+2)f(x) = \ln(x^2 + 2) sur R\mathbb{R}.

1

On pose u(x)=x2+2u(x) = x^2 + 2. On vérifie que u(x)>0u(x) > 0 pour tout xRx \in \mathbb{R}.

2
xR,x20    x2+22>0\forall x \in \mathbb{R}, \quad x^2 \ge 0 \implies x^2 + 2 \ge 2 > 0
3

La fonction polynôme uu est dérivable et strictement positive sur R\mathbb{R}, donc ff est dérivable sur R\mathbb{R}.

4

On calcule la dérivée intérieure : u(x)=2xu'(x) = 2x.

5

On applique la formule (ln(u))=uu(\ln(u))' = \frac{u'}{u}.

6
f(x)=2xx2+2f'(x) = \frac{2x}{x^2 + 2}

Piège classique · 23

Quelle est la dérivée de la fonction g(x)=ln(52x)g(x) = \ln(5 - 2x) sur son domaine ];52[]-\infty ; \frac{5}{2}[ ?

Attention

Oublier la dérivée intérieure u(x)u'(x) ou son signe négatif en écrivant g(x)=152xg'(x) = \frac{1}{5 - 2x} ou g(x)=252xg'(x) = \frac{2}{5 - 2x}.

À la place : La fonction intérieure est u(x)=52xu(x) = 5 - 2x, de dérivée u(x)=2u'(x) = -2. La formule (ln(u))=uu(\ln(u))' = \frac{u'}{u} donne impérativement g(x)=252xg'(x) = \frac{-2}{5 - 2x}.

Exemple travaillé · 24

Soit la fonction ff définie sur ]3;+[]3 ; +\infty[ par f(x)=ln(x24x+3)f(x) = \ln(x^2 - 4x + 3). Calcule f(x)f'(x) et détermine le sens de variation de ff.

1

On pose u(x)=x24x+3=(x1)(x3)u(x) = x^2 - 4x + 3 = (x - 1)(x - 3). Pour tout x>3x > 3, x1>0x - 1 > 0 et x3>0x - 3 > 0, donc u(x)>0u(x) > 0.

2

On dérive le trinôme intérieur : u(x)=2x4u'(x) = 2x - 4.

3

On applique la règle de dérivation (ln(u))=uu(\ln(u))' = \frac{u'}{u}.

4
f(x)=2x4x24x+3f'(x) = \frac{2x - 4}{x^2 - 4x + 3}
5

Comme le dénominateur u(x)u(x) est strictement positif sur ]3;+[]3 ; +\infty[, le signe de f(x)f'(x) est celui de son numérateur 2x42x - 4.

6

Pour tout x>3x > 3, 2x>62x > 6, donc 2x4>2>02x - 4 > 2 > 0. La fonction ff est donc strictement croissante sur ]3;+[]3 ; +\infty[.

Vérification · 25

Soit la fonction hh définie sur ]1;+[]1 ; +\infty[ par h(x)=ln(x31)h(x) = \ln(x^3 - 1). Complète les coefficients de sa dérivée h(x)=axnx31h'(x) = \frac{a x^n}{x^3 - 1} :

Remarque

Avec u(x)=x31u(x) = x^3 - 1, la dérivée intérieure est u(x)=3x2u'(x) = 3x^2. On obtient directement h(x)=3x2x31h'(x) = \frac{3x^2}{x^3 - 1}.

Point de départ · 26

Sur l'intervalle ]0;+[]0 ; +\infty[, une primitive de x1xx \mapsto \frac{1}{x} est xln(x)x \mapsto \ln(x). Quelle est une primitive de cette même fonction sur l'intervalle ];0[]-\infty ; 0[ ?

Pour x<0x < 0, ln(x)\ln(x) n'existe pas car le logarithme n'accepte que des nombres strictement positifs. En revanche, x>0-x > 0 : en dérivant xln(x)x \mapsto \ln(-x), la dérivée composée donne 1x=1x\frac{-1}{-x} = \frac{1}{x}. La primitive cherchée est donc xln(x)x \mapsto \ln(-x).

