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Fonction exponentielle — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Rappel — La bijection logarithme népérien

La fonction ln⁡\ln est continue et strictement croissante. Précise ses ensembles de référence et sa valeur en 11 :

Remarque

Puisque ln⁡\ln est continue et strictement croissante de ]0;+∞[]0;+\infty[ sur R\mathbb{R}, elle réalise une bijection de ]0;+∞[]0;+\infty[ sur R\mathbb{R}. Elle admet donc une bijection réciproque définie sur R\mathbb{R} et à valeurs dans ]0;+∞[]0;+\infty[.

Point de départ · 2

Une nouvelle écriture pour une bijection réciproque

Pour tout réel yy, l'équation ln⁡(x)=y\ln(x) = y admet une unique solution dans ]0;+∞[]0;+\infty[. Cette solution dépend de yy : c'est l'image de yy par la bijection réciproque de ln⁡\ln.

x=exp⁡(y)  ⟺  y=ln⁡(x)x = \exp(y) \iff y = \ln(x)

On adopte la notation puissance eye^y, où le nombre ee est l'unique réel vérifiant ln⁡(e)=1\ln(e) = 1 (e≈2,718e \approx 2{,}718). Écrire eye^y, c'est désigner l'antécédent de yy par le logarithme népérien.

Définition · 3

Définition de la fonction exponentielle

∀a∈R,∀b∈]0;+∞[,b=ea  ⟺  a=ln⁡(b)\forall a \in \mathbb{R}, \quad \forall b \in ]0;+\infty[, \quad b = e^a \iff a = \ln(b)

Conséquences immédiates de la réciprocité pour tout réel xx et tout réel t>0t > 0 :

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

Propriétés fondamentales issues de la fonction logarithme :

e0=1,e1=eet∀x∈R,  ex>0e^0 = 1, \quad e^1 = e \quad \text{et} \quad \forall x \in \mathbb{R}, \; e^x > 0

Remarque

La fonction exponentielle est continue et strictement croissante sur R\mathbb{R}. Elle réalise une bijection de R\mathbb{R} sur ]0;+∞[]0;+\infty[.

Exemple travaillé · 4

Simplifie les nombres réels suivants à l'aide des relations de réciprocité :
A=eln⁡(5),B=ln⁡(e−3),C=e2ln⁡(3)A = e^{\ln(5)}, \quad B = \ln(e^{-3}), \quad C = e^{2\ln(3)}

1

Pour AA, on applique directement l'égalité eln⁡(t)=te^{\ln(t)} = t valable pour tout t>0t > 0 :

2
A=eln⁡(5)=5A = e^{\ln(5)} = 5
3

Pour BB, on applique l'égalité ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x valable pour tout réel xx :

4
B=ln⁡(e−3)=−3B = \ln(e^{-3}) = -3
5

Pour CC, on utilise d'abord la propriété algébrique 2ln⁡(3)=ln⁡(32)=ln⁡(9)2\ln(3) = \ln(3^2) = \ln(9) avant d'appliquer la réciprocité :

6
C=eln⁡(32)=eln⁡(9)=9C = e^{\ln(3^2)} = e^{\ln(9)} = 9

Exemple travaillé · 5

Résous dans R\mathbb{R} l'équation suivante :
e2x−1=3e^{2x-1} = 3

1

On vérifie la condition d'existence : 3>03 > 0. L'équation admet donc une unique solution réelle.

2

On applique la bijection réciproque ln⁡\ln aux deux membres de l'égalité :

3
2x−1=ln⁡(3)2x - 1 = \ln(3)
4

On isole l'inconnue xx :

5
2x=1+ln⁡(3)  ⟺  x=1+ln⁡(3)22x = 1 + \ln(3) \iff x = \frac{1 + \ln(3)}{2}
6

L'ensemble des solutions de l'équation dans R\mathbb{R} est :

7
SR={1+ln⁡(3)2}S_{\mathbb{R}} = \left\{ \frac{1 + \ln(3)}{2} \right\}

Piège classique · 6

Résous dans R\mathbb{R} l'équation : e3x+1=−2e^{3x+1} = -2

Attention

Appliquer machinalement le logarithme népérien aux deux membres pour écrire 3x+1=ln⁡(−2)3x+1 = \ln(-2).

À la place : Pour tout réel XX, eX>0e^X > 0. Un nombre strictement positif ne peut jamais être égal à −2-2. Le logarithme d'un nombre négatif n'existe pas : l'équation ne possède aucune solution réelle.

Vérification · 7

Pour quelle condition sur le réel kk l'équation ex−2=ke^{x-2} = k admet-elle une solution dans R\mathbb{R} ?

Remarque

La fonction exponentielle prend ses valeurs dans ]0;+∞[]0;+\infty[. L'égalité ex−2=ke^{x-2} = k n'est possible que si kk appartient à cet ensemble image, c'est-à-dire k>0k > 0.

