9
Fonctions logarithmes
50
Leçon n° Niveau Terminale S et BTSPrérequis fonctions dérivées, fonctions exponentielles, primitives, intégrales, théorème des accroissement finis, résolution d’une équation du second degré.
Références [60], [147]
50.1
Introduction de la fonction logarithme
50.1.1 Introduction du logarithme par les primitives
Théorème 50.1 La fonction « inverse », définie sur]0 , +∞[ par f(x) = 1
x admet une unique primi-tive F qui vérifie la condition F(1) = 0.
L’argument principal est que toute fonction continue sur un intervalle I admet des primitives sur I.
Définition 50.2 On considère la fonction f définie sur l’intervalle]0 , +∞[ par f(x) = 1
x (restriction de la fonction « inverse » à]0 , +∞[. La fonction logarithme népérien noté ln est la primitive F de f telle que F(1) = 0.
50.1.2 Introduction du logarithme par l’exponentielle
Propriété 50.3 Pour tout nombre réel a strictement positif, il existe un réel unique α tel queeα = a. On appelle ce nombre le logarithme népérien de a. On le noteln a.
Dv
•Démonstration de la propriété50.3—La fonction x 7→ exest dérivable sur R, donc elle
est continue de R vers l’intervalle ]0 , +∞[. D’après le théorème des valeurs intermédiaires, pour tout réel a de l’intervalle]0 , +∞[, l’équation ex= a admet des solutions. Or la fonction
x 7→ ex est strictement croissante sur R. Il y a donc un et un seul nombre réel α tel que
eα= a. •
Exemples 50.4 1. Le nombre α tel queeα= 3 est ln 3.
2. ln 5 est le nombre dont l’image par la fonction x 7→ exest5 ; ainsi eln 5 = 5.
50.1.3 Conséquences des définitions du logarithme
On va se placer dans le cadre où on a introduit le logarithme par l’unique primitive F de la fonction x7→ 1x sur l’intervalle]0 , +∞[ qui vérifie la condition F(1) = 0.
ln(a) = α a= eα
O
FIGURE50.1 – Définition du logarithme népérien avec la fonction exponentielle
Conséquence 50.5 1. La fonction primitive est définie sur le même intervalle que la fonction considérée, donc la fonctionln est définie sur ]0 , +∞[.
2. ln(1) = 0.
3. la fonctionln est dérivable sur ]0 , +∞[ et (ln x)0 = 1
x pour tout x ∈ ]0 , +∞[. La fonction ln est continue sur ]0 , +∞[ puisque dérivable sur cet intervalle
4. La fonction ln est strictement croissante sur ]0 , +∞[ puisque sa dérivée est strictement positive sur cet intervalle, ce qui permet une première esquisse de son tableau de variations :
x 0 1 +∞
signe de la dérivée 1x || + +
|| %
variation de la fonctionln || 0 || % 5. Ainsi, nous en déduisons également le signe de la fonctionln :
— ln x < 0 ⇔ 0 < x < 1, — ln x = 0 ⇔ x = 1, — ln x > 0 ⇔ x > 1.
6. La fonctionln étant strictement croissante et continue, elle réalise une bijection de ]0 , +∞[ sur l’intervalle image. On en déduit que pour tous réels a et b de]0 , +∞[, on a :
— ln a = ln b ⇔ a = b, — ln a < ln a ⇔ a < b.
En effet, si a= b alors il est clair que ln a = ln b. De même, si a < b alors (stricte croissante duln) ln a < ln b.
50.2 Théorème fondamental 11
50.1.4 Des exemples
Exemples 50.6 1. On veut déterminer l’ensemble de définition des fonctions f et g définies
par :
— f(x) = ln(x + 3) — g(x) = ln(x2− x − 2).
On pose F(x) = x + 3 et G(x) = x2− x − 2. Les deux fonctions f et g sont définies si le
logarithme des deux fonctions F et G sont définies, ce qui équivaut à la positivité stricte des deux fonctions F et G.