Définition · 27

Primitives de la forme u'/u et rôle de la valeur absolue

Les primitives de xu(x)u(x) sur un intervalle I sont les fonctions xlnu(x)+k,  kR.\text{Les primitives de } x \mapsto \frac{u'(x)}{u(x)} \text{ sur un intervalle } I \text{ sont les fonctions } x \mapsto \ln|u(x)| + k, \; k \in \mathbb{R}.

u est deˊrivable et ne s’annule pas sur Iu \text{ est dérivable et ne s'annule pas sur } I

Selon le signe de u(x)u(x) sur l'intervalle d'étude II :

lnu(x)={ln(u(x))si u(x)>0ln(u(x))si u(x)<0\ln|u(x)| = \begin{cases} \ln(u(x)) & \text{si } u(x) > 0 \\ \ln(-u(x)) & \text{si } u(x) < 0 \end{cases}

Exemple travaillé · 28

Détermine les primitives de la fonction f(x)=xx21f(x) = \frac{x}{x^2 - 1} sur l'intervalle I=]1;+[I = ]1 ; +\infty[.

1

On pose u(x)=x21u(x) = x^2 - 1. Pour tout x>1x > 1, on a x21>0x^2 - 1 > 0, donc u(x)>0u(x) > 0 sur II.

2

On calcule la dérivée de uu : u(x)=2xu'(x) = 2x.

3

On fait apparaître la dérivée exacte u(x)u'(x) au numérateur en ajustant par le coefficient 12\frac{1}{2} :

4
f(x)=12×2xx21=12u(x)u(x)f(x) = \frac{1}{2} \times \frac{2x}{x^2 - 1} = \frac{1}{2} \frac{u'(x)}{u(x)}
5

Comme u(x)>0u(x) > 0 sur II, on a u(x)=x21|u(x)| = x^2 - 1. Les primitives de ff sur II sont donc :

6
F(x)=12ln(x21)+k,kRF(x) = \frac{1}{2}\ln(x^2 - 1) + k, \quad k \in \mathbb{R}

Piège classique · 29

On cherche une primitive de la fonction g(x)=1xln(x)g(x) = \frac{1}{x\ln(x)} sur l'intervalle ]0;1[]0 ; 1[. Quelle écriture est correcte ?

Attention

Écrire ln(ln(x))\ln(\ln(x)) en oubliant que pour tout x]0;1[x \in ]0 ; 1[, on a ln(x)<0\ln(x) < 0.

À la place : Pour tout x]0;1[x \in ]0 ; 1[, ln(x)<0\ln(x) < 0. En posant u(x)=ln(x)u(x) = \ln(x), on a g(x)=u(x)u(x)g(x) = \frac{u'(x)}{u(x)}. La primitive générale est lnu(x)\ln|u(x)|. Comme u(x)<0u(x) < 0, u(x)=ln(x)|u(x)| = -\ln(x), ce qui donne impérativement ln(ln(x))+k\ln(-\ln(x)) + k.

Exemple travaillé · 30

Détermine la primitive FF de f(x)=ln(x)xf(x) = \frac{\ln(x)}{x} sur ]0;+[]0 ; +\infty[ qui s'annule en 11.

1

On réécrit l'expression pour analyser sa structure opératoire :

2
f(x)=1x×ln(x)f(x) = \frac{1}{x} \times \ln(x)
3

En posant u(x)=ln(x)u(x) = \ln(x), on a u(x)=1xu'(x) = \frac{1}{x}. L'expression est de la forme u(x)(u(x))1u'(x) \cdot (u(x))^1 (forme uunu'u^n avec n=1n=1), et non de la forme uu\frac{u'}{u}.

4

Une primitive de uuu'u est 12u2\frac{1}{2}u^2. L'ensemble des primitives de ff s'écrit donc :

5
F(x)=12(ln(x))2+k,kRF(x) = \frac{1}{2}(\ln(x))^2 + k, \quad k \in \mathbb{R}
6

On détermine la constante kk avec la condition F(1)=0F(1) = 0 :

7
F(1)=12(ln(1))2+k=0+k=0    k=0F(1) = \frac{1}{2}(\ln(1))^2 + k = 0 + k = 0 \implies k = 0
8

L'unique primitive répondant à la condition est donc :

9
F(x)=12(ln(x))2F(x) = \frac{1}{2}(\ln(x))^2

Vérification · 31

Pour la fonction f(x)=x+3+12x1f(x) = x + 3 + \frac{1}{2x - 1} sur I=]12;+[I = ]\frac{1}{2} ; +\infty[, complète les coefficients de sa primitive F(x)=ax2+bx+cln(2x1)F(x) = a x^2 + b x + c\ln(2x - 1) :

Remarque

Sur II, 2x1>02x - 1 > 0. Les termes polynomiaux donnent 12x2+3x\frac{1}{2}x^2 + 3x. Pour le terme rationnel, 12x1=12×22x1=12uu\frac{1}{2x - 1} = \frac{1}{2} \times \frac{2}{2x - 1} = \frac{1}{2} \frac{u'}{u}, d'où c=12c = \frac{1}{2}.

