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Logarithme Népérien — cours

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

Le cours

Point de départ · 1

Pour tout entier n≠−1n \neq -1, on sait déterminer une primitive de la fonction x↦xnx \mapsto x^n sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[ grâce à la formule xn+1n+1\frac{x^{n+1}}{n+1}.

Que se passe-t-il si on tente d'appliquer cette formule à la fonction inverse f(x)=1x=x−1f(x) = \frac{1}{x} = x^{-1} ?

Remarque

Pour n=−1n = -1, le dénominateur n+1n+1 s'annule : la formule usuelle est inapplicable. Pourtant, x↦1xx \mapsto \frac{1}{x} est continue sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[, donc elle admet obligatoirement des primitives. Les mathématiciens ont ainsi défini une nouvelle fonction pour combler ce vide.

Définition · 2

Définition de la fonction logarithme népérien

ln⁡:]0;+∞[→R\ln : ]0 ; +\infty[ \to \mathbb{R}

On appelle fonction logarithme népérien, notée ln⁡\ln, la primitive sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[ de la fonction x↦1xx \mapsto \frac{1}{x} qui s'annule en 1.

∀x>0,ln⁡(x)=∫1x1t dt\forall x > 0, \quad \ln(x) = \int_{1}^{x} \frac{1}{t} \, \mathrm{d}t

Par définition, le logarithme népérien n'est défini que pour des nombres strictement positifs. En particulier, on a :

ln⁡(1)=0\ln(1) = 0

Définition · 3

Dérivabilité, sens de variation et signe

∀x∈]0;+∞[,(ln⁡)′(x)=1x\forall x \in ]0 ; +\infty[, \quad (\ln)'(x) = \frac{1}{x}

Pour tout x>0x > 0, on a 1x>0\frac{1}{x} > 0. La fonction ln⁡\ln est donc strictement croissante sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[.

∀a,b∈]0;+∞[,a<b  ⟺  ln⁡(a)<ln⁡(b)\forall a, b \in ]0 ; +\infty[, \quad a < b \iff \ln(a) < \ln(b)

Comme ln⁡(1)=0\ln(1) = 0, la stricte croissance donne directement le signe de ln⁡(x)\ln(x) :

∀x∈]0;1[,  ln⁡(x)<0et∀x∈]1;+∞[,  ln⁡(x)>0\forall x \in ]0 ; 1[, \; \ln(x) < 0 \quad \text{et} \quad \forall x \in ]1 ; +\infty[, \; \ln(x) > 0

Exemple travaillé · 4

Soit ff la fonction définie sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[ par f(x)=x−ln⁡(x)f(x) = x - \ln(x). Étudier le sens de variation de ff et déterminer son extremum.

1

Comme somme de fonctions dérivables sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[, ff est dérivable sur cet intervalle.

2
f′(x)=1−1x=x−1xf'(x) = 1 - \frac{1}{x} = \frac{x-1}{x}
3

Pour tout x>0x > 0, le dénominateur xx est strictement positif. Le signe de f′(x)f'(x) est donc exactement celui de x−1x - 1.

4

Pour x∈]0;1]x \in ]0 ; 1], f′(x)≤0f'(x) \le 0 donc ff est décroissante. Pour x∈[1;+∞[x \in [1 ; +\infty[, f′(x)≥0f'(x) \ge 0 donc ff est croissante. La fonction ff admet donc un minimum absolu en 1 valant f(1)=1−ln⁡(1)=1f(1) = 1 - \ln(1) = 1.

Exemple travaillé · 5

Résoudre dans R\mathbb{R} l'inéquation ln⁡(2x−3)≤0\ln(2x - 3) \le 0.

1

On pose d'abord la condition d'existence de l'expression : le terme sous le logarithme doit être strictement positif.