— F(x) > 0 ⇔ x + 3 > 0 ⇔ x > −3. Donc f est définie sur l’intervalle ]−3 , +∞[. — G(x) > 0 ⇔ x2− x − 2 > 0. On résout x2− x − 2 = 0. Le discriminant du trinôme est
∆ = 1 − 4 × (−2) = 1 + 8 = 9. Donc :
x1= 1 + 32 = 2 et x2= 1 − 32 = −1.
Or le signe du coefficient de x2est positif donc G(x) > 0 ⇔ x ∈ ]−∞ , −1[ ∪ [2 , +∞]. Donc g est définie sur l’intervalle]−∞ , −1[ ∪ [2 , +∞].
2. On veut dériver la fonction f définie par f(x) = 3 − x + ln x. La fonction f est dérivable car c’est une somme de fonctions dérivables. On rappelle que comme x 7→ ln x est une primitive de x 7→ 1x, la dérivée de la fonction logarithme est x 7→ x1. Donc :
f0(x) = −1 + 1 x = −
x+ 1
x .
3. On veut résoudre l’équationln(2x + 1) = ln(3 −x). Ceci est équivalent à résoudre le système d’équation/inéquation suivant : 2x + 1 = 3 − x 2x + 1 ≥ 0 3 − x ≥ 0 Or : 2x + 1 = 3 − x ⇔ 3x = 2 ⇔ x = 23 et on vérifie les deux autres conditions du système :
2 ×23 + 1 = 73 et 3 −23 = 73. Donc la solution de l’équation proposée est x= 2
3.
50.2
Théorème fondamental
Théorème 50.7 Pour tous réels a et b strictement positifs : ln(ab) = ln a + ln b.
Dv
•Démonstration du théorème50.7—Pour tout réel a strictement positif, on pose la fonc-tion G définie sur]0 , +∞[ par :
G(x) = ln(ax).
La fonction G est dérivable (G est une composée de fonctions dérivables : G = v ◦ u avec u(x) = ax et v = ln) et :
G0(x) = a × 1 ax =
1 x
La fonction G est donc une primitive de la fonction inverse tout comme la fonctionln. Elles diffèrent donc d’une constante c :
G(x) = ln x + c ⇔ ln(ax) = ln x + c. On calcule la constante c, si x= 1, on a :
ln a = ln 1 + c = 0 + c, d’où c= ln a et finalement :
ln(ax) = ln x + ln a pour tout réel x ∈ ]0 , +∞[.
•
R 50.8 Si a et b sont strictement négatifs, on a une relation analogue : ln(ab) = ln(−a) + ln(−b) et plus généralement, pour tout réels a et b de R∗:
ln |ab| = ln |a| + ln |b| .
Conséquence 50.9 Pour tous réels a et b strictement positifs : 1. ln1 b = − ln b, 2. lna b = ln a − ln b, 3. ln ap = p ln a, (p ∈ Z), 4. ln √a = 1 2ln a. Dv •Démonstration de la conséquence50.9— 1. 0 = ln 1 = ln(b ×1b) = ln b + ln1 b d’oùln 1 b = − ln b. 2. lna b = ln(a ×1b) = ln a + ln1b = ln a − ln b. 3. Si p >0 alors ln ap= ln(a × a × · · · × a) = ln a + ln a + · · · + ln a = p ln a.
50.3 Etude de la fonctionln 13 Si p <0 alors ln ap = ln 1 a−p = − ln(a−p) = −(−p) ln a = p ln a. 4. Voir la section50.6. •
50.3
Etude de la fonction
ln
50.3.1 Limites aux bornes de l’ensemble de définition ]0 , +∞[ Théorème 50.10
lim
x→0+ln x = −∞ et x→+∞lim ln x = +∞
où x → 0+signifie x tend vers0 par valeurs supérieures.