Point de départ · 32

Quand xx tend vers ++\infty, xx tend vers ++\infty et ln(x)\ln(x) tend vers ++\infty. Que vaut la limite du quotient limx+ln(x)x\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x} ?

Bien qu'il s'agisse d'une forme indéterminée du type « \frac{\infty}{\infty} », la fonction polynôme xxx \mapsto x l'emporte sur la fonction logarithme : ln(x)x\frac{\ln(x)}{x} tend vers 00 en ++\infty. C'est le théorème des croissances comparées.

Définition · 33

Limites aux bornes et croissances comparées

limx+ln(x)=+etlimx0+ln(x)=\lim_{x \to +\infty} \ln(x) = +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 0^+} \ln(x) = -\infty

limx+ln(x)x=0etlimx0+xln(x)=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 0^+} x\ln(x) = 0

Ces résultats de croissance comparée se généralisent pour tout entier naturel non nul nn :

limx+ln(x)xn=0etlimx0+xnln(x)=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x^n} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 0^+} x^n\ln(x) = 0

Remarque

Au point 11, le taux d'accroissement donne deux limites remarquables équivalentes : limx1ln(x)x1=1\lim_{x \to 1} \frac{\ln(x)}{x - 1} = 1 et limh0ln(1+h)h=1\lim_{h \to 0} \frac{\ln(1 + h)}{h} = 1.

Exemple travaillé · 34

Détermine la limite : limx+(xln(x))\lim_{x \to +\infty} (x - \ln(x)).

1

En ++\infty, x+x \to +\infty et ln(x)+\ln(x) \to +\infty, ce qui donne une forme indéterminée du type « ++\infty - \infty ».

2

On factorise par le terme polynomial prépondérant xx :

3
xln(x)=x(1ln(x)x)x - \ln(x) = x\left(1 - \frac{\ln(x)}{x}\right)
4

D'après le théorème des croissances comparées, limx+ln(x)x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x} = 0, donc le facteur entre parenthèses tend vers 10=11 - 0 = 1.

5

Par produit avec limx+x=+\lim_{x \to +\infty} x = +\infty, on conclut :

6
limx+(xln(x))=+\lim_{x \to +\infty} (x - \ln(x)) = +\infty

Piège classique · 35

Quelle est la valeur de la limite limx+xln(1+1x)\lim_{x \to +\infty} x \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) ?

Attention

Conclure à 00 en assimilant cette expression à la croissance comparée xln(x)0x\ln(x) \to 0 en 00.

À la place : Ici x+x \to +\infty et 1x0\frac{1}{x} \to 0. En posant le changement de variable u=1xu = \frac{1}{x}, l'expression devient ln(1+u)u\frac{\ln(1 + u)}{u}. Quand u0u \to 0, il s'agit du taux d'accroissement de la fonction ln\ln en 11, dont la limite vaut 11 et non 00.

Exemple travaillé · 36

Détermine la limite : limx1ln(x)x21\lim_{x \to 1} \frac{\ln(x)}{x^2 - 1}.

1

En évaluant en x=1x = 1, on obtient ln(1)121=00\frac{\ln(1)}{1^2 - 1} = \frac{0}{0}, ce qui est une forme indéterminée.

2

On factorise le dénominateur à l'aide de l'identité remarquable x21=(x1)(x+1)x^2 - 1 = (x - 1)(x + 1) :

3
ln(x)x21=ln(x)x1×1x+1\frac{\ln(x)}{x^2 - 1} = \frac{\ln(x)}{x - 1} \times \frac{1}{x + 1}
4

On applique la limite remarquable du taux d'accroissement en 11 : limx1ln(x)x1=1\lim_{x \to 1} \frac{\ln(x)}{x - 1} = 1.