2
2x−3>0  ⟺  x>322x - 3 > 0 \iff x > \frac{3}{2}
3

On remplace 0 par ln⁡(1)\ln(1) et on utilise la stricte croissance de la fonction ln⁡\ln sur son domaine :

4
ln⁡(2x−3)≤ln⁡(1)  ⟺  2x−3≤1  ⟺  2x≤4  ⟺  x≤2\ln(2x - 3) \le \ln(1) \iff 2x - 3 \le 1 \iff 2x \le 4 \iff x \le 2
5

On intersecte la condition d'existence x∈]32;+∞[x \in \left]\frac{3}{2} ; +\infty\right[ avec l'inégalité obtenue x≤2x \le 2. L'ensemble des solutions est S=]32;2]S = \left]\frac{3}{2} ; 2\right].

Piège classique · 6

Soit tt un réel appartenant à l'intervalle ]0;1[]0 ; 1[. On sait que t2<tt^2 < t. Que donne la multiplication de cette inégalité par ln⁡(t)\ln(t) ?

Attention

Conserver le sens de l'inégalité en écrivant t2ln⁡(t)<tln⁡(t)t^2 \ln(t) < t \ln(t), en supposant à tort que ln⁡(t)\ln(t) est positif faute de signe négatif explicite.

À la place : Sur ]0;1[]0 ; 1[, la fonction ln⁡\ln est strictement négative : ln⁡(t)<0\ln(t) < 0. Multiplier une inégalité par un nombre négatif change son sens, donc t2ln⁡(t)>tln⁡(t)t^2 \ln(t) > t \ln(t).

Vérification · 7

On pose a=ln⁡(0,3)a = \ln(0{,}3) et b=ln⁡(0,7)b = \ln(0{,}7). Quelle est la relation d'ordre exacte reliant aa, bb et 00 ?

Remarque

On a 0<0,3<0,7<10 < 0{,}3 < 0{,}7 < 1. Par stricte croissance de ln⁡\ln, ln⁡(0,3)<ln⁡(0,7)\ln(0{,}3) < \ln(0{,}7). De plus, comme ces réels sont strictement inférieurs à 1, leurs logarithmes sont strictement négatifs : ln⁡(0,3)<ln⁡(0,7)<ln⁡(1)=0\ln(0{,}3) < \ln(0{,}7) < \ln(1) = 0, soit a<b<0a < b < 0.

Point de départ · 8

Quelle est la dérivée de la fonction g:x↦ln⁡(3x)g : x \mapsto \ln(3x) sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[ ?

Remarque

Par la règle de dérivation d'une fonction composée, on a g′(x)=3×13x=1xg'(x) = 3 \times \frac{1}{3x} = \frac{1}{x}. La fonction x↦ln⁡(3x)x \mapsto \ln(3x) a donc exactement la même dérivée que x↦ln⁡(x)x \mapsto \ln(x). Leur différence est constante : ln⁡(3x)−ln⁡(x)=c\ln(3x) - \ln(x) = c. En évaluant en x=1x=1, on obtient c=ln⁡(3)c = \ln(3), d'où ln⁡(3x)=ln⁡(3)+ln⁡(x)\ln(3x) = \ln(3) + \ln(x).

Définition · 9

Propriétés algébriques fondamentales

La fonction logarithme népérien transforme les produits en sommes. Pour tous réels a>0a > 0 et b>0b > 0 :

ln⁡(ab)=ln⁡(a)+ln⁡(b)\ln(ab) = \ln(a) + \ln(b)

De cette relation résultent les règles de calcul suivantes pour tous réels a>0a > 0, b>0b > 0 et tout entier n∈Zn \in \mathbb{Z} :

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)
ln⁡(an)=nln⁡(a)etln⁡(a)=12ln⁡(a)\ln(a^n) = n\ln(a) \quad \text{et} \quad \ln(\sqrt{a}) = \frac{1}{2}\ln(a)

Exemple travaillé · 10

Exprimer ln⁡(72)\ln(72) et ln⁡(98)\ln\left(\frac{9}{8}\right) en fonction de ln⁡(2)\ln(2) et ln⁡(3)\ln(3).

1

On décompose 72 en produit de facteurs premiers : 72=8×9=23×3272 = 8 \times 9 = 2^3 \times 3^2.