Point de départ · 8

De l'addition au produit

La fonction logarithme népérien transforme un produit en somme : pour tous réels A>0A > 0 et B>0B > 0, ln⁡(A×B)=ln⁡(A)+ln⁡(B)\ln(A \times B) = \ln(A) + \ln(B).

Par réciprocité, quelle est la propriété correspondante pour l'exponentielle d'une somme ex+ye^{x+y} ?

Remarque

En posant A=exA = e^x et B=eyB = e^y, on a ln⁡(ex×ey)=ln⁡(ex)+ln⁡(ey)=x+y\ln(e^x \times e^y) = \ln(e^x) + \ln(e^y) = x + y. En prenant l'exponentielle des deux membres : ex+y=ex×eye^{x+y} = e^x \times e^y. L'exponentielle transforme une somme en produit.

Définition · 9

Propriétés algébriques fondamentales

Pour tous réels aa et bb, et pour tout entier relatif nn :

ea+b=ea×ebe^{a+b} = e^a \times e^b

e−a=1eaetea−b=eaebe^{-a} = \frac{1}{e^a} \quad \text{et} \quad e^{a-b} = \frac{e^a}{e^b}

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

Remarque

Ces identités étendent les propriétés usuelles des puissances à tout exposant réel.

Exemple travaillé · 10

Écris l'expression suivante sous la forme d'une seule puissance de ee pour tout réel xx :
A(x)=(e3x−1)2×e4−xe2x+1A(x) = \frac{(e^{3x-1})^2 \times e^{4-x}}{e^{2x+1}}

1

On simplifie la puissance au numérateur à l'aide de la formule (ea)n=ena(e^a)^n = e^{na} :

2
(e3x−1)2=e2(3x−1)=e6x−2(e^{3x-1})^2 = e^{2(3x-1)} = e^{6x-2}
3

On regroupe les termes du numérateur en appliquant la formule du produit ea×eb=ea+be^a \times e^b = e^{a+b} :

4
e6x−2×e4−x=e(6x−2)+(4−x)=e5x+2e^{6x-2} \times e^{4-x} = e^{(6x-2) + (4-x)} = e^{5x+2}
5

On applique la règle du quotient euev=eu−v\frac{e^u}{e^v} = e^{u-v} :

6
A(x)=e5x+2e2x+1=e(5x+2)−(2x+1)=e3x+1A(x) = \frac{e^{5x+2}}{e^{2x+1}} = e^{(5x+2) - (2x+1)} = e^{3x+1}

Exemple travaillé · 11

1. Factorise l'expression f(x)=e2x−3ex+2f(x) = e^{2x} - 3e^x + 2 par exe^x pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}.
2. Démontre l'égalité suivante pour tout réel xx :
ex−e−xex+e−x=e2x−1e2x+1\frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} = \frac{e^{2x}-1}{e^{2x}+1}

1

Pour factoriser par exe^x, on divise chaque terme par exe^x en utilisant e2x=ex×exe^{2x} = e^x \times e^x et 1=ex×e−x1 = e^x \times e^{-x} :

2
f(x)=ex(ex−3+2e−x)f(x) = e^x(e^x - 3 + 2e^{-x})
3

Pour la seconde égalité, on multiplie le numérateur et le dénominateur par exe^x afin d'éliminer les exposants négatifs :

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

On développe à l'aide de l'égalité ex×e−x=e0=1e^x \times e^{-x} = e^0 = 1 :

6
ex(ex−e−x)ex(ex+e−x)=e2x−1e2x+1\frac{e^x(e^x - e^{-x})}{e^x(e^x + e^{-x})} = \frac{e^{2x} - 1}{e^{2x} + 1}

Piège classique · 12

Simplifie pour tout réel xx l'expression : E(x)=ex+2exE(x) = e^x + 2e^x

Attention

Additionner les exposants lors d'une addition et écrire ex+2ex=3e2xe^x + 2e^x = 3e^{2x} ou e3xe^{3x}.

À la place : L'addition concerne uniquement les coefficients : ex+2ex=(1+2)ex=3exe^x + 2e^x = (1+2)e^x = 3e^x. La somme des exposants n'intervient que pour une multiplication : ex×e2x=e3xe^x \times e^{2x} = e^{3x}.

Vérification · 13

Complète les coefficients pour réduire l'expression pour tout réel xx :
e4x×(e−x)3e2−x=e…x−…\frac{e^{4x} \times (e^{-x})^3}{e^{2-x}} = e^{\dots x - \dots}

Remarque

Au numérateur : e4x×e−3x=e4x−3x=exe^{4x} \times e^{-3x} = e^{4x-3x} = e^x.
En divisant par le dénominateur : exe2−x=ex−(2−x)=ex−2+x=e2x−2\frac{e^x}{e^{2-x}} = e^{x - (2-x)} = e^{x - 2 + x} = e^{2x-2}.