5

Comme limx11x+1=12\lim_{x \to 1} \frac{1}{x + 1} = \frac{1}{2}, on conclut par produit de limites :

6
limx1ln(x)x21=1×12=12\lim_{x \to 1} \frac{\ln(x)}{x^2 - 1} = 1 \times \frac{1}{2} = \frac{1}{2}

Vérification · 37

En utilisant les croissances comparées, détermine la valeur de la limite limx0+x2(1ln(x))\lim_{x \to 0^+} x^2(1 - \ln(x)) :

Remarque

En développant l'expression, on obtient x2(1ln(x))=x2x2ln(x)x^2(1 - \ln(x)) = x^2 - x^2\ln(x). Quand x0+x \to 0^+, limx0+x2=0\lim_{x \to 0^+} x^2 = 0 et d'après le théorème des croissances comparées limx0+x2ln(x)=0\lim_{x \to 0^+} x^2\ln(x) = 0. Par différence, la limite vaut 00.

Point de départ · 38

Soit ff une fonction continue et strictement croissante telle que f(1)=2f(1) = 2 et f(1)=3f'(1) = 3. La courbe de sa bijection réciproque f1f^{-1} passe par le point (2;1)(2 ; 1). Quelle est la pente de la tangente à la courbe de f1f^{-1} en ce point d'abscisse 22 ?

La courbe de f1f^{-1} est la symétrique de celle de ff par rapport à la droite d'équation y=xy = x. Les pentes des tangentes se répondent par inversion : en l'abscisse 22, le coefficient directeur vaut 1f(1)=13\frac{1}{f'(1)} = \frac{1}{3}, et non 1f(2)\frac{1}{f'(2)}.

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).\text{Si } f \text{ est continue et strictement monotone sur } I, \text{ alors } f \text{ réalise une bijection de } I \text{ sur } J = f(I).

(f1)(y0)=1f(x0)=1f(f1(y0))(f^{-1})'(y_0) = \frac{1}{f'(x_0)} = \frac{1}{f'(f^{-1}(y_0))}

f(x0)=y0etf(x0)0f(x_0) = y_0 \quad \text{et} \quad f'(x_0) \neq 0

Remarque

Si f(x0)=0f'(x_0) = 0, la courbe de ff présente une tangente horizontale en (x0;y0)(x_0 ; y_0) : la courbe symétrique de f1f^{-1} admet alors une tangente verticale en (y0;x0)(y_0 ; x_0), et f1f^{-1} n'est pas dérivable en y0y_0.

Exemple travaillé · 40

Soit f(x)=ln(x)2ln(x)1f(x) = \frac{\ln(x) - 2}{\ln(x) - 1} définie sur ]0;e[]0 ; e[. On admet que ff est une bijection de ]0;e[]0 ; e[ sur ]1;+[]1 ; +\infty[ et que f(x)=1x(ln(x)1)2f'(x) = \frac{1}{x(\ln(x) - 1)^2}. Calcule (f1)(2)(f^{-1})'(2).

1

On détermine d'abord l'antécédent x0]0;e[x_0 \in ]0 ; e[ tel que f(x0)=2f(x_0) = 2.

2
ln(x0)2ln(x0)1=2    ln(x0)2=2ln(x0)2\frac{\ln(x_0) - 2}{\ln(x_0) - 1} = 2 \iff \ln(x_0) - 2 = 2\ln(x_0) - 2
3
ln(x0)=0    x0=1\ln(x_0) = 0 \iff x_0 = 1
4

Comme 1]0;e[1 \in ]0 ; e[, on a bien f1(2)=1f^{-1}(2) = 1.

5

On évalue la dérivée ff' en cet antécédent x0=1x_0 = 1 :

6
f(1)=11×(ln(1)1)2=11×(1)2=1f'(1) = \frac{1}{1 \times (\ln(1) - 1)^2} = \frac{1}{1 \times (-1)^2} = 1
7

Comme f(1)=10f'(1) = 1 \neq 0, la fonction f1f^{-1} est dérivable en 22 et :

8
(f1)(2)=1f(1)=11=1(f^{-1})'(2) = \frac{1}{f'(1)} = \frac{1}{1} = 1

Piège classique · 41

Soit gg une fonction dérivable et bijective sur ]0;+[]0 ; +\infty[ vérifiant g(1)=3g(1) = 3, g(3)=7g(3) = 7, g(1)=0g'(1) = 0 et g(3)=5g'(3) = 5. La fonction réciproque g1g^{-1} est-elle dérivable en 33 ?