2
ln⁡(72)=ln⁡(23×32)=ln⁡(23)+ln⁡(32)=3ln⁡(2)+2ln⁡(3)\ln(72) = \ln(2^3 \times 3^2) = \ln(2^3) + \ln(3^2) = 3\ln(2) + 2\ln(3)
3

Pour le quotient, on applique la règle de la différence :

4
ln⁡(98)=ln⁡(9)−ln⁡(8)=ln⁡(32)−ln⁡(23)=2ln⁡(3)−3ln⁡(2)\ln\left(\frac{9}{8}\right) = \ln(9) - \ln(8) = \ln(3^2) - \ln(2^3) = 2\ln(3) - 3\ln(2)

Exemple travaillé · 11

Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation ln⁡(x)+ln⁡(x+1)=ln⁡(2)\ln(x) + \ln(x+1) = \ln(2).

1

On pose d'abord les conditions d'existence : chaque terme sous un logarithme doit être strictement positif.

2
{x>0x+1>0  ⟺  x>0  ⟹  D=]0;+∞[\begin{cases} x > 0 \\ x+1 > 0 \end{cases} \iff x > 0 \implies D = ]0 ; +\infty[
3

Sur l'ensemble de validité DD, on regroupe les logarithmes à l'aide de la propriété du produit :

4
ln⁡(x(x+1))=ln⁡(2)  ⟺  x(x+1)=2  ⟺  x2+x−2=0\ln(x(x+1)) = \ln(2) \iff x(x+1) = 2 \iff x^2 + x - 2 = 0
5

Le trinôme admet deux racines réelles : x1=1x_1 = 1 et x2=−2x_2 = -2.

6

On confronte ces valeurs au domaine D=]0;+∞[D = ]0 ; +\infty[ : seule la racine 11 appartient à DD, tandis que −2-2 est rejetée. L'ensemble des solutions est S={1}S = \{1\}.

Piège classique · 12

Quel est l'ensemble des solutions dans R\mathbb{R} de l'équation ln⁡(x2)=0\ln(x^2) = 0 ?

Attention

Écrire ln⁡(x2)=2ln⁡(x)\ln(x^2) = 2\ln(x), restreindre à tort l'inconnue à x>0x > 0, et n'obtenir que l'unique solution x=1x = 1.

À la place : L'argument x2x^2 est strictement positif pour tout x≠0x \neq 0. Le domaine de validité est donc R∗\mathbb{R}^*. L'équation ln⁡(x2)=0  ⟺  x2=1\ln(x^2) = 0 \iff x^2 = 1 admet deux solutions réelles valides : 11 et −1-1. En toute rigueur, pour x∈R∗x \in \mathbb{R}^*, ln⁡(x2)=2ln⁡∣x∣\ln(x^2) = 2\ln|x|.

Vérification · 13

Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation 2ln⁡(x)=ln⁡(9)2\ln(x) = \ln(9).

Remarque

L'expression 2ln⁡(x)2\ln(x) impose x>0x > 0. Bien que (−3)2=9(-3)^2 = 9, la valeur −3-3 ne fait pas partie du domaine de définition car ln⁡(−3)\ln(-3) n'existe pas. L'unique solution est x=3x = 3, donc S={3}S = \{3\}.

Point de départ · 14

Quelle est la dérivée de la fonction f(x)=ln⁡(x2+1)f(x) = \ln(x^2+1) sur R\mathbb{R} ?

Remarque

D'après la règle de dérivation d'une fonction composée, (ln⁡(u))′=u′×1u=u′u(\ln(u))' = u' \times \frac{1}{u} = \frac{u'}{u}. Le facteur u′(x)=2xu'(x) = 2x est indispensable au numérateur : écrire seulement 1x2+1\frac{1}{x^2+1} revient à oublier la dérivation de la fonction intérieure.

Définition · 15

Dérivation de la fonction composée ln⁡(u)\ln(u)

Soit uu une fonction dérivable et strictement positive sur un intervalle II.

