Fonctions logarithmes en terminale D

Fonctions logarithmes en terminale D

PEDEPOUH Severain dirigé par

Dr Fidèle CIAKE CIAKE, Chargé de Cours à l’ENS de Yaoundé Mme Alice KAMGA, Inspecteur national de Mathématiques

Mme Judith MELELE Epse SIMO, Professeur au Lycée Bilingue de Yaoundé

Yaoundé, le 15 juillet 2014

♣ Résumé ^♣

Dans ce travail, nous élaborons un cours sur les fonctions logarithmes en terminale D .Il

s’adresse aux enseignants et aux élèves en classe de terminale D.

♣ Abstract ^♣

We have elaborated in this work, lessons on logarithms functions in Terminale D. This work

concerns teachers en students in terminale D.

♣ Table des matières ^♣

Résumé i

Abstract ii

0.1 Présentation de la ressource . . . . 2

0.1.1 Objectifs pédagogiques . . . . 2

0.1.2 Liens avec les autres parties du programme . . . . 3

0.2 Généralités sur la fonction logarithme népérien. . . . 3

0.2.1 Définition et conséquences . . . . 3

0.2.2 Propriété fondamentale . . . . 5

0.3 Etude de la fonction logarithme népérien. . . . 8

0.3.1 Limites aux bornes de l’ensemble de définition ]0; +∞[. . . . 8

0.3.2 Dérivée et sens de variation. . . . 9

0.3.3 Limites de références. . . . 10

0.4 Equations et inéquations . . . . 14

0.5 Dérivées et primitives. . . . . 17

0.5.1 Dérivée de la fonction 𝑙𝑛 ∘ 𝑓 . . . . 17

0.5.2 Primitives de

. . . . 18

0.6 Exemple d’étude des fonctions comportant 𝑙𝑛. . . . 19

0.7 Les fonctions Logarithmes . . . . . 22

0.7.1 Etude de la fonction logarithme de base 𝑎. . . . 24

0.7.2 Logarithme décimal . . . . 24

0.8 Exercices à faire à domicile . . . . 26

Bibliographie 34

Fonctions logarithmes en terminale D

0.1. Présentation de la ressource

Historique

Vers la fin du 16

siècle, le développement de l’astronomie, de la navigation d’une part et les calculs bancaires d’intérêt d’autre part, poussent les mathématiciens à chercher des méthodes de simplifications de calculs et en particulier la transformation des produits par des sommes et racine carrée par division par 2. C’est dans le but de simplifier les calculs trigonométriques de l’astronomie que John Napier (1550 − 1617) invente les logarithmes. (Le terme est de lui, du grècque logos= logique, raison et arithmos =nombre). Son travail sera poursuivi et prolongé par le mathématicien anglais Henry BRIGGS qui publie en 1624 les tables de logarithmes dé- cimaux. Le logarithme népérien (ou naturel) est celui qui utilise le nombre 𝑒 comme base, il est fondamental en analyse mathématiques car il est la fonction réciproque de la fonction exponen- tielle. Le logarithme binaire, qui utilise 2 comme base, est utile pour les calculs appliqués, et en informatique théorique. Les logarithmes sont fréquents dans les formules utilisées en sciences.

La notion de fonction, la correspondance entre les fonctions exponentielles et les fonctions loga- rithmes n’apparaissent que plus tardivement après le travail de Leibniz sur la notion de fonction (1697).[7] ;[6])

0.1 Présentation de la ressource

0.1.1 Objectifs pédagogiques

Objectif général

L’objectif est de compléter la banque des fonctions, des suites de références d’outils et utiliser les fonctions logarithmes dans la résolution des problèmes [8].

Objectifs spécifiques

A la fin de ce cour,l’apprenant doit être capable de :

– Faire des calculs logarithmiques et tracer des courbes des fonctions logarithmiques.

– Résoudre une équation ou une inéquation comportant des logarithmes .

– Utiliser les limites de la fonction logarithme pour déterminer les limites de fonctions . – Déterminer les primitives d’une fonction de la forme

, où 𝑢 est une fonction . – Etudier la composée d’une fonction avec le logarithme népérien.

– Donner la relation entre le logarithme népérien et le logarithme dans d’autres bases de calcul.

– Valoriser le rôle des logarithmes pour d’autres disciplines permettant de résoudre des situations réelles en économie, en chimie, en biologie ...

– Utiliser les logarithmes dans la résolution des problèmes de la vie courante.

0.2. Généralités sur la fonction logarithme népérien.

0.1.2 Liens avec les autres parties du programme

Parties du programme nécessaire au développement de la ressource et leurs contributions Pour bien acquérir ce cours et surmonter les difficultés, l’apprenant a besoin des savoirs et de savoirs-faire suivants :

a) La dérivation, en particulier la dérivation des fonctions composées . b) L’étude des variations d’une fonction .

c) L’étude des fonctions usuelles : elle permet de mieux assimiler l’étude des fonctions loga- rithmes.

d) Les primitives simples et généralisées.

e) Le théorème des valeurs intermédiaires. Nous supposerons connu l’existence de primitives pour une fonction continue sur un intervalle non trivial.

En revanche la fonction exponentielle n’est pas supposée connue.

Apport de la ressource dans d’autres parties.

Ce cours permet d’élargir le champ d’étude de fonctions ainsi que les suites numériques. Elle permet également d’agrandir le champ de calcul de primitives et de calcul intégral de certaines fonctions rationnelles. Elle permet également de résoudre certaines équations de 1

ordre. Vu l’importance de ce cours, il est conseillé de le faire à la deuxième sequence pour sont utilisation aisée dans d’autres parties du programme de terminale.

Différents champ d’application des fonctions logarithmes.

En mathématiques : calcul du nombre de chiffre intervenant dans l’écriture décimal d’un nombre entier naturel .

En économie : Calcul du temps de doublement d’un capital.

En science physique : Calcul du 𝑝𝐻 d’une solution En acoustique : Déterminer l’intensité sonore

En séismologie : déterminer la magnitude d’un séisme et le placer sur l’échelle de RICHTER.

En démographie...

0.2 Généralités sur la fonction logarithme népérien.

0.2.1 Définition et conséquences

Activité 0.2.1. le but de cette activité est de montrer la nécessite de créer la primitive de

.

0.2. Généralités sur la fonction logarithme népérien.

1. Déterminer les primitives des fonctions suivantes sur 𝐼 =]0; +∞[ après avoir justifier leur existence : 𝑗(𝑥) = 𝑥

; ℎ(𝑥) = 𝑥

; 𝑢(𝑥) =

; 𝑣 (𝑥) =

; 𝑔(𝑥) =

.