Dv
• Démonstration du théorème50.10— On établit le deuxième résultat. Soit p un entier naturel. On aln 2p= p ln 2. D’où :
lim
p→+∞ln 2
p= lim
p→+∞pln 2 = +∞.
Soit x un nombre réel tel que x ≥ 2p. La fonctionln est strictement croissante, donc ln x ≥
ln 2p. On passe à la limite :
lim
x→+∞ln x ≥ limp→+∞ln 2 p.
Or,limp→+∞ln 2p= +∞ donc limx→+∞ln x = +∞.
Le premier résultat en découle simplement par changement de variable : lim
x→0+ln x = limx→+∞ln
1
x= − limx→+∞ln x = −∞.
•
Théorème 50.11 La fonctionln est une bijection (strictement croissante) de ]0 , +∞[ sur R.
Dv
• Démonstration du théorème50.11—La stricte croissance et la bijectivité ont déjà été établies. En outre, comme
lim
x→0+ln x = −∞ et x→+∞lim ln x = +∞
et comme la fonctionln est continue, elle prend toutes les valeurs intermédiaires entre −∞ et +∞. l’intervalle image de ]0 , +∞[ par la fonction ln est donc R. •
50.3.2 Le nombre e
Puisque la fonction ln est une bijection de ]0 , +∞[ dans R, pour tout réel ln x = λ admet une unique solution dans]0 , +∞[.
Définition 50.12 — Base du logarithme népérien. On notee l’unique solution de l’équation ln x = 1. Ce nombree s’appelle base du logarithme népérien.
On a doncln e = 1 et par la calculatrice, on obtient e ≈ 2,718 . . . . Plus généralement, ln ep =
pln e = p.
Exemple 50.13 Soit à résoudreln(x + 3) = 9, pour x > −3 :
ln(x + 3) = ln e9⇔ x + 3 = e9 ⇔ x = e9− 3 ≈ 8100.
50.3.3 Représentation graphique de la fonctionln
e 1
O
50.4
Limites de références
Lemme 50.14 La représentation graphique de la fonction ln est toujours située sous la première bissectrice(y = x) :
ln x < x pour tout x > 0.
Dv
•Démonstration du lemme50.14—On considère la fonction f définie sur I = ]0 , +∞[ par f(x) = x − ln x. Sa dérivée f0est définie sur I par :
f0(x) = 1 −1 x =
x− 1 x .
50.4 Limites de références 15
On a f0(x) > 0 si et seulement si x > 1 d’où le tableau de variations de f :
x 0 1 +∞
signe de f0 || − 0 +
||
variations de f || & %
|| 1
La fonction f admet un minimum m strictement positif en1 : m= f(1) = 1 − ln 0 = 1.
Par conséquent, la fonction f est strictement positive pour tout réel x positif, d’où le lemme. •
R 50.15 On a mêmeln x ≤ x − 1, pour tout x ∈ ]0 , +∞[.
Théorème 50.16 1. lim x→+∞ ln x x = 0. 2. lim x→+∞ ln x xn = 0, (pour tout n ∈ N∗). 3. lim x→0+xln x = 0 4. lim x→0+x nln x = 0, (pour tout n ∈ N∗). 5. lim x→1 ln x x− 1 = 1. Dv
•Démonstration du théorème 50.16—D’après le lemme précédent, on peut écrire, pour tout x >0 : ln √x < √x :
1
2ln x < √x et pour x >1, on a :
0 < ln x < 2√x ⇔ 0 < ln xx <√2x. Commelimx→+∞√2x = 0, on a, d’après le théorème des gendarmes :
lim
x→+∞
ln x x = 0.