(ln⁡(u))′=u′u(\ln(u))' = \frac{u'}{u}

∀x∈I,(ln⁡(u))′(x)=u′(x)u(x)\forall x \in I, \quad (\ln(u))'(x) = \frac{u'(x)}{u(x)}

Si uu est dérivable et ne s'annule pas sur II (u(x)≠0u(x) \neq 0), la fonction x↦ln⁡∣u(x)∣x \mapsto \ln|u(x)| est également dérivable sur II et admet la même dérivée u′u\frac{u'}{u}.

Exemple travaillé · 16

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ln⁡(x2+x+2)f(x) = \ln(x^2 + x + 2). Justifier que ff est dérivable sur R\mathbb{R} et calculer f′(x)f'(x).

1

On étudie d'abord le signe du trinôme u(x)=x2+x+2u(x) = x^2 + x + 2. Son discriminant est Δ=12−4(1)(2)=−7<0\Delta = 1^2 - 4(1)(2) = -7 < 0. Comme le coefficient dominant a=1>0a = 1 > 0, on a u(x)>0u(x) > 0 pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}.

2

uu est une fonction polynôme dérivable et strictement positive sur R\mathbb{R}. Par composition avec ln⁡\ln, ff est dérivable sur R\mathbb{R}.

3

On calcule la dérivée de uu : u′(x)=2x+1u'(x) = 2x + 1.

4
f′(x)=u′(x)u(x)=2x+1x2+x+2f'(x) = \frac{u'(x)}{u(x)} = \frac{2x+1}{x^2+x+2}

Exemple travaillé · 17

Soit ff la fonction définie sur ]0;3[]0 ; 3[ par f(x)=ln⁡(3+x3−x)f(x) = \ln\left(\frac{3+x}{3-x}\right). Calculer f′(x)f'(x) sous forme d'une fraction irréductible en simplifiant l'expression au préalable.

1

Pour tout x∈]0;3[x \in ]0 ; 3[, on a 3+x>03+x > 0 et 3−x>03-x > 0. On décompose le logarithme du quotient en différence de deux logarithmes :

2
f(x)=ln⁡(3+x)−ln⁡(3−x)f(x) = \ln(3+x) - \ln(3-x)
3

On dérive chaque terme séparément à l'aide de la formule u′u\frac{u'}{u} :

4
f′(x)=13+x−−13−x=13+x+13−xf'(x) = \frac{1}{3+x} - \frac{-1}{3-x} = \frac{1}{3+x} + \frac{1}{3-x}
5

On réduit au même dénominateur pour simplifier le numérateur :

6
f′(x)=(3−x)+(3+x)(3+x)(3−x)=69−x2f'(x) = \frac{(3-x) + (3+x)}{(3+x)(3-x)} = \frac{6}{9-x^2}

Piège classique · 18

Quelle est la démarche la plus efficace pour dériver f(x)=ln⁡(1−xx+1)f(x) = \ln\left(\frac{1-x}{x+1}\right) sur ]−1;1[]-1 ; 1[ ?

Attention

Appliquer brutalement (ln⁡(u))′=u′u(\ln(u))' = \frac{u'}{u} à un quotient impose de dériver 1−xx+1\frac{1-x}{x+1} puis de simplifier une fraction à plusieurs étages, source majeure d'erreurs de signes.

À la place : Éclater le logarithme en ln⁡(1−x)−ln⁡(x+1)\ln(1-x) - \ln(x+1) avant de dériver transforme l'opération en deux dérivées immédiates : −11−x−1x+1=2x2−1\frac{-1}{1-x} - \frac{1}{x+1} = \frac{2}{x^2-1}.

Vérification · 19

Soit ff la fonction définie sur ]0;+∞[]0 ; +\infty[ par f(x)=ln⁡(x+1x)f(x) = \ln\left(\frac{x+1}{x}\right). Quelle est l'expression simplifiée de f′(x)f'(x) ?

Remarque

En écrivant f(x)=ln⁡(x+1)−ln⁡(x)f(x) = \ln(x+1) - \ln(x), la dérivée est immédiate : f′(x)=1x+1−1x=x−(x+1)x(x+1)=−1x(x+1)f'(x) = \frac{1}{x+1} - \frac{1}{x} = \frac{x - (x+1)}{x(x+1)} = -\frac{1}{x(x+1)}.