2. Donner la formule générale pour les primitives de la fonction 𝑙 définie par 𝑙(𝑥) =

où est 𝑛 est entier naturel supérieur où égal à 2.Cette formule est-elle vraie pour 𝑛 = 1 ? 3. Soit 𝑓 la fonction définie sur 𝐼 =]0; +∞[ par 𝑓(𝑥) =

.

Peut-on dire que 𝑓 admet des primitives sur 𝐼 ? Si oui, déterminer celle qui s’annule en 1.

Solution de l’activité 0.2.1. 1. Chaque de fonction est continue sur 𝐼 donc admet des pri- mitives sur 𝐼. En notant par : 𝐽 ; 𝐻 ; 𝑈 ; 𝑉 et 𝐺 les primitives respectives 𝑗; ℎ; 𝑢; 𝑣 et 𝑔 on a :

𝐽 (𝑥) =

𝑥

+ 𝑐 𝐻(𝑥) =

𝑥

+ 𝑐 𝑈 (𝑥) = −

+ 𝑐 𝑉 (𝑥) = −

+ 𝑐 𝐺(𝑥) = −

+ 𝑐.

𝑐 étant un réel quelconque.

2. formule générale :𝐹 (𝑥) = −

+ 𝑐. 𝑐 ∈ R La formule est vraie dans N

sauf pour 𝑛 = 1.

3. Oui, La fonction admet des primitives sur 𝐼 car elle y est continue. La primitive de 𝑓 qui s’annule en 1 est notée ln tel que ln(1) = 0 : c’est la fonction logarithme népérien.

Nous savons que toute fonction continue sur un intervalle 𝐼 admet des primitives sur 𝐼. La fonction 𝑥 ↦−→

,définie sur ]0; +∞[, y admet donc des primitives. Parmi ces primitives 𝐹 il y a une seule qui vérifie la condition 𝐹 (1) = 0. C’est précisément cette fonction qui s’appelle logarithme népérien. De cette définition se dégagerons progressivement diverses propriétés qui finiront par nous éclairer sur cette fonction.

Définition 0.2.1.

La fonction logarithme népérien est la primitive sur ]0; +∞[, de la fonc- tion 𝑥 ↦→

qui s’annule en 1. Cette fonction est notée ln.

Conséquence 0.2.1.

𝐶

: Etant donné que la fonction primitive est défini sur le même intervalle que la fonction considérée, la fonction ln est définie sur ]0; +∞[.

𝐶

: ln(1) = 0.

𝐶

: La fonction ln est dérivable sur ]0; +∞[ et sa dérivée est définie par ∀𝑥 ∈]0; +∞[,

ln

(𝑥) =

.

0.2. Généralités sur la fonction logarithme népérien.

𝐶

: La fonction ln est continue sur ]0; +∞[ puisqu’elle y est dérivable.

𝐶

: La fonction ln est strictement croissante sur ]0; +∞[ car sa dérivée y est strictement positive.

Exercice d’application 1.

1. Donner l’ensemble de définition des fonctions 𝑓 et 𝑔 définies par 𝑓(𝑥) = ln(2𝑥 − 6) et 𝑔(𝑥) = ln(𝑥

− 4𝑥 + 3).

2. Dériver la fonction ℎ définie par ℎ(𝑥) = 10 − 𝑥 + ln(𝑥).

3. Déterminer la primitive F de la fonction 𝑓 définie sur ]0; +∞[ par 𝑓(𝑥) = −3 + 2𝑥 +

qui s’annule en 0.

Solution de l’exercice d’application 1.

1. – 𝑓 est définie en 𝑥 si et seulement si 2𝑥 − 6 > 0 ie 𝑥 > 3, d’où 𝐷

=]3; +∞[.

– 𝑔 est définie en 𝑥 si et seulement si 𝑥

− 4𝑥 + 3 > 0.

Ce qui signifie que 𝑥 ∈] − ∞; 1[∪]3; +∞[

D’où 𝐷

=] − ∞; 1[∪]3; +∞[.

2. ℎ est dérivable sur ]0; +∞[ comme somme de fonctions 𝑢 : 𝑥 ↦−→ 10 − 𝑥 et 𝑣 : 𝑥 ↦−→

ln(𝑥) toutes dérivables sur ]0; +∞[ et ℎ

(𝑥) = −1 +

.

3. 𝑓 est continue sur ]0; +∞[ donc y admet des primitves de la forme 𝐹 (𝑥) = −3𝑥 + 𝑥

+ ln(𝑥) + 𝐶, où 𝐶 ∈ R .

Or 𝐹 (1) = 0, on a : −3 + 1 + ln(1) + 𝐶 = 0, donc 𝐶 = 2 D’où 𝐹 (𝑥) = 2 − 3𝑥 + 𝑥

+ ln(𝑥).

0.2.2 Propriété fondamentale

Activité 0.2.2. Le but de cette activité est de montrer que la fonction logarithme néperien transforme le produit en somme.

Soit 𝑎 un réel strictement positif,on définit la fonction 𝐺

sur ]0; +∞[ par 𝐺

(𝑥) = ln(𝑎𝑥) − (ln 𝑎 + ln 𝑥).

1. Montrer que la fonction 𝐺

est dérivable sur ]0; +∞[ et calculer sa dérivée.(On pourra utiliser la composée de fonctions 𝑢 : 𝑥 ↦−→ 𝑎𝑥 et 𝑣 : 𝑥 ↦−→ ln(𝑥) )

2. En déduire qu’il existe un réel 𝑐 tel que 𝐺

(𝑥) = 𝑐.

3. Calculer 𝐺

(1) et en déduire la valeur de 𝑐.

0.2. Généralités sur la fonction logarithme népérien.

4. Conclure.

Solution de l’activité 0.2.2.

1. 𝐺

est une composée de fonctions dérivables sur ]0; +∞[. 𝐺

= 𝑣𝑜𝑢 − (ln 𝑎 + ln 𝑥) avec 𝑢(𝑥) = 𝑎𝑥 et 𝑣(𝑥) = ln(𝑥).

Donc 𝐺

est dérivable.

Et 𝐺

(𝑥) = 𝑎 ×

− 0 −

=

−

= 0.

2. La fonction 𝐺

est une fonction constante sur ]0; +∞[ donc il existe 𝑐 ∈ R tel que 𝐺

(𝑥) = 𝑐.