Point de départ · 14

Se ramener à un polynôme connu

Dans l'équation e2x−3ex+2=0e^{2x} - 3e^x + 2 = 0, quelle substitution permet de se ramener directement à une équation du second degré ?

Remarque

Puisque e2x=(ex)2e^{2x} = (e^x)^2, en posant la variable auxiliaire X=exX = e^x, l'équation devient X2−3X+2=0X^2 - 3X + 2 = 0. La résolution d'une équation exponentielle se ramène ainsi à celle d'un trinôme du second degré.

Définition · 15

Changement de variable polynomial et filtre de positivité

Pour résoudre une équation ou une inéquation formée de puissances de exe^x, on introduit une inconnue auxiliaire :

X=exX = e^x

Comme l'exponentielle est strictement positive sur R\mathbb{R}, la variable XX doit impérativement vérifier la condition de validité :

X>0X > 0

Remarque

Toute racine X≤0X \le 0 obtenue lors de la résolution algébrique intermédiaire est exclue. Si X0>0X_0 > 0, l'équation ex=X0e^x = X_0 admet pour unique solution x=ln⁡(X0)x = \ln(X_0).

Exemple travaillé · 16

Résous dans R\mathbb{R} l'équation suivante :
2e2x−3ex−2=02e^{2x} - 3e^x - 2 = 0

1

On pose l'inconnue auxiliaire X=exX = e^x sous la condition X>0X > 0.

2

Comme e2x=(ex)2=X2e^{2x} = (e^x)^2 = X^2, l'équation devient :

3
2X2−3X−2=02X^2 - 3X - 2 = 0
4

On calcule le discriminant du trinôme : Δ=(−3)2−4(2)(−2)=9+16=25=52\Delta = (-3)^2 - 4(2)(-2) = 9 + 16 = 25 = 5^2.

5

On détermine les racines en XX :

6
X1=3−54=−12etX2=3+54=2X_1 = \frac{3 - 5}{4} = -\frac{1}{2} \quad \text{et} \quad X_2 = \frac{3 + 5}{4} = 2
7

On applique le filtre de positivité X>0X > 0 : la racine X1=−12X_1 = -\frac{1}{2} est rejetée car elle est strictement négative.

8

On résout l'équation avec la seule racine admissible X2=2X_2 = 2 :

9
ex=2  ⟺  x=ln⁡(2)e^x = 2 \iff x = \ln(2)
10

L'ensemble des solutions de l'équation dans R\mathbb{R} est :

11
SR={ln⁡(2)}S_{\mathbb{R}} = \{\ln(2)\}

Exemple travaillé · 17

Résous dans R\mathbb{R} l'inéquation suivante :
e2x−3ex+2≤0e^{2x} - 3e^x + 2 \le 0

1

On pose X=exX = e^x avec la contrainte X>0X > 0.

2

L'inéquation devient :

3
X2−3X+2≤0X^2 - 3X + 2 \le 0
4

Les racines du trinôme X2−3X+2X^2 - 3X + 2 sont X1=1X_1 = 1 et X2=2X_2 = 2. Le trinôme est négatif ou nul entre ses racines :

5
1≤X≤21 \le X \le 2
6

Les deux bornes étant strictement positives, la condition X>0X > 0 est respectée. On remplace XX par exe^x :

7
1≤ex≤21 \le e^x \le 2
8

Par stricte croissance de la fonction logarithme népérien sur ]0;+∞[]0;+\infty[ :

9
ln⁡(1)≤x≤ln⁡(2)  ⟺  0≤x≤ln⁡(2)\ln(1) \le x \le \ln(2) \iff 0 \le x \le \ln(2)
10

L'ensemble des solutions dans R\mathbb{R} est :

11
SR=[0;ln⁡(2)]S_{\mathbb{R}} = [0 ; \ln(2)]

Piège classique · 18

On résout l'équation e2x+ex−6=0e^{2x} + e^x - 6 = 0. En posant X=exX = e^x, l'équation devient X2+X−6=0X^2 + X - 6 = 0, dont les racines sont X=2X = 2 et X=−3X = -3.

Quel est l'ensemble des solutions de l'équation initiale dans R\mathbb{R} ?

Attention

Conserver la racine X=−3X = -3 et écrire x=ln⁡(−3)x = \ln(-3) ou x=−ln⁡(3)x = -\ln(3).

À la place : L'exponentielle ne prend que des valeurs strictement positives : ex=−3e^x = -3 n'a aucune solution réelle. Seule la racine X=2X = 2 est conservée, ce qui donne pour unique solution x=ln⁡(2)x = \ln(2).

Vérification · 19

Combien de solutions réelles l'équation e2x+4ex+3=0e^{2x} + 4e^x + 3 = 0 possède-t-elle ?