Point de départ · 20

Lorsque xx tend vers +∞+\infty, les termes xx et ln⁡(x)\ln(x) tendent tous les deux vers +∞+\infty. Que devient le quotient ln⁡(x)x\frac{\ln(x)}{x} lorsque xx devient infiniment grand ?

Remarque

Pour x=106=1 000 000x = 10^6 = 1\,000\,000, on a ln⁡(x)≈13,8\ln(x) \approx 13{,}8. Le dénominateur croît incomparablement plus vite que le logarithme : le quotient ln⁡(x)x\frac{\ln(x)}{x} tend vers 0. On dit que les puissances de xx l'emportent sur le logarithme en +∞+\infty.

Définition · 21

Limites remarquables et croissances comparées

Aux bornes de son domaine de définition ]0;+∞[]0 ; +\infty[, la fonction ln⁡\ln admet pour limites :

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

Au point 0 et au point 1, les taux d'accroissement fournissent deux limites de référence fondamentales :

lim⁡x→0ln⁡(1+x)x=1etlim⁡x→1ln⁡(x)x−1=1\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1+x)}{x} = 1 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 1} \frac{\ln(x)}{x-1} = 1

En 0 et en +∞+\infty, toute puissance polynomiale impose sa vitesse au logarithme (croissances comparées) :

lim⁡x→+∞ln⁡(x)x=0etlim⁡x→0+xln⁡(x)=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 0^+} x\ln(x) = 0

Remarque

Plus généralement, pour tous entiers m,n∈N∗m, n \in \mathbb{N}^*, on a lim⁡x→+∞(ln⁡x)nxm=0\lim_{x \to +\infty} \frac{(\ln x)^n}{x^m} = 0 et lim⁡x→0+xm(ln⁡x)n=0\lim_{x \to 0^+} x^m(\ln x)^n = 0.

Exemple travaillé · 22

Déterminer la limite : lim⁡x→+∞(x−2ln⁡(x))\lim_{x \to +\infty} (x - 2\ln(x)).

1

On a lim⁡x→+∞x=+∞\lim_{x \to +\infty} x = +\infty et lim⁡x→+∞(−2ln⁡(x))=−∞\lim_{x \to +\infty} (-2\ln(x)) = -\infty. Il s'agit d'une forme indéterminée du type « +∞−∞+\infty - \infty ».

2

Pour lever l'indétermination, on factorise par le terme prépondérant xx :

3
x−2ln⁡(x)=x(1−2ln⁡(x)x)x - 2\ln(x) = x\left(1 - 2\frac{\ln(x)}{x}\right)
4

D'après le théorème des croissances comparées, on a lim⁡x→+∞ln⁡(x)x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x} = 0.

5

On en déduit que lim⁡x→+∞(1−2ln⁡(x)x)=1−0=1\lim_{x \to +\infty} \left(1 - 2\frac{\ln(x)}{x}\right) = 1 - 0 = 1. Par produit avec lim⁡x→+∞x=+∞\lim_{x \to +\infty} x = +\infty, la limite s'ensuit :

6
lim⁡x→+∞(x−2ln⁡(x))=+∞\lim_{x \to +\infty} (x - 2\ln(x)) = +\infty

Exemple travaillé · 23

Déterminer la limite : lim⁡x→+∞xln⁡(x+1x)\lim_{x \to +\infty} x \ln\left(\frac{x+1}{x}\right).

1

On décompose d'abord la fraction rationnelle intérieure :

2
x+1x=1+1x\frac{x+1}{x} = 1 + \frac{1}{x}
3

Le produit se réécrit alors sous la forme d'un quotient :

4
xln⁡(1+1x)=ln⁡(1+1x)1xx \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) = \frac{\ln\left(1 + \frac{1}{x}\right)}{\frac{1}{x}}
5

On pose le changement de variable u=1xu = \frac{1}{x}. Lorsque x→+∞x \to +\infty, on a u→0+u \to 0^+.