3. 𝐺

(1) = ln(𝑎) − (ln 𝑎 + ln 1) = 0 donc 𝑐 = 0, par conséquent 𝐺

est constamment sur ]0; +∞[.

4. Finalement on obtient ln(𝑎𝑥) − (ln 𝑎 + ln 𝑥) = 0 ie ln(𝑎𝑥) = ln 𝑎 + ln 𝑥.

Ce qui justifie la propriété fondamentale suivante : Propriété 0.2.1. (fondamentale)

Pour tous nombres réels 𝑎 et 𝑏 strictement positifs, on a : ln(𝑎 × 𝑏) = ln 𝑎 + ln 𝑏.

Exercice d’application 2.

Écrire sous la forme d’une seule logarithme les nombres réels suivants : 𝐴 = ln 2 + ln 9 ; 𝐵 = ln 7 + ln 3 et 𝐶 = ln 5 + ln 13.

Écrire sous la forme d’une somme de logarithmes les nombres réels suivants : 𝐷 = ln 21 et 𝐸 = ln 65.

Solution de l’exercice d’application 2.

Appliquons la propriété fondamentale 𝐴 = ln(2 × 9) = ln 18 De même 𝐵 = ln 21 et 𝐶 = ln 65.

La propriété fondamentale nous permet d’écrire 𝐷 = ln 3 + ln 7 car 21 = 3 × 7 De même on a : 𝐸 = ln 5 + ln 13

Remarque 0.2.1.

Cette propriété se généralise au cas du produit d’un nombre fini de facteurs et on a pour tout entier naturel 𝑛 et pour tous réels strictement positifs 𝑎

,𝑎

,...𝑎

,

ln(𝑎

× 𝑎

× ... × 𝑎

) = ln 𝑎

+ ln 𝑎

+ ... + ln 𝑎

. Activité 0.2.3. .

Etant donnée 𝑎 et 𝑏 deux réels strictement positifs ; 𝑛 un entier relatif et 𝑟 un nombre ration-

nel, l’objectif de cette activité est d’exprimer ln(

), ln(𝑎

) et ln(𝑎

) en fonction de ln 𝑎 d’une

part ; et ln(

) en fonction de ln 𝑎 et ln 𝑏 d’autre part.

0.2. Généralités sur la fonction logarithme népérien.

1. En remarquant que 1 =

= 𝑎 ×

et en utilisant la propriété fondamentale, montrer que ln(

) = − ln 𝑎.

2. Utiliser 1 et la propriété fondamentale pour montrer que ln

= ln 𝑎 − ln 𝑏.

3. Montrer que ∀𝑛 ∈ Z, ln 𝑎

= 𝑛 × ln 𝑎.

4. Montrer que ∀𝑟 ∈ Q, ln 𝑎

= 𝑟 × ln 𝑎.

Solution de l’activité 0.2.3.

Soit 𝑎, 𝑏 ∈ R

; 𝑛 ∈ Z ; 𝑟 ∈ Q

1. On a : ln 1 = ln

= ln(𝑎 ×

) = ln(𝑎) + ln(

) Donc ln(𝑎) + ln

= 0 d’où ln

= − ln(𝑎) 2. ln

= ln 𝑎 ×

= ln(𝑎) + 𝑙𝑛

= ln 𝑎 − ln 𝑏 d’après 1.

Donc ln

= ln 𝑎 − ln 𝑏.

3. ∙ Si 𝑛 est positif, procédons par récurrence sur 𝑛, soit 𝑝(𝑛) la proposition "ln 𝑎

= 𝑛 × ln 𝑎".

pour 𝑛 = 0, on a : ln 𝑎

= ln 1 = 0

Donc ln 𝑎

= 0 × ln 𝑎 la proposition est vraie au rang 0

Supposons que ∀𝑛 ≥ 0, p(n) est vraie c’ est-à-dire que ln 𝑎

= 𝑛 × ln 𝑎 et montrons que 𝑝(𝑛 + 1) est aussi vraie.

ln 𝑎

= ln 𝑎

× 𝑎 = ln 𝑎

+ ln 𝑎 = 𝑛 ln 𝑎 + ln 𝑎, Ainsi ln 𝑎

= (𝑛 + 1) × ln 𝑎 alors 𝑝(𝑛 + 1) est vraie.

On conclut que si 𝑛 > 0 alors ln 𝑎

= 𝑛 × ln 𝑎

∙ Si 𝑛 < 0, alors il existe 𝑚 ∈ N tel que 𝑛 = −𝑚 et on a :

ln 𝑎

= ln 𝑎

= 𝑙𝑛

= − ln 𝑎

= −𝑚 ln 𝑎. Ainsi ∀𝑛 ∈ Z, ln 𝑎

= 𝑛 ln 𝑎.

4. Si 𝑟 ∈ Q, alors il existe (𝑝, 𝑞) ∈ Z × Z

tels que 𝑟 =

,

ainsi ln 𝑎

= ln 𝑎

, 𝑞 ln 𝑎

= ln 𝑎

= ln 𝑎

= 𝑝 × ln 𝑎 ceci implique ln 𝑎

=

ln 𝑎 = 𝑟 ln 𝑎 donc, ln 𝑎

= 𝑟 ln 𝑎, ∀𝑟 ∈ Q.

On en déduit les résultats suivants : Propriété 0.2.2.

Soient 𝑎 et 𝑏 deux nombres réels strictement positifs, on a : (𝑖) ln

= − ln 𝑎

(𝑖𝑖) ln

= ln 𝑎 − ln 𝑏

(𝑖𝑖𝑖) ∀𝑛 ∈ Z , ln 𝑎

= 𝑛 ln 𝑎

(𝑖𝑣) ∀𝑟 ∈ Q , ln 𝑎

= 𝑟 ln 𝑎

0.3. Etude de la fonction logarithme népérien.

Remarque 0.2.2.

En particulier, ∀𝑎 ∈ R

, on a : 1. ln √

𝑎 = ln 𝑎

=

ln 𝑎.

2. ln √

𝑎 = ln 𝑎

=

ln 𝑎, ∀𝑛 ∈ N

. Exercice d’application 3.