Remarque

En posant X=ex>0X = e^x > 0, l'équation devient X2+4X+3=0X^2 + 4X + 3 = 0. Ses racines sont X1=−1X_1 = -1 et X2=−3X_2 = -3. Comme ces deux racines sont strictement négatives, aucune n'appartient à ]0;+∞[]0;+\infty[. L'équation n'a donc aucune solution réelle : SR=∅S_{\mathbb{R}} = \emptyset.

Point de départ · 20

La fonction égale à sa propre dérivée

On sait que ln⁡′(t)=1t\ln'(t) = \frac{1}{t} pour tout t>0t > 0. Par réciprocité, quelle est la dérivée de f(x)=exf(x) = e^x ?

En dérivant par rapport à xx les deux membres de l'identité fondamentale ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x, que vaut la dérivée (ex)′(e^x)' ?

Remarque

En appliquant la dérivée d'une composée (ln⁡(u))′=u′u(\ln(u))' = \frac{u'}{u} avec u(x)=exu(x) = e^x, la relation devient (ex)′ex=1\frac{(e^x)'}{e^x} = 1, ce qui donne directement (ex)′=ex(e^x)' = e^x. L'exponentielle est sa propre dérivée.

Définition · 21

Dérivation de l'exponentielle et composées

La fonction exponentielle est dérivable sur R\mathbb{R} et égale à sa propre dérivée :

∀x∈R,(ex)′=ex\forall x \in \mathbb{R}, \quad (e^x)' = e^x

Comme pour tout réel xx, ex>0e^x > 0, sa dérivée est strictement positive sur R\mathbb{R} :

∀x∈R,(ex)′>0\forall x \in \mathbb{R}, \quad (e^x)' > 0

u est une fonction deˊrivable sur un intervalle Iu \text{ est une fonction dérivable sur un intervalle } I

∀x∈I,(eu(x))′=u′(x)eu(x)\forall x \in I, \quad (e^{u(x)})' = u'(x)e^{u(x)}

Remarque

Pour déterminer le signe d'une dérivée contenant un facteur eu(x)e^{u(x)}, on factorise systématiquement par ce terme : son signe dépend uniquement de l'autre facteur car eu(x)>0e^{u(x)} > 0 sur tout II.

Exemple travaillé · 22

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=(1−x)exf(x) = (1-x)e^x. Calcule f′(x)f'(x) et étudie son signe sur R\mathbb{R}.

1

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme produit de fonctions dérivables : on pose u(x)=1−x  ⟹  u′(x)=−1u(x) = 1-x \implies u'(x) = -1 et v(x)=ex  ⟹  v′(x)=exv(x) = e^x \implies v'(x) = e^x.

2

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

3
f′(x)=−1⋅ex+(1−x)exf'(x) = -1 \cdot e^x + (1-x)e^x
4

On factorise immédiatement par exe^x :

5
f′(x)=(−1+1−x)ex=−xexf'(x) = (-1 + 1 - x)e^x = -x e^x
6

Puisque ex>0e^x > 0 pour tout réel xx, f′(x)f'(x) a le même signe que −x-x : strictement positif sur ]−∞;0[]-\infty;0[, nul en 00, et strictement négatif sur ]0;+∞[]0;+\infty[.

Exemple travaillé · 23

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=∣x−1∣exf(x) = |x-1|e^x. Étudie la dérivabilité de ff en x0=1x_0 = 1 et interprète géométriquement le résultat.

1

On explicite ff sans valeur absolue au voisinage de 11 : f(1)=0f(1) = 0. Pour x>1x > 1, on a x−1>0x-1 > 0, donc f(x)=(x−1)exf(x) = (x-1)e^x.

2

On évalue le taux d'accroissement à droite en 11 :

3
lim⁡x→1+f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1+(x−1)exx−1=lim⁡x→1+ex=e\lim_{x \to 1^+} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{(x-1)e^x}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} e^x = e
4

La limite est finie : ff est dérivable à droite en 11 avec fd′(1)=ef'_d(1) = e.

5

Pour x<1x < 1, on a x−1<0x-1 < 0, donc f(x)=−(x−1)exf(x) = -(x-1)e^x. On évalue le taux d'accroissement à gauche en 11 :

6
lim⁡x→1−f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1−−(x−1)exx−1=lim⁡x→1−−ex=−e\lim_{x \to 1^-} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} \frac{-(x-1)e^x}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} -e^x = -e
7

La fonction est dérivable à gauche avec fg′(1)=−ef'_g(1) = -e. Comme fd′(1)≠fg′(1)f'_d(1) \ne f'_g(1), ff n'est pas dérivable en 11 : sa courbe représentative admet au point (1;0)(1;0) un point anguleux muni de deux demi-tangentes de pentes ee et −e-e.