6

D'après la limite fondamentale lim⁡u→0+ln⁡(1+u)u=1\lim_{u \to 0^+} \frac{\ln(1+u)}{u} = 1, on conclut par composition :

7
lim⁡x→+∞xln⁡(x+1x)=1\lim_{x \to +\infty} x \ln\left(\frac{x+1}{x}\right) = 1

Piège classique · 24

Pour déterminer lim⁡x→0+x−ln⁡(x)2x+ln⁡(x)\lim_{x \to 0^+} \frac{x - \ln(x)}{2x + \ln(x)}, quelle factorisation permet de lever l'indétermination ?

Attention

Factoriser par xx au numérateur et au dénominateur par habitude de ce qui est fait en +∞+\infty, ce qui donne 1−ln⁡xx2+ln⁡xx\frac{1 - \frac{\ln x}{x}}{2 + \frac{\ln x}{x}} et ne lève rien car ln⁡xx→−∞\frac{\ln x}{x} \to -\infty en 0+0^+.

À la place : Au voisinage de 0+0^+, le terme dominant est ln⁡(x)\ln(x) (qui tend vers −∞-\infty), alors que xx tend vers 00. Il faut factoriser par ln⁡(x)\ln(x) : ln⁡(x)(xln⁡x−1)ln⁡(x)(2xln⁡x+1)=xln⁡x−12xln⁡x+1\frac{\ln(x)\left(\frac{x}{\ln x} - 1\right)}{\ln(x)\left(\frac{2x}{\ln x} + 1\right)} = \frac{\frac{x}{\ln x} - 1}{\frac{2x}{\ln x} + 1}. Comme lim⁡x→0+xln⁡x=0\lim_{x \to 0^+} \frac{x}{\ln x} = 0, la limite vaut −11=−1\frac{-1}{1} = -1.

Vérification · 25

Déterminer la limite : lim⁡x→0+(x2ln⁡(x)+3)\lim_{x \to 0^+} (x^2 \ln(x) + 3).

Remarque

D'après les croissances comparées en 0+0^+, pour tout entier m≥1m \ge 1, on a lim⁡x→0+xmln⁡(x)=0\lim_{x \to 0^+} x^m \ln(x) = 0. Ainsi, lim⁡x→0+x2ln⁡(x)=0\lim_{x \to 0^+} x^2 \ln(x) = 0, d'où par somme lim⁡x→0+(x2ln⁡(x)+3)=0+3=3\lim_{x \to 0^+} (x^2 \ln(x) + 3) = 0 + 3 = 3.

Point de départ · 26

On sait que pour toute fonction uu dérivable et strictement positive, (ln⁡(u))′=u′u(\ln(u))' = \frac{u'}{u}. Quelle est une primitive sur ]1;+∞[]1 ; +\infty[ de la fonction f(x)=2xx2−1f(x) = \frac{2x}{x^2-1} ?

Remarque

On remarque que la dérivée du dénominateur u(x)=x2−1u(x) = x^2 - 1 est exactement u′(x)=2xu'(x) = 2x. L'expression est de la forme u′(x)u(x)\frac{u'(x)}{u(x)}. Comme (ln⁡(u))′=u′u(\ln(u))' = \frac{u'}{u}, une primitive immédiate est ln⁡(u(x))=ln⁡(x2−1)\ln(u(x)) = \ln(x^2-1).

Définition · 27

Primitives associées à la forme u'/u et primitive de ln

Soit uu une fonction dérivable ne s'annulant sur aucun point d'un intervalle II.

∫u′(x)u(x) dx=ln⁡∣u(x)∣+c(c∈R)\int \frac{u'(x)}{u(x)} \, \mathrm{d}x = \ln|u(x)| + c \quad (c \in \mathbb{R})

La valeur absolue est indispensable : elle permet de définir la primitive lorsque u(x)<0u(x) < 0 sur l'intervalle II.