Simplifier chacune des expressions suivantes :

𝐴 = ln 5 + ln 2 − ln 20 + ln 4 𝐵 = ln 2

+ ln 4

𝐶 = ln 3

4 + ln 8

3 − ln 2

𝐷 = 4 ln 25 − 2 ln √

5 Solution de l’exercice d’application 3.

𝐴 = ln 5 + ln 2 − ln 20 + ln 4

= ln 5 × 2 − ln 20 + ln 4

= ln 10 + ln 4 − ln 20

= ln 40 20 . D’où 𝐴 = ln 2

𝐵 = ln 2

+ ln 4

= 3ln 2 + ln 2

= 3ln 2 + 4 ln 2

= 7 ln 2

D’où 𝐵 = 7 ln 2

𝐶 = ln 3

4 + ln 8

3 − ln 2

= ln 3 − ln 4 + ln 8 − ln 3 − ln 8

= − ln 4

= −2 ln 2 D’où 𝐶 = −2 ln 2

0.3 Etude de la fonction logarithme népérien.

0.3.1 Limites aux bornes de l’ensemble de définition ]0; +∞[.

Activité 0.3.1.

Le but de cette activité est de déterminer les limites de la fonction 𝑥 ↦−→ ln 𝑥 en 0

et en +∞.

Soit 𝑛 un entier naturel .

1.𝑎) Justifier que si 𝑥 > 3

alors ln 𝑥 > 𝑛 ln 3.

1.𝑏) En utilisant la propriété de comparaison des limites, déduire de 1 − 𝑎) que lim

𝑥→+∞

ln 𝑥 = +∞.

2. En utilisant le changement de variable 𝑢 =

, et le résultat de 1.𝑏), calculer lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥.

0.3. Etude de la fonction logarithme népérien.

Solution de l’activité 0.3.1. 1.𝑎) Soient 𝑛 un entier naturel et 𝑥 un réel tel que 𝑥 > 3

. Puisque la fonction 𝑥 ↦−→ ln 𝑥 est strictement croissante sur ]0; +∞[, on a 𝑥 > 3

= ⇒ ln 𝑥 > ln 3

; donc ln 𝑥 > 𝑛 ln 3.

1.𝑏) Puisque ln 𝑥 > 𝑛 ln 3 et lim

𝑛→+∞

𝑛 ln 3 = +∞ , alors lim

𝑥→+∞

ln 𝑥 = +∞ d’après la propriété de comparaison de limites.

2. En posant 𝑢 =

, quand 𝑥 → 0

, 𝑢 → +∞ on a alors lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥 = lim

𝑢→+∞

ln(

) = lim

𝑢→+∞

(−𝑙𝑛𝑢) , car 𝑙𝑛(

) = − ln 𝑢.

Donc lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥 = lim

𝑢→+∞

(− ln 𝑢) = −∞.

Il en résulte que lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥 = −∞

On en déduit les résultats suivants : Propriété 0.3.1.

(i) lim

𝑥→+∞

ln 𝑥 = +∞ ; (ii) lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥 = −∞.

Conséquence 0.3.1. Comme lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥 = −∞ alors on en déduit que la droite (𝒟) d’équa- tion 𝑥 = 0 est asymptote verticale à la courbe de la fonction ln.

Exercice d’application 4.

Calculer la limite en +∞ des fonctions suivantes.

𝑎) Pour tout réel 𝑥 > 3,𝑓 (𝑥) = ln(𝑥

− 3𝑥 + 1).

𝑏) Pour tout réel 𝑥 >

,𝑔(𝑥) = ln(2𝑥 + 1) − ln(𝑥 + 3) Solution de l’exercice d’application 4.

𝑎) 𝑓 est la composée de deux fonction :𝑓 (𝑥) = 𝑢 ∘ 𝑣 (𝑥) où 𝑢(𝑥) = ln 𝑥 et 𝑣(𝑥) = 𝑥

− 3𝑥 + 1.

𝑥→+∞

lim 𝑣(𝑥) = +∞ et lim

𝑥→+∞

𝑙𝑛𝑥 = +∞.

Donc lim

𝑥→+∞

𝑓 (𝑥) = +∞

𝑏) Remarquons que le calcul direct de la limite de 𝑔 donne l’indétermination du type« +∞ −

∞ ».

Pour lever l’indétermination on va transformer l’écriture de 𝑔.

𝑔(𝑥)=ln(2𝑥 + 1) − ln(𝑥 + 3) = ln(

). En appliquant une fois de plus la propriété de la limite de composée de fonctions on obtient lim

𝑥→+∞

𝑔(𝑥) = ln 2

0.3.2 Dérivée et sens de variation.

Nous avons vu que la fonction ln est définie continu et dérivable sur ]0, +∞[ et sa dérivée

est (ln 𝑥)

=

. Sa dérivée est strictement positive sur cet intervalle, donc la fonction ln est

strictement croissante sur ]0, +∞[.

0.3. Etude de la fonction logarithme népérien.

Conséquence 0.3.2.

𝐶

: ln réalise une bijection de ]0; +∞[ vers R .

𝐶

: Nous en déduisons également le signe de la fonction ln :

∙ ln 𝑥 < 0 ⇐⇒ 0 < 𝑥 < 1.

∙ ln(𝑥) = 0 ⇐⇒ 𝑥 = 1.

∙ ln(𝑥) > 0 ⇐⇒ 𝑥 > 1.

𝐶

: On en déduit aussi que pour tous réels 𝑎 et 𝑏 de ]0; +∞[ :

∙ ln(𝑎) = ln(𝑏) ⇐⇒ 𝑎 = 𝑏.

∙ ln(𝑎) > ln(𝑏) ⇐⇒ 𝑎 > 𝑏.

Notons que la conséquence 𝐶

est très importante dans la résolution des équations et in- équations comportant ln.

On peut remarquer grâce au théorème des valeurs intermédiaires que l’équation ln 𝑥 = 1 a une unique solution dans ]0; +∞[.

Le nombre 𝑒

On note 𝑒 l’unique solution de l’équation ln 𝑥 = 1. On a donc ln 𝑒 = 1.

𝑒 est appelé base du logarithme népérien.

Le nombre 𝑒 s’obtient avec une calculatrice en appuyant successivement dans l’ordre sur les touches 𝑒

et puis 1 . On obtient 𝑒 ≃ 2, 718282...

Puisque la fonction ln est une bijection de ]0; +∞[ vers R , pour tout réel 𝑚 l’équation ln 𝑥 = 𝑚 a une unique solution dans ]0; +∞[.

ln 𝑥 = 𝑚 signifie que 𝑥 = 𝑒

. Remarque 0.3.1.

Soit (𝒞) la courbe représentative de la fonction ln dans un repéré orthonormé (𝑂; − → i ; − →

j ).