Piège classique · 24

Quelle est la dérivée de la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=e−3x+2g(x) = e^{-3x+2} ?

Attention

Oublier la dérivée intérieure de l'exposant ou son signe négatif et écrire g′(x)=e−3x+2g'(x) = e^{-3x+2} ou g′(x)=3e−3x+2g'(x) = 3e^{-3x+2}.

À la place : On applique (eu)′=u′eu(e^u)' = u' e^u avec u(x)=−3x+2u(x) = -3x+2. Comme u′(x)=−3u'(x) = -3, on obtient g′(x)=−3e−3x+2g'(x) = -3e^{-3x+2}.

Vérification · 25

Soit la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par h(x)=e−x2+4h(x) = e^{-x^2+4}. Sur quel intervalle hh est-elle strictement croissante ?

Remarque

On dérive la composée : h′(x)=(−x2+4)′e−x2+4=−2xe−x2+4h'(x) = (-x^2+4)' e^{-x^2+4} = -2x e^{-x^2+4}. Comme e−x2+4>0e^{-x^2+4} > 0 sur R\mathbb{R}, h′(x)≥0  ⟺  −2x≥0  ⟺  x≤0h'(x) \ge 0 \iff -2x \ge 0 \iff x \le 0. La fonction hh est donc strictement croissante sur ]−∞;0]]-\infty ; 0].

Point de départ · 26

Croissance de l'exponentielle face aux puissances

Quand xx devient très grand, x10x^{10} et exe^x tendent tous deux vers +∞+\infty.

Lequel de ces deux termes l'emporte dans le quotient exx10\frac{e^x}{x^{10}} lorsque x→+∞x \to +\infty ?

Remarque

Par croissances comparées, la fonction exponentielle l'emporte sur toute puissance de xx au voisinage de +∞+\infty. Ainsi, lim⁡x→+∞exx10=+∞\lim_{x\to +\infty} \frac{e^x}{x^{10}} = +\infty.

Définition · 27

Limites usuelles et croissances comparées

Limites fondamentales 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

Taux de variation en 00 (nombre dérivé de l'exponentielle en 00) :

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

Théorème des croissances comparées : pour tout entier naturel non nul nn :

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

Remarque

En +∞+\infty, l'exponentielle est prépondérante devant toute puissance de xx. En −∞-\infty, l'exponentielle écrase toute puissance de xx vers 00.

Exemple travaillé · 28

Détermine la limite suivante :
lim⁡x→+∞(ex−5x)\lim_{x \to +\infty} (e^x - 5x)

1

En +∞+\infty, lim⁡x→+∞ex=+∞\lim_{x\to +\infty} e^x = +\infty et lim⁡x→+∞(−5x)=−∞\lim_{x\to +\infty} (-5x) = -\infty. Il s'agit d'une forme indéterminée du type « +∞−∞+\infty - \infty ».

2

On factorise par le terme polynomial xx pour faire apparaître la croissance comparée de référence :

3
ex−5x=x(exx−5)e^x - 5x = x\left(\frac{e^x}{x} - 5\right)
4

D'après le théorème des croissances comparées, lim⁡x→+∞exx=+∞\lim_{x\to +\infty} \frac{e^x}{x} = +\infty, donc :

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

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

7
lim⁡x→+∞(ex−5x)=+∞\lim_{x \to +\infty} (e^x - 5x) = +\infty

Exemple travaillé · 29

Détermine la limite suivante :
lim⁡x→−∞(x+3)ex\lim_{x \to -\infty} (x+3)e^x

1

Lorsque x→−∞x \to -\infty, on a lim⁡x→−∞(x+3)=−∞\lim_{x\to -\infty} (x+3) = -\infty et lim⁡x→−∞ex=0\lim_{x\to -\infty} e^x = 0. Il s'agit d'une forme indéterminée du type « −∞×0-\infty \times 0 ».

2

Pour lever l'indétermination en −∞-\infty, on développe le produit afin de faire apparaître la forme usuelle xexx e^x :

3
(x+3)ex=xex+3ex(x+3)e^x = x e^x + 3e^x
4

Par croissance comparée, lim⁡x→−∞xex=0\lim_{x\to -\infty} x e^x = 0, et par limite fondamentale, lim⁡x→−∞3ex=0\lim_{x\to -\infty} 3e^x = 0.

5

Par somme de deux limites nulles, on conclut :

6
lim⁡x→−∞(x+3)ex=0\lim_{x \to -\infty} (x+3)e^x = 0

Piège classique · 30

Détermine la limite suivante : lim⁡x→−∞(3−2x2)ex\lim_{x \to -\infty} (3 - 2x^2)e^x

Attention

Appliquer la règle du monôme de plus haut degré en disant que l'expression équivaut à −2x2-2x^2 et tend vers −∞-\infty, ou penser que l'exponentielle tend vers l'infini en −∞-\infty.