Attention

Affirmer que (g1)(3)=1g(3)=15(g^{-1})'(3) = \frac{1}{g'(3)} = \frac{1}{5} en évaluant la dérivée gg' directement en la valeur cible 33.

À la place : Pour étudier la dérivabilité de g1g^{-1} en 33, on cherche l'antécédent x0x_0 tel que g(x0)=3g(x_0) = 3. L'énoncé donne g(1)=3g(1) = 3, donc x0=1x_0 = 1. Comme g(1)=0g'(1) = 0, la courbe de gg possède une tangente horizontale en (1;3)(1 ; 3), ce qui donne une tangente verticale pour g1g^{-1} en (3;1)(3 ; 1) : g1g^{-1} n'est pas dérivable en 33.

Exemple travaillé · 42

Soit α>0\alpha > 0 un réel annulant la fonction auxiliaire g(x)=1+x22x2ln(x)g(x) = 1 + x^2 - 2x^2\ln(x), c'est-à-dire vérifiant 1+α22α2ln(α)=01 + \alpha^2 - 2\alpha^2\ln(\alpha) = 0. On pose f(x)=ln(x)1+x2f(x) = \frac{\ln(x)}{1 + x^2}. Exprime f(α)f(\alpha) sans aucun logarithme, uniquement sous forme rationnelle en α\alpha.

1

On part de la relation caractéristique g(α)=0g(\alpha) = 0 pour isoler ln(α)\ln(\alpha) :

2
1+α22α2ln(α)=0    2α2ln(α)=1+α21 + \alpha^2 - 2\alpha^2\ln(\alpha) = 0 \iff 2\alpha^2\ln(\alpha) = 1 + \alpha^2
3

Comme α>0\alpha > 0, le terme 2α22\alpha^2 est non nul. On exprime ln(α)\ln(\alpha) :

4
ln(α)=1+α22α2\ln(\alpha) = \frac{1 + \alpha^2}{2\alpha^2}
5

On substitue cette expression de ln(α)\ln(\alpha) directement dans la formule de f(α)f(\alpha) :

6
f(α)=ln(α)1+α2=1+α22α21+α2f(\alpha) = \frac{\ln(\alpha)}{1 + \alpha^2} = \frac{\frac{1 + \alpha^2}{2\alpha^2}}{1 + \alpha^2}
7

On simplifie par le facteur non nul (1+α2)(1 + \alpha^2) pour obtenir l'écriture rationnelle finale :

8
f(α)=12α2f(\alpha) = \frac{1}{2\alpha^2}

Vérification · 43

Soit ff une fonction strictement croissante sur ]0;+[]0 ; +\infty[ telle que f(e)=2f(e) = 2 et f(e)=1ef'(e) = \frac{1}{e}. Détermine le nombre dérivé (f1)(2)(f^{-1})'(2) :

Remarque

Comme f(e)=2f(e) = 2, l'antécédent de 22 par ff est ee. On applique la formule de dérivation de la réciproque : (f1)(2)=1f(e)=11e=e(f^{-1})'(2) = \frac{1}{f'(e)} = \frac{1}{\frac{1}{e}} = 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 1010. À ton avis, si log(x)=ln(x)ln(10)\log(x) = \frac{\ln(x)}{\ln(10)}, que vaut log(100)=log(102)\log(100) = \log(10^2) ?

Comme log(10p)=p\log(10^p) = p, le logarithme décimal compte directement la puissance de 1010 : log(100)=log(102)=2\log(100) = \log(10^2) = 2.

Définition · 45

Fonction logarithme décimal

x>0,log(x)=ln(x)ln(10)\forall x > 0, \quad \log(x) = \frac{\ln(x)}{\ln(10)}

Dlog=]0;+[D_{\log} = ]0 ; +\infty[

log(1)=0,log(10)=1etpZ,  log(10p)=p\log(1) = 0, \quad \log(10) = 1 \quad \text{et} \quad \forall p \in \mathbb{Z}, \; \log(10^p) = p

Pour tous réels x>0x > 0 et y>0y > 0, la fonction log\log vérifie les mêmes propriétés algébriques que ln\ln : log(xy)=log(x)+log(y)\log(xy) = \log(x) + \log(y) et log(xy)=log(x)log(y)\log\left(\frac{x}{y}\right) = \log(x) - \log(y).