1. La tangente à (𝒞 ) au point d’abscisse 𝑥 = 1 est droite (Δ) : 𝑦 = 𝑥 − 1.

2. La tangente à (𝒞 ) au point d’abscisse 𝑥 = 𝑒 est droite (𝒟) : 𝑦 =

.

0.3.3 Limites de références.

Nous avons déjà établi en activité 2.1.2 la propriété suivante.

Propriété 0.3.2.

(i) lim

𝑥→+∞

ln 𝑥 = +∞ ; (ii) lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥 = −∞.

Exercice d’application 5.

Calculer la limite des fonctions suivantes.

0.3. Etude de la fonction logarithme népérien.

F

1 – Tableau de variation

F

2 – Courbe représentative a) lim

𝑥→+∞

(ln( √

𝑥) + 3).

b) lim

𝑥→0⁺

(𝑥 − ln 𝑥).

Solution de l’exercice d’application 5.

a) lim

𝑥→+∞

ln( √

𝑥) + 3 = lim

𝑥→+∞

1

2

ln(𝑥) + 3 = +∞

b) lim

𝑥→0⁺

(𝑥 − ln 𝑥) = +∞ car lim

𝑥→0⁺

ln 𝑥 = −∞

Exercice d’application 6.

Calculer les limites suivantes : 1. lim

𝑥→+∞

ln(𝑥 + 1) + ln(𝑥 − 3) ; 2. lim

𝑥→+∞

(

− 4) ; 3. lim

𝑥→0⁺ 𝑥³−5

ln𝑥

;

Activité 0.3.2. Le but de cette activité est de déterminer certaines limites de la fonction ln.

(𝒞 ) désigne la courbe représentative de la fonction 𝑓 : 𝑥 ↦−→ ln 𝑥 dans un repère orthonormé (𝑂; − →

i ; − → j ).

1.a) Déterminer une équation de la tangente à la courbe (𝒞) au point d’abscisse 1.

1.b) En déduire que ∀𝑥 ∈ R

, ln 𝑥 ≤ 𝑥 − 1 < 𝑥.

2.a) Montrer en utilisant l’inégalité précédente que ∀𝑥 ∈]1; +∞[, 0 ≤ ln √

𝑥 < √

𝑥 et en déduire que ∀𝑥 ∈]1; +∞[, 0 ≤

<

.

2.b) En déduire que lim

𝑥→+∞

ln𝑥 𝑥

= 0

3. En utilisant le changement de variable 𝑋 =

et la question 2.𝑏),montrer que lim

𝑥→0

𝑥 ln 𝑥 = 0 Solution de l’activité 0.3.2. 1.𝑎) La tangente (𝑇 ) au point d’abscisse 𝑥 = 1 est d’équation

𝑦 = 𝑓

(1)(𝑥 − 1) + 𝑓 (1) avec 𝑓

(1) = 1 et 𝑓(1) = 0

D’où (𝑇 ) : 𝑦 = 𝑥 − 1.

0.3. Etude de la fonction logarithme népérien.

1.𝑏) Nous savons que la courbe de la fonction ln est en dessous de la tangente (𝑇 ) donc

∀𝑥 ∈]0; +∞[, ln 𝑥 ≤ 𝑥 − 1; (1) De plus ∀𝑥 ∈]0; +∞[ 𝑥 − 1 < 𝑥; (2)

Les relations (1) et (2)réunis donnent ∀𝑥 ∈]0; +∞[, ln 𝑥 ≤ 𝑥 − 1 < 𝑥.

2.𝑎) Soit 𝑥 ∈]1; +∞[, Alors 1 ≤ √

𝑥, donc ln 1 ≤ ln √

𝑥,(car ln est croissante).

Ainsi ln 1 < ln √ 𝑥 < √

𝑥, d’après 1.𝑏). Donc 0 ≤ 1

2 ln 𝑥 < √ 𝑥

2.𝑏) Comme lim

𝑥→+∞

√2

𝑥

= 0 , d’après le théorème des gendarmes lim

𝑥→+∞

ln𝑥 𝑥

= 0.

3) On a 𝑥 ln 𝑥 =

ln

.

Posons 𝑋 =

, quand 𝑥 → 0

, 𝑋 → +∞.

Ainsi lim

𝑥→0⁺

𝑥 ln 𝑥 = lim

𝑥→+∞

1

𝑋

ln

= lim

𝑥→+∞

−

= 0.

Propriété 0.3.3. 𝑖) lim

𝑥→0⁺

𝑥 ln 𝑥 = 0 ; 𝑖𝑖) lim

𝑥→+∞

ln𝑥 𝑥

= 0 Conséquence 0.3.3. Puisque lim

𝑥→+∞

ln𝑥

𝑥

= 0, alors la courbe représentative de la fonction 𝑙𝑛 admet une branche parabolique de direction (𝑂𝐼).

Plus généralement, on a le résultat suivant : Propriété 0.3.4.

𝑖) lim

𝑥→0⁺

𝑥

ln 𝑥 = 0, ∀𝑛 ∈ N

. 𝑖𝑖) lim

𝑥→+∞

ln𝑥 𝑥^𝑛

= 0.

On obtient le résultat en écrivant ∀𝑛 ≥ 2, 𝑥

ln 𝑥 = 𝑥

(𝑥 ln 𝑥) et

=

×

. Propriété 0.3.5.

Pour toute fonction polynôme 𝑃 de degrés supérieur ou égale à 1, lim

𝑥→+∞

ln𝑥

𝑃(𝑥)

= 0. [14]

Preuve. Soit 𝑛 ∈ N

le degré de 𝑃 , alors 𝑃 (𝑥) =

𝑛

∑︀

𝑘=0

𝑎

𝑥

(avec 𝑎

̸= 0).

Comme la limite en +∞ d’une fonction polynôme est égale à la limite de son terme de plus haut degré, nous avons lim

𝑥→+∞

ln𝑥

𝑃(𝑥)

= lim

𝑥→+∞

ln𝑥

𝑎𝑛𝑥^𝑛

= 0 car lim

𝑥→+∞

ln𝑥 𝑥^𝑛

. Exercice d’application 7. Calculer les limites suivantes :

a lim

𝑥→+∞

ln𝑥 𝑥+3

; b lim

𝑥→−4⁺

(𝑥 + 4) ln(𝑥 + 4)

0.3. Etude de la fonction logarithme népérien.

c lim

𝑥→0⁺

(−1 + 𝑥

ln 𝑥) ; d lim

𝑥→0⁺

√ 𝑥 ln 𝑥;

Solution de l’exercice d’application 6.