À la place : La règle du terme de plus haut degré ne s'applique qu'aux polynômes seuls. En −∞-\infty, ex→0e^x \to 0. On développe : (3−2x2)ex=3ex−2x2ex(3 - 2x^2)e^x = 3e^x - 2x^2 e^x. Par croissances comparées, lim⁡x→−∞ex=0\lim_{x\to -\infty} e^x = 0 et lim⁡x→−∞x2ex=0\lim_{x\to -\infty} x^2 e^x = 0. La limite vaut 00.

Vérification · 31

Calcule la limite suivante :
lim⁡x→+∞ex−2xx\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x - 2x}{x}

Remarque

On sépare la fraction : ex−2xx=exx−2\frac{e^x - 2x}{x} = \frac{e^x}{x} - 2. Par croissance comparée, lim⁡x→+∞exx=+∞\lim_{x\to +\infty} \frac{e^x}{x} = +\infty. On en déduit lim⁡x→+∞(exx−2)=+∞\lim_{x\to +\infty} \left(\frac{e^x}{x} - 2\right) = +\infty.

Point de départ · 32

Donner un sens à une puissance réelle

On sait calculer 23=82^3 = 8 ou 2−1=122^{-1} = \frac{1}{2}. Mais que signifie rigoureusement 2x2^x lorsque xx est un réel quelconque comme 2\sqrt{2} ou π\pi ?

Quelle définition permet d'étendre la puissance à tout exposant réel pour a>0a > 0 ?

Remarque

Pour tout réel xx et tout réel a>0a > 0, on utilise la réciprocité entre exponentielle et logarithme : a=eln⁡aa = e^{\ln a}, ce qui conduit à poser ax=(eln⁡a)x=exln⁡aa^x = (e^{\ln a})^x = e^{x\ln a}.

Définition · 33

Fonction exponentielle de base a

a∈R+∗a \in \mathbb{R}_+^*

∀x∈R,ax=exln⁡a\forall x \in \mathbb{R}, \quad a^x = e^{x \ln a}

La fonction x↦axx \mapsto a^x est définie et dérivable sur R\mathbb{R} :

∀x∈R,(ax)′=(ln⁡a)ax\forall x \in \mathbb{R}, \quad (a^x)' = (\ln a) a^x

Comportement et variations selon la valeur de la base aa :

Si a>1:ln⁡a>0,  x↦ax est strictement croissante, avec lim⁡x→−∞ax=0 et lim⁡x→+∞ax=+∞\text{Si } a > 1 : \ln a > 0, \; x \mapsto a^x \text{ est strictement croissante, avec } \lim_{x\to -\infty} a^x = 0 \text{ et } \lim_{x\to +\infty} a^x = +\infty

Si 0<a<1:ln⁡a<0,  x↦ax est strictement deˊcroissante, avec lim⁡x→−∞ax=+∞ et lim⁡x→+∞ax=0\text{Si } 0 < a < 1 : \ln a < 0, \; x \mapsto a^x \text{ est strictement décroissante, avec } \lim_{x\to -\infty} a^x = +\infty \text{ et } \lim_{x\to +\infty} a^x = 0

Remarque

Si a=1a = 1, pour tout réel xx, 1x=exln⁡1=e0=11^x = e^{x \ln 1} = e^0 = 1 (fonction constante).

Exemple travaillé · 34

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=(12)xf(x) = \left(\frac{1}{2}\right)^x. Calcule sa dérivée f′(x)f'(x) et détermine son sens de variation.

1

On réécrit la fonction sous forme exponentielle népérienne avec a=12a = \frac{1}{2} :

2
f(x)=exln⁡(1/2)=e−xln⁡2f(x) = e^{x \ln(1/2)} = e^{-x \ln 2}
3

On applique la formule de dérivation (ax)′=(ln⁡a)ax(a^x)' = (\ln a) a^x :

4
f′(x)=ln⁡(12)(12)x=−(ln⁡2)(12)xf'(x) = \ln\left(\frac{1}{2}\right) \left(\frac{1}{2}\right)^x = -(\ln 2) \left(\frac{1}{2}\right)^x
5

Comme ln⁡2>0\ln 2 > 0 et (12)x>0\left(\frac{1}{2}\right)^x > 0 pour tout réel xx, on a f′(x)<0f'(x) < 0 sur R\mathbb{R}.

6

La fonction ff est donc strictement décroissante sur R\mathbb{R}.