Remarque

Si un nombre s'écrit en notation scientifique x=a×10px = a \times 10^p avec 1a<101 \le a < 10 et pZp \in \mathbb{Z}, alors log(x)=p+log(a)\log(x) = p + \log(a), où pp est la partie entière de log(x)\log(x) et log(a)[0;1[\log(a) \in [0 ; 1[ sa partie décimale.

Exemple travaillé · 46

Sans calculatrice, déterminer la partie entière du réel log(42500)\log(42500).

1

On écrit le nombre 4250042500 sous sa forme scientifique standard a×10pa \times 10^p avec 1a<101 \le a < 10.

2
42500=4,25×10442500 = 4{,}25 \times 10^4
3

On applique les propriétés du logarithme décimal à ce produit.

4
log(42500)=log(4,25×104)=log(104)+log(4,25)=4+log(4,25)\log(42500) = \log(4{,}25 \times 10^4) = \log(10^4) + \log(4{,}25) = 4 + \log(4{,}25)
5

Comme 14,25<101 \le 4{,}25 < 10 et que la fonction log\log est strictement croissante avec log(1)=0\log(1) = 0 et log(10)=1\log(10) = 1, on encadre le terme décimal.

6
0log(4,25)<10 \le \log(4{,}25) < 1
7

On en déduit l'encadrement de log(42500)\log(42500) entre deux entiers consécutifs.

8
4log(42500)<54 \le \log(42500) < 5
9

La partie entière de log(42500)\log(42500) est le plus grand entier inférieur ou égal à ce nombre : c'est l'exposant 44.

Piège classique · 47

Quelle est la partie entière du réel log(0,0073)\log(0{,}0073) ?

Attention

Tronquer vers zéro en répondant 2-2, en voyant que log(0,0073)2,14\log(0{,}0073) \approx -2{,}14.

À la place : En écriture scientifique, 0,0073=7,3×1030{,}0073 = 7{,}3 \times 10^{-3}, d'où log(0,0073)=3+log(7,3)\log(0{,}0073) = -3 + \log(7{,}3). Comme 0<log(7,3)<10 < \log(7{,}3) < 1, on a 3<log(0,0073)<2-3 < \log(0{,}0073) < -2. La partie entière d'un nombre négatif est l'entier inférieur : elle vaut 3-3 et non 2-2.

Exemple travaillé · 48

Le niveau sonore en décibels d'un son d'intensité II est donné par d(I)=10log(II0)d(I) = 10\log\left(\frac{I}{I_0}\right). Calcule la hausse de niveau sonore d(I2)d(I1)d(I_2) - d(I_1) lorsque l'intensité double (I2=2I1I_2 = 2I_1), sachant que log(2)0,301\log(2) \approx 0{,}301.

1

On exprime la différence des niveaux sonores à partir de la définition.

2
d(I2)d(I1)=10log(I2I0)10log(I1I0)d(I_2) - d(I_1) = 10\log\left(\frac{I_2}{I_0}\right) - 10\log\left(\frac{I_1}{I_0}\right)
3

On factorise par 1010 et on applique la propriété du quotient log(a)log(b)=log(a/b)\log(a) - \log(b) = \log(a/b).

4
d(I2)d(I1)=10[log(I2I0)log(I1I0)]=10log(I2I1)d(I_2) - d(I_1) = 10\left[\log\left(\frac{I_2}{I_0}\right) - \log\left(\frac{I_1}{I_0}\right)\right] = 10\log\left(\frac{I_2}{I_1}\right)
5

On utilise l'hypothèse I2=2I1I_2 = 2I_1, ce qui donne I2I1=2\frac{I_2}{I_1} = 2.

6
d(I2)d(I1)=10log(2)d(I_2) - d(I_1) = 10\log(2)
7

On calcule la valeur numérique arrondie au dixième.

8
10×0,301=3,01 dB3 dB10 \times 0{,}301 = 3{,}01 \text{ dB} \approx 3 \text{ dB}

Vérification · 49

Complète les valeurs remarquables du logarithme décimal :

Remarque

Pour tout entier pZp \in \mathbb{Z}, log(10p)=p\log(10^p) = p. Ainsi log(1000)=log(103)=3\log(1000) = \log(10^3) = 3 et log(0,01)=log(102)=2\log(0{,}01) = \log(10^{-2}) = -2.

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