𝑎) lim

𝑥→+∞

ln𝑥 𝑥+3

= 0

𝑏) Posons 𝑋 = 𝑥 + 4,quand 𝑥 → −4

, 𝑋 → 0

, on a donc, lim

𝑥→−4⁺

(𝑥 + 4) ln(𝑥 + 4) = lim

𝑥→0⁺

𝑋 ln 𝑋 = 0.

𝑐) lim

𝑥→0⁺

(−1 + 𝑥

ln 𝑥) = lim

𝑥→0⁺

(−1 + 𝑥(𝑥 ln 𝑥) = −1).

𝑑) Posons 𝑋 = √

𝑥, alors 𝑥 = 𝑋

, quand 𝑥 → 0

, 𝑋 → 0

, Donc lim

𝑥→0⁺

√ 𝑥 ln 𝑥; = lim

𝑋→0⁺

𝑋(ln 𝑋

) = lim

𝑥→0⁺

2𝑋 ln 𝑋 = 0.

Activité 0.3.3.

𝑖) En utilisant le nombre dérivé de la fonction ln en 1, calculer lim

𝑥→1 ln𝑥 𝑥−1

. 𝑖𝑖) En déduire lim

𝑥→0 ln(𝑥+1)

𝑥

Solution de l’activité 0.3.3.

𝑖) La fonction ln est dérivable en 1 et ln

(1) = 1.

Mais D’après la definition du nombre dérivée en 1 ;on a aussi, ln

(1) = lim

𝑥→1

ln𝑥−ln 1 𝑥−1

, avec ln 1 = 0 on a alors lim

𝑥→1 ln𝑥 𝑥−1

= 1

𝑖𝑖) Posons 𝑋 = 𝑥 + 1 𝑥 = 𝑋 − 1; quand 𝑥 → 0, quand 𝑋 → 1 . Ainsi lim

𝑥→0 ln𝑥+1

𝑥

= lim

𝑋→1 ln𝑋

𝑋−1

= 1 d’après 𝑖).

Propriété 0.3.6.

(i) lim

𝑥→1 𝑙𝑛𝑥

𝑥−1

= 1 ; (ii) lim

𝑥→0 ln(𝑥+1)

𝑥

= 1.

Exercice d’application 8.

Calculer : a) lim

𝑥→1 ln𝑥

𝑥³−1

; b) lim

𝑥→0

𝑙𝑛(1+𝑥²)

𝑥²

; c) lim

𝑥→+∞

𝑥 ln(1 +

).

Solution de l’exercice d’application 7.

a) On a :

=

×

. Ainsi lim

𝑥→1 ln𝑥

𝑥³−1

= lim

𝑥→1 ln𝑥

𝑥−1

×

= 1 ×

=

.

b) Posons 𝑋 = 𝑥

+ 1 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑥

= 𝑋 − 1 quand 𝑥 → 0, 𝑋 → 1 ainsi, lim

𝑥→0

ln(1+𝑥²)

𝑥²

= lim

𝑋→1 ln𝑋 𝑋−1

= 1.

On peut aussi poser 𝑋 = 𝑥

, alors quand 𝑥 → 0, 𝑋 → 0 ainsi, lim

𝑥→0

ln(1+𝑥²)

𝑥²

= lim

𝑋→0

ln(1+𝑋) 𝑋

= 1.

c) Posons 𝑋 =

, quand 𝑥 → +∞, 𝑋 → 0

, 𝑥 ln(1 +

) =

1 𝑥)

1 𝑥

=

, d’où lim

𝑥→+∞

𝑥 ln(1 +

) = lim

𝑋→0

ln(1+𝑋) 𝑋

= 1.

0.4. Equations et inéquations .

0.4 Equations et inéquations .

Activité 0.4.1.

1. Resoudre dans R les équations suivantes : (𝐸

) : ln(3𝑥 − 6) = 0 et (𝐸

) : ln(𝑥 + 3) = 5.

* Pour que (𝐸

) soit bien défini il faut que 3𝑥 − 6 > 0 c’est à dire 𝑥 > 2.

Les solutions de (𝐸

) doivent être dans ]2; +∞[ .

* ln(3𝑥 − 6) = 0 ⇐⇒ ln(3𝑥 − 6) = ln 1 (car 0 = ln 1).

Ainsi 3𝑥 − 6 = 1 car ln est injective ; donc 𝑥 =

;

𝑥 =

; est bien un élément de ]2; +∞[.

Donc la seule solution de (𝐸

) est 𝑥 =

.

(𝐸

) est bien définie si 𝑥 + 3 > 0 c’est à dire 𝑥 ∈] − 3 + ∞[.

ln(𝑥 + 3) = 5 ⇐⇒ ln(𝑥 + 3) = ln 𝑒

(car 5 = ln 𝑒

).

Ainsi 𝑥 + 3 = 𝑒

D’où 𝑥 = 𝑒

− 3 .

2. Resoudre dans R l’inéquation 𝐼

:ln(𝑥 − 5) ≤ 0

On doit avoir 𝑥 − 5 > 0 c’est-à-dire 𝑥 > 5, donc 𝑥 ∈]5; +∞[. Les solutions doivent appartenir à l’ensemble 𝐸 =]5; +∞[.

ln (𝑥 − 5) < 0 ⇔ 𝑥 − 5 ≤ 1

⇔ 𝑥 ≤ 6

⇔ 𝑥 ∈] − ∞; 6[

L’ensemble solution est formé des réels appartenant à ] − ∞; 6] qui sont dans ]5; +∞[.

C’est l’intersection ] − ∞; 6]∩]5; +∞[. 𝑆 =]5; 6].

3. Resoudre dans R l’équation ln (3𝑥 + 1) = ln (𝑥 − 5) Les valeurs cherchées doivent vérifier :

⎧

⎨

⎩

3𝑥 + 1 > 0 𝑥 − 5 > 0

Donc les solutions doivent appartenir à l’ensemble 𝐸 =]5; +∞[. les logarithmes de deux réels positifs sont égaux si et seulement si ces réels sont égaux.

Ainsi :

si 𝑥 ∈]4; +∞[, ln (3𝑥 + 1) = ln (𝑥 − 5) ⇔ 3𝑥 + 1 = 𝑥 − 5 c’est-à-dire 𝑥 = −3.

puisque −3 ̸∈ [4; +∞[, l’équation n’admet pas de solutions dans R.