Exemple travaillé · 35

Résous dans R\mathbb{R} l'équation suivante :
2x=3x−12^x = 3^{x-1}

1

Les deux membres sont strictement positifs pour tout réel xx. On applique le logarithme népérien aux deux membres :

2
ln⁡(2x)=ln⁡(3x−1)\ln(2^x) = \ln(3^{x-1})
3

On abaisse les exposants grâce à la propriété ln⁡(uv)=vln⁡u\ln(u^v) = v \ln u :

4
xln⁡2=(x−1)ln⁡3x \ln 2 = (x-1) \ln 3
5

On développe et on regroupe les termes contenant l'inconnue xx :

6
xln⁡2=xln⁡3−ln⁡3  ⟺  x(ln⁡3−ln⁡2)=ln⁡3x \ln 2 = x \ln 3 - \ln 3 \iff x(\ln 3 - \ln 2) = \ln 3
7

Comme ln⁡3−ln⁡2=ln⁡(3/2)≠0\ln 3 - \ln 2 = \ln(3/2) \ne 0, on isole xx :

8
x=ln⁡3ln⁡3−ln⁡2=ln⁡3ln⁡(3/2)x = \frac{\ln 3}{\ln 3 - \ln 2} = \frac{\ln 3}{\ln(3/2)}
9

L'ensemble des solutions dans R\mathbb{R} est :

10
SR={ln⁡3ln⁡(3/2)}S_{\mathbb{R}} = \left\{ \frac{\ln 3}{\ln(3/2)} \right\}

Piège classique · 36

Quelle est la dérivée de la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=3xf(x) = 3^x ?

Attention

Dériver 3x3^x comme une fonction puissance xnx^n en écrivant f′(x)=x3x−1f'(x) = x 3^{x-1}.

À la place : La variable xx est à l'exposant et la base 33 est constante. On écrit 3x=exln⁡33^x = e^{x\ln 3}, dont la dérivée est (xln⁡3)′exln⁡3=(ln⁡3)3x(x\ln 3)' e^{x\ln 3} = (\ln 3) 3^x.

Vérification · 37

Résous dans R\mathbb{R} l'équation : 2x=122^x = \frac{1}{2}

Remarque

On réécrit le second membre sous forme d'une puissance de 22 : 12=2−1\frac{1}{2} = 2^{-1}. L'équation s'écrit 2x=2−12^x = 2^{-1}. Par stricte monotonie de la fonction x↦2xx \mapsto 2^x, on a x=−1x = -1. L'ensemble des solutions est SR={−1}S_{\mathbb{R}} = \{-1\}.

Point de départ · 38

Reconnaître la dérivée d'une exponentielle composée

On cherche une primitive sur R\mathbb{R} de la fonction f(x)=2xex2f(x) = 2x e^{x^2}.

Quelle forme différentielle usuelle reconnaît-on immédiatement ?

Remarque

Comme (x2)′=2x(x^2)' = 2x, l'expression est exactement de la forme u′(x)eu(x)u'(x) e^{u(x)} avec u(x)=x2u(x) = x^2. Une primitive immédiate est donc x↦ex2x \mapsto e^{x^2}.

Définition · 39

Primitives associées à l'exponentielle

u est une fonction deˊrivable sur un intervalle Iu \text{ est une fonction dérivable sur un intervalle } I

Les primitives sur I de x↦u′(x)eu(x) sont les fonctions x↦eu(x)+C(C∈R)\text{Les primitives sur } I \text{ de } x \mapsto u'(x)e^{u(x)} \text{ sont les fonctions } x \mapsto e^{u(x)} + C \quad (C \in \mathbb{R})

Cas particulier linéaire : pour tous réels a≠0a \ne 0 et bb :

∫eax+bdx=1aeax+b+C(C∈R)\int e^{ax+b} dx = \frac{1}{a} e^{ax+b} + C \quad (C \in \mathbb{R})

Formes rationnelles en exponentielle : si u(x)>0u(x) > 0 sur II, les primitives de u′(x)u(x)\frac{u'(x)}{u(x)} sont données par :

∫u′(x)u(x)dx=ln⁡(u(x))+C(C∈R)\int \frac{u'(x)}{u(x)} dx = \ln(u(x)) + C \quad (C \in \mathbb{R})

Remarque

Pour une fraction du type exex+k\frac{e^x}{e^x + k} avec k>0k > 0, le numérateur est exactement la dérivée du dénominateur : une primitive est ln⁡(ex+k)\ln(e^x + k).