On en déduit, comme simple conséquence que pour n ≥ 2 : lim x→+∞ ln x xn = limx→+∞ 1 xn−1 ln x x = 0
car limx→+∞xn1−1 = 0 et limx→+∞ ln xx = 0. On établit maintenant la limite suivante à
l’aide du changement de variable du type X = 1 x: lim x→0+xln x = limX→+∞ 1 X ln 1 X = lim X→+∞ −ln XX = 0 d’après ce qui précède. On en déduit, comme simple conséquence que pour n ≥ 2 :
lim
x→0+x
nln x = lim x→0+x
n−1xln x = 0
carlimx→0+xn−1 = 0 et limx→0+xln x = 0. Enfin, pour la dernière limite, on reconnaît
l’accroissement moyen de la fonctionln en x0= 1 La limite est donc égale au nombre dérivé
de la fonctionln en x0soit x10 : lim x→1 ln x x− 1 = limx→1 ln x − ln 1 x− 1 = ln 0(1) =1 1 = 1. •
R 50.17 La dernière limite peut s’écrire sous d’autres formes : lim h→0 ln(1 + h) h = 1 ou x→+∞lim xln 1 + 1 x = 1.
Corollaire 50.18 Pour toute fonction polynôme P de degré supérieur ou égal à1, on a : lim
x→+∞
ln x P(x) = 0.
Dv
• Démonstration du corollaire 50.18 — Soit n ∈ N∗ le degré de P . Notons P(x) =
Pn
p=0apxp(avec an 6= 0). Comme la limite en +∞ d’une fonction polynôme P est égale à
la limite de son terme de plus haut degré, nous avons lim x→+∞ ln x P(x) = limx→+∞ ln x anxn = 0 puisquelimx→+∞ln xxn = 0. •
Exemples 50.19 1. On veut étudier la limite suivante :
lim x→+∞ ln(x + 1) x . On a : ln(x + 1) x = ln(x + 1) x+ 1 × x+ 1 x .
50.5 Dérivées et primitives 17 Or,limx→+∞ x+1x = 1 et lim x→+∞ ln(x + 1) x+ 1 = limX→+∞ ln X X = 0 D’où par produit,
lim x→+∞
ln(x + 1)
x = 0.
2. On veut étudier la limite suivante :
lim x→+∞
ln x √
x. En remarquant que x= (√x)2, nous avons :
ln x √
x =
2 ln √x
x .
En posant X = √x (X → +∞), nous obtenons : lim x→+∞ ln x √ x = limx→+∞ 2 ln √x √ x = limX→+∞2 ln X X = 0. Par un raisonnement analogue, on peut montrer que :
lim x→0+ √ xln x = 0.
50.5
Dérivées et primitives
Théorème 50.20 Soit u une fonction strictement positive et dérivable sur un intervalle I. La fonction définie parln u est dérivable sur I et :
(ln u)0= u0
u.
C’est une conséquence du théorème de dérivation d’une fonction composée.
Théorème 50.21 Soit u une fonction dérivable sur un intervalle I. Une primitive deu0
u sur I estln |u|. Pour la démonstration de ce théorème, on peut utiliser le précédent en dérivantln |u|. On distin-guera les intervalles où u >0 de ceux où u < 0.
Exemple 50.22 On veut dériver sur]0 , +∞[ la fonction f(x) = ln x 2+ 1 x ! = ln(x2+ 1) − ln(x). On obtient : f0(x) = 2x x2+ 1 − 1 x.
50.6
Exponentielles de base a
Définition 50.23 Pour tout nombre réel a strictement positif et tout nombre réel b, on pose : ab= ebln a.
R 50.24
1. Cette définition donne un sens à une écriture telle que π√2.
2. Elle est cohérente avec la puissance rationnelle d’un nombre31/2 = e1
2ln 3. Or 1
2ln 3 = ln√3 donc
31/2= eln√3=√3.
Exemples 50.25 — Sur calculatrice TI82.
> Pi^(V^(2))=e^(V^(2)*ln(Pi)) 1 > Pi^(V^(2)) 5.047487267 > e^(3*ln(2)) 8 > (-3)^5 -243 > (-3)^(Pi) ERR:REP NONREEL 1:Quitter [EXE] > 3^(-Pi) .0317014678 Propriété 50.26 Pour tous nombres réels a et a0strictement positifs et tous nombres réels b et b0:
1. ln ab = b ln a. 2. ab+b0 = ab ab0. 3. ab−b0 = ab ab0 4. (ab)b0 = abb0. 5. (aa0)b = aba0b. 6. a a0 b = ab a0b.