4. Résoudre l’équation : (𝐸 − 2) : ln (𝑥

− 4) = ln 3𝑥

0.4. Equations et inéquations .

Les valeurs cherchées doivent vérifier :

{︃ 𝑥

+ 4 > 0 3𝑥 > 0

Or 𝑥

− 4 > 0 lorsque 𝑥 ∈] − ∞; −2[∪]2; +∞[ et 3𝑥 > 0 lorsque 𝑥 > 0. L’équation résolue dans l’ensemble 𝐸 =]2; +∞[.

De plus ln (𝑥

− 4) = ln 3𝑥 signifie 𝑥

− 4 = 3𝑥 c’est-à-dire 𝑥

− 3𝑥 − 4 = 0.

On trouve Δ = 25 et les solutions 𝑥

= −1 et 𝑥

= 4. Or 4 ∈ / 𝐸 et −1 ∈ / 𝐸 . Donc la seule solution de l’équation (𝐸

) est 4.

5. Résoudre dans R l’équation ln (2𝑥 + 4) ≥ ln (6 − 2𝑥).

Les valeurs cherchées doivent vérifier 2𝑥 + 4 > 0 et 6 − 2𝑥 > 0 c’est-à-dire 𝑥 > −2 et 𝑥 < 3. L’inéquation doit être résolue dans l’ensemble 𝐸 =] − 2; 3[.

Ainsi ln (2𝑥 + 4) ≥ ln (6 − 2𝑥) signifie 2𝑥 + 4 ≥ 6 − 2𝑥 c’est à dire 𝑥 ≥

. L’ensemble des solutions est alors ] − 2, 3[∪[

, +∞[ c’est-à-dire 𝑆 = [

; 3[.

Methode :

Pour résoudre une équation (resp.une inéquation )comportant ln :

– On détermine l’ensemble 𝐴 des réels sur lesquels l’équation(resp.l’inéquation)est bien définie ;

– On transforme l’écriture en utilisant les propriétés de ln pour se ramener à ln 𝑢(𝑥) = ln 𝑣(𝑥)(resp.ln 𝑢(𝑥) ≤ ln 𝑣(𝑥)) ;

– On applique l’injection de la fonction ln : (ln 𝑢(𝑥) = ln 𝑣 (𝑥) ⇐⇒ 𝑢(𝑥) = 𝑣(𝑥)) ou en- core la croissance de ln : (ln 𝑢(𝑥) ≤ ln 𝑣(𝑥) ⇐⇒ 𝑢(𝑥) ≤ 𝑣(𝑥)) ;

– On résoudre dans 𝐴 l’équation (resp.l’inéquation)obtenue.

Changement de variable Résoudre dans R l’équation (𝐸

) : (𝑙𝑛𝑥)

− 3 ln 𝑥 − 4 = 0 (𝐸

) est bien définie lorsque 𝑥 > 0.

Posons 𝑋 = ln 𝑥. Et nous obtenons l’équation 𝑋

− 3𝑋 − 4 = 0.

Les solutions sont 𝑋

= −1 et 𝑋

= 4.

On résout alors les équations : ln 𝑥 = −1 et ln 𝑥 = 4.

On obtient 𝑥 = 𝑒

et 𝑥 = 𝑒

. 𝑆 ={𝑒

1 ; 𝑒

}.

Résoudre dans R, ln(4 − 𝑥) − 2 ln 3 ≤ 0 (1) et ln 𝑥 − ln(𝑥 − 3) = ln 2 (2)

0.4. Equations et inéquations .

4 − 𝑥 > 0 c’est-à-dire 4 > 𝑥 ou encore 𝑥 < 4 donc 𝑥 ∈] − ∞; 4[

(1) ⇔ ln (4 − 𝑥) ≤ 2 ln 3 ⇔ ln(4 − 𝑥) ≤ ln 3

⇔ ln (4 − 𝑥) ≤ ln 9

⇔ 4 − 𝑥 ≤ 9

⇔ −5 ≤ 𝑥

⇔ 𝑥 ≥ −5

Donc 𝑆 = [−5; 4[.

{︃ 𝑥 > 0

𝑥 − 3 > 0 ⇒ 𝑥 ∈]3; +∞[

(2) ⇔ ln 𝑥 = ln (𝑥 − 3) + ln 2

⇔ ln 𝑥 = ln 2(𝑥 − 3)

⇔ 𝑥 = 2𝑥 − 6

⇔ 𝑥 = 6 𝑆 = {6}

Remarque 0.4.1. – Dans l’écriture de l’équation ou de l’inéquation, si un logarithme est soustrait, il est préférable de le transporter dans l’autre membre pour éviter un quotient.

Par exemple ln 𝑥 − ln(𝑥 − 3) = ln 2 s’écrit encore ln 𝑥 = ln(𝑥 − 3) + ln 2.

– A chaque fois qu’on trouvera un membre égal à zéro on le remplacera par ln 1, quand on trouvera un membre égal à 1 on le remplacera par ln 𝑒 et de façon générale quand on trouvera un membre égal à un réel 𝑟 on le remplacera par ln 𝑒

.

– Après avoir déterminé les contraintes sur l’inconnue, on trouve un ensemble de solution noté 𝑆

. Puis après résolution de l’équation ou inéquation on ne prendra que les solutions qui sont dans 𝑆

et qui seront donc les solutions cherchées.

– Les formules les plus utilisées pour la transformation des équations ou inéquations en ln sont les suivantes :

∙ ln 𝑢 − ln 𝑣 = ln(

)

∙ ln(

) = − ln 𝑢

∙ ln 𝑢 + ln 𝑣 = ln(𝑢𝑣 )

∙ ln 𝑢

= 𝑛 ln 𝑢

Où 𝑢 et 𝑣 sont des fonctions strictement positives et 𝑛 un nombre rationnel.

– Pour certaines équations et inéquations on sera appelé à faire des changements de variable

0.5. Dérivées et primitives.

pour obtenir des équations ou inéquations du second degré ou bicarrées.

Exercice d’application 9. Résoudre dans R les équations et inéquations suivantes : 1. a) ln (𝑥 + 3) = 9

b) ln (𝑥

− 5) = ln 4𝑥 c) ln (𝑥

− 5) ≤ ln 4𝑥

2. Résoudre dans R

les systèmes suivants :

a)

{︃ 𝑥 + 𝑦 = 2 ln 𝑥 + ln 𝑦 = ln 2 b)

{︃ 2 ln 𝑥 − ln 𝑦 = −3 3 ln 𝑥 − 2 ln 𝑦 = 13

0.5 Dérivées et primitives.

0.5.1 Dérivée de la fonction 𝑙𝑛 ∘ 𝑓

Activité 0.5.1.

le but est de calculer la dérivée de la fonction 𝑥 ↦−→ ln ∘𝑓(𝑥) où 𝑓 est une fonction stricte- ment positive.