∀x∈]0;+∞[,∫ln⁡(x) dx=xln⁡(x)−x+c(c∈R)\forall x \in ]0 ; +\infty[, \quad \int \ln(x) \, \mathrm{d}x = x\ln(x) - x + c \quad (c \in \mathbb{R})

Remarque

On vérifie la primitive de ln⁡(x)\ln(x) en dérivant le produit : (xln⁡x−x)′=1×ln⁡x+x×1x−1=ln⁡x(x\ln x - x)' = 1 \times \ln x + x \times \frac{1}{x} - 1 = \ln x.

Exemple travaillé · 28

Déterminer une primitive sur l'intervalle I=]1;+∞[I = ]1 ; +\infty[ de la fonction ff définie par f(x)=xx2−1f(x) = \frac{x}{x^2-1}.

1

On pose u(x)=x2−1u(x) = x^2 - 1. La dérivée de uu est u′(x)=2xu'(x) = 2x.

2

Le numérateur contient xx, qui est proportionnel à u′(x)u'(x). On fait apparaître la dérivée exacte en multipliant et en divisant par la constante 2 :

3
f(x)=12×2xx2−1=12u′(x)u(x)f(x) = \frac{1}{2} \times \frac{2x}{x^2-1} = \frac{1}{2} \frac{u'(x)}{u(x)}
4

Pour tout x>1x > 1, on a x2−1>0x^2 - 1 > 0, donc ∣u(x)∣=x2−1|u(x)| = x^2 - 1.

5
F(x)=12ln⁡(x2−1)F(x) = \frac{1}{2}\ln(x^2-1)

Exemple travaillé · 29

Déterminer une primitive sur l'intervalle I=]−∞;0[I = ]-\infty ; 0[ de la fonction gg définie par g(x)=2x+1+1xg(x) = 2x + 1 + \frac{1}{x}.

1

On primitive terme à terme cette somme sur l'intervalle II.

2

Une primitive de la partie polynomiale x↦2x+1x \mapsto 2x + 1 est x↦x2+xx \mapsto x^2 + x.

3

Pour le terme rationnel 1x\frac{1}{x}, une primitive générale est ln⁡∣x∣\ln|x|.

4

Sur l'intervalle I=]−∞;0[I = ]-\infty ; 0[, xx est strictement négatif, donc ∣x∣=−x|x| = -x.

5
G(x)=x2+x+ln⁡(−x)G(x) = x^2 + x + \ln(-x)

Piège classique · 30

On cherche une primitive sur R\mathbb{R} de la fonction h(x)=2x(x2+1)2h(x) = \frac{2x}{(x^2+1)^2}. Quelle est l'expression correcte ?

Attention

Associer immédiatement toute fraction à un logarithme en écrivant ln⁡((x2+1)2)\ln((x^2+1)^2) ou 12ln⁡(x2+1)\frac{1}{2}\ln(x^2+1).

À la place : Le dénominateur est élevé au carré (n=2n=2) et non à la puissance 1. Il s'agit de la forme puissance u′(x)(u(x))−2u'(x)(u(x))^{-2} avec u(x)=x2+1u(x) = x^2+1. Sa primitive est u−1−1=−1u=−1x2+1\frac{u^{-1}}{-1} = -\frac{1}{u} = -\frac{1}{x^2+1}.

Vérification · 31

Calculer l'intégrale J=∫012x+1x2+x+1 dxJ = \int_{0}^{1} \frac{2x+1}{x^2+x+1} \, \mathrm{d}x.

Remarque

En posant u(x)=x2+x+1u(x) = x^2+x+1, on a u′(x)=2x+1u'(x) = 2x+1. Comme x2+x+1>0x^2+x+1 > 0 sur [0;1][0 ; 1], la fonction est exactement de la forme u′u\frac{u'}{u}. Une primitive est x↦ln⁡(x2+x+1)x \mapsto \ln(x^2+x+1). On évalue aux bornes : J=[ln⁡(x2+x+1)]01=ln⁡(3)−ln⁡(1)=ln⁡(3)J = [\ln(x^2+x+1)]_0^1 = \ln(3) - \ln(1) = \ln(3).

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