R 50.27 Les propriétés des puissances d’exposants entiers s’étendent, pour les nombres strictement positifs, aux puissances d’exposants réels.
Exemples 50.28 1. 1 2 π = 1 2π = 2−π, 2. 3 ×1 3 √2 = 31−√2.
Définition 50.29 — Exponentielle de base a. Soit a un nombre réel strictement positif et différent de 1. On définit sur R la fonction x 7→ axpar ax = exln a. On l’appelle fonction exponentielle de base
a.
Exemples 50.30 1. La fonction f : x 7→ 5xest définie sur R par 5x = exln 5. Elle est dérivable
sur R et
50.7 Applications 19
2. La fonction g : x 7→ 1 2
x
est définie sur R par12 x
= exln12 = e−x ln 2. Elle est dérivable
sur R et g0(x) = − ln 2 × 1 2 x .
On peut tracer le tableau de variations de x 7→ axen distinguant deux cas : 1. Si0 < a < 1 : x −∞ 0 1 +∞ +∞ & 1 ax & a & 0 2. Si1 < a : x −∞ 0 1 +∞ +∞ % 1 ax % a % 0
50.7
Applications
50.7.1 Le logarithme n’est pas une fonction rationnelle
Proposition 50.31 La fonction logarithme népérien n’est pas une fonction rationnelle.
Dv
• Démonstration —On raisonne par l’absurde : supposons queln est rationnelle. Alors il existe deux fonctions P et Q telles queln = P
Q.
On a : limx→+∞ln(x) = +∞ donc deg P deg Q. De même limx→+∞ln(x)x = 0 donc
deg P > deg Q + 1. •
R 50.32 On peut simplifier la démonstration sans utiliser les croissances comparées. On raisonne toujours par l’absurde en supposant queln = P
Q avec P et Q deux polynômes premiers enter eux. En dérivant membre
à membre on obtient : 1 X = P0Q− Q0P Q2 ⇔ Q 2= XP0Q− XQ0P.
g(x) = 0,5x h(x) = 0,2x f (x) = exp(−x) (a)0 < a < 1 f(x) = exp(x) f(x) = 2x f(x) = 5x (b)1 < a
50.7 Applications 21
50.7.2 Image d’une suite géométrique
Proposition 50.33 L’image d’une suite géométrique de raison r > 0 par la fonction logarithme est une suite arithmétique de raisonln r.
Dv
•Démonstration —La preuve est immédiate en utilisant les propriétés algébriques du
loga-rithme. •
50.7.3 Approximation du logarithme népérien d’un réel
Proposition 50.34 Soit a > 1 et soit (un)n≥0 la suite définie par u0 = a et pour tout n > 0,
un+1 = √un. Alors la suite(vn)n≥0définie pour tout n ≥ 0, vn= 2n(un− 1) converge vers ln a.
Dv
•Démonstration —On montre tout d’abord que(un)n≥0converge vers1.
∀n > 0, un+1− 1 =√un− 1 = un− 1 √u n+ 1 ≤ 1 2(un− 1).
D’où, pour tout n ≥ 0, 0 ≤ un− 1 ≤ 12 n
(x − 1). Par le théorème de comparaison, on en déduit quelimn→+∞un= 1.
Montrons que (vn)n≥0 converge versln(a). En étudiant les fonctions f : h 7→ h − h
2 2 ≤ ln(1 + h) et g : h 7→ h ≤ ln(1 + h), on montre que : ∀h > 0, h −h 2 2 ≤ln(1 + h) ≤ h. De cette inégalité, on en déduit que :
∀n ≥ 0, −(a − 1)
2
2n+1 ≤ ln(a) − vn≤ 0.
Bibliographie
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