Exemple travaillé · 40

Calcule les intégrales suivantes :
I1=∫01xex2dxetI2=∫01te−2tdtI_1 = \int_0^1 x e^{x^2} dx \quad \text{et} \quad I_2 = \int_0^1 t e^{-2t} dt

1

Pour I1I_1, on fait apparaître la forme u′(x)eu(x)u'(x)e^{u(x)} avec u(x)=x2u(x) = x^2 en ajustant le coefficient multiplicatif :

2
xex2=12(2xex2)=12u′(x)eu(x)x e^{x^2} = \frac{1}{2} (2x e^{x^2}) = \frac{1}{2} u'(x) e^{u(x)}
3

Une primitive sur [0;1][0;1] est x↦12ex2x \mapsto \frac{1}{2}e^{x^2}. On évalue aux bornes :

4
I1=[12ex2]01=12e1−12e0=e−12I_1 = \left[\frac{1}{2} e^{x^2}\right]_0^1 = \frac{1}{2}e^1 - \frac{1}{2}e^0 = \frac{e-1}{2}
5

Pour I2I_2, l'intégrande est le produit d'un polynôme et d'une exponentielle : on applique une intégration par parties en posant u(t)=t  ⟹  u′(t)=1u(t) = t \implies u'(t) = 1 et v′(t)=e−2t  ⟹  v(t)=−12e−2tv'(t) = e^{-2t} \implies v(t) = -\frac{1}{2}e^{-2t} :

6
I2=[−t2e−2t]01−∫01(−12e−2t)dtI_2 = \left[-\frac{t}{2} e^{-2t}\right]_0^1 - \int_0^1 \left(-\frac{1}{2} e^{-2t}\right) dt
7

On intègre le second terme :

8
I2=−12e−2+12[−12e−2t]01=−12e−2−14e−2+14=1−3e−24I_2 = -\frac{1}{2}e^{-2} + \frac{1}{2} \left[-\frac{1}{2}e^{-2t}\right]_0^1 = -\frac{1}{2}e^{-2} - \frac{1}{4}e^{-2} + \frac{1}{4} = \frac{1 - 3e^{-2}}{4}

Exemple travaillé · 41

1. Détermine les réels aa et bb tels que pour tout réel xx :
ex−2ex+1=a+bexex+1\frac{e^x - 2}{e^x + 1} = a + \frac{b e^x}{e^x + 1}
2. Calcule alors l'intégrale J=∫0ln⁡2ex−2ex+1dxJ = \int_0^{\ln 2} \frac{e^x - 2}{e^x + 1} dx.

1

On réduit au même dénominateur le membre de droite :

2
a+bexex+1=a(ex+1)+bexex+1=(a+b)ex+aex+1a + \frac{b e^x}{e^x + 1} = \frac{a(e^x+1) + b e^x}{e^x + 1} = \frac{(a+b)e^x + a}{e^x + 1}
3

Par identification avec le numérateur ex−2e^x - 2, on obtient a=−2a = -2 et a+b=1a+b = 1, d'où b=3b = 3 :

4
ex−2ex+1=−2+3exex+1\frac{e^x - 2}{e^x + 1} = -2 + \frac{3e^x}{e^x + 1}
5

Comme ex+1>0e^x+1 > 0, le second terme est de la forme 3u′(x)u(x)3\frac{u'(x)}{u(x)}. Une primitive sur R\mathbb{R} est x↦−2x+3ln⁡(ex+1)x \mapsto -2x + 3\ln(e^x+1).

6

On évalue l'intégrale aux bornes :

7
J=[−2x+3ln⁡(ex+1)]0ln⁡2=(−2ln⁡2+3ln⁡3)−(0+3ln⁡2)=3ln⁡3−5ln⁡2=ln⁡(2732)J = [-2x + 3\ln(e^x+1)]_0^{\ln 2} = (-2\ln 2 + 3\ln 3) - (0 + 3\ln 2) = 3\ln 3 - 5\ln 2 = \ln\left(\frac{27}{32}\right)

Piège classique · 42

Pour déterminer une primitive sur R\mathbb{R} de f(x)=11+e−xf(x) = \frac{1}{1+e^{-x}}, quelle est la méthode la plus directe ?

Attention

Tenter une intégration par parties sur la fraction ou essayer d'intégrer le numérateur et le dénominateur séparément.

À la place : On multiplie le numérateur et le dénominateur par exe^x : 11+e−x=exex(1+e−x)=exex+1\frac{1}{1+e^{-x}} = \frac{e^x}{e^x(1+e^{-x})} = \frac{e^x}{e^x+1}. L'expression est alors exactement de la forme u′(x)u(x)\frac{u'(x)}{u(x)} avec u(x)=ex+1>0u(x) = e^x+1 > 0, dont une primitive est ln⁡(ex+1)\ln(e^x+1).

Vérification · 43

Calcule l'aire A\mathcal{A} de la région du plan délimitée par la courbe de la fonction f(x)=e−xf(x) = e^{-x}, l'axe des abscisses et les droites d'équations x=0x=0 et x=1x=1.

Remarque

Puisque e−x>0e^{-x} > 0 sur [0;1][0;1], l'aire vaut en unités d'aire : A=∫01e−xdx=[−e−x]01=−e−1−(−e0)=1−e−1\mathcal{A} = \int_0^1 e^{-x} dx = [-e^{-x}]_0^1 = -e^{-1} - (-e^0) = 1 - e^{-1}.

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