Soit 𝑓 une fonction numérique, dérivable sur un intervalle 𝐼 et strictement positive sur 𝐼.

On pose 𝑢(𝑥) = ln 𝑥 et 𝑣(𝑥) = 𝑓 (𝑥).

1. Vérifier que ∀𝑥 ∈ 𝐼, ln ∘𝑓 (𝑥) = 𝑢 ∘ 𝑣(𝑥) et en déduire que ln 𝑓 est dérivable sur 𝐼.

2. En utlisant la propriété sur la dérivée de composée de fonctions,montrer que ∀𝑥 ∈ 𝐼, on a (ln 𝑓)

(𝑥) =

.

Solution de l’activité 0.5.1.

1. Posons 𝑢(𝑥) = ln 𝑥 et 𝑣(𝑥) = 𝑓(𝑥) on a bien 𝑢[𝑣 (𝑥)] = ln(𝑓 (𝑥)) .

ln ∘𝑓 est la composée de deux fonctions dérivables sur 𝐼 donc ln ∘𝑓 est dérivable . 2. La propriété de la dérivée de composée de fonctions nous permet d’ecrire :

(ln ∘𝑓)

= 𝑢

(𝑣(𝑥)) × 𝑣

(𝑥)

= 𝑢

(𝑓(𝑥)) × 𝑓

(𝑥)

=

× 𝑓

(𝑥).

Ceci justifie la propriété suivante : Propriété 0.5.1.

Soit 𝑓 une fonction strictement positive sur un intervalle ouvert 𝐼 de R, alors la fonction ln ∘𝑓 est dérivable sur 𝐼 et ln 𝑓 =

.

𝑓^′

𝑓

est appelée dérivée logarithmique de 𝑓 .

0.5. Dérivées et primitives.

Exemple d’application 1.

1. Calculer la dérivée de la fonction 𝑓 définie sur R par 𝑓(𝑥) = ln(𝑥

+ 3).

Le polynôme 𝑢 définie par 𝑢(𝑥) = 𝑥

+ 3 est strictement positif et dérivable sur R.

Ainsi d’après la propiété 1.5.1 𝑓 est dérivable sur R et 𝑓

(𝑥) =

c’est à dire 𝑓

(𝑥) =

2𝑥 𝑥²+3

.

2. Calculer la dérivée la fonction 𝑔 définie sur ] − ∞;

[ par 𝑔(𝑥) = 4𝑥 + 3 ln(−2𝑥 + 1).

𝑔 est dérivable comme somme de fonctions dérivables sur ] − ∞;

[ et sa dérivée est 𝑔

(𝑥) = 4 −

.

3. Sur ]0; +∞[ la fonction 𝑓 définie par 𝑓 (𝑥) = ln(

) est dérivable et sa dérivée est 𝑓

(𝑥) =

−

.

Remarque 0.5.1.

Si 𝑓 est strictement négative,on a : (ln(−𝑓 ))

=

=

. par consequent pour tout 𝑥 ∈ 𝐼 tel que 𝑓 (𝑥) ̸= 0, (ln 𝑓 )

(𝑥) =

.

On peut donc dire que si 𝑓 ne s’annule pas sur I, ln |𝑓 | =

.

Ceci nous permet de calculer les primitives de certaines fonctions.

0.5.2 Primitives de

Propriété 0.5.2.

Soit 𝑓 une fonction dérivable sur sur un intervalle 𝐼, ne s’annulant pas sur 𝐼, alors la fonction 𝑓 =

admet des primitives sur 𝐼 de la forme 𝐹 = ln |𝑢| + 𝑐 avec 𝑐 ∈ R.

Exemple d’application 2.

1. La fonction 𝑓 : 𝑥 ↦−→

se présente sous la forme

avec 𝑢(𝑥) = 𝑥

+ 2.

Or pour tout réel 𝑥 ,𝑥

+ 2 > 0 donc les primitives de 𝑓 sur R sont les fonctions 𝑥 ↦−→

ln(𝑥

+ 2) + 𝑐 où 𝑐 ∈ R.

2. Sur l’intervalle ] − ∞; 0[, la fonction 𝑓 : 𝑥 ↦−→

est strictement négative. Les primitives de 𝑓 sont fonctions 𝐹 : 𝑥 ↦−→ ln −𝑥 + 𝑐 avec 𝑐 ∈ R.

3. La primitive de la fonction 𝑥 ↦→

sur ]0;

[ est 𝑥 ↦→ 𝑙𝑛(sin 𝑥).

Exercice d’application 10.

1. Calculer les dérivées des fonctions après avoir déterminer leur domaine de définition.

a) 𝑓(𝑥) = ln √ 𝑥.

b)𝑓 (𝑥) = ln(2𝑥

+ 3𝑥 + 4).

0.6. Exemple d’étude des fonctions comportant 𝑙𝑛.

c)𝑓 (𝑥) = ln(

).

d) ln 𝑥 − ln(ln 𝑥)

2. Déterminer les primitives de la fonction 𝑓 sur l’intervalle 𝐼.

a) 𝑓(𝑥) =

; K=]1; +∞[

b) 𝑓(𝑥) = 𝑡𝑎𝑛𝑥 ; K=[0;

[ c) 𝑓(𝑥) =

; 𝐾 = R d) 𝑓(𝑥) =

; K=] − ∞; −

[

0.6 Exemple d’étude des fonctions comportant 𝑙𝑛.

Dans ce paragraphe, (𝒞 ) désigne la courbe représentative de la fonction 𝑓 dans le repère orthonormé (𝑂; 𝐼; 𝐽).

Etude de la fonction 𝑓 : 𝑥 ↦−→ 𝑥

− 1 − 𝑙𝑛𝑥 a) Domaine de définition :𝐷

=]0; +∞[.

b) Limites aux bornes du domaine de définition et branches infinies.

∙ lim

𝑥→0⁺

𝑓 (𝑥) = +∞ ; donc l’axe des ordonnées est asymptote à (𝒞).

∙ lim

𝑥→+∞

𝑓(𝑥) = lim

𝑥→0⁺

𝑥

(1 −

𝑥²−^ln𝑥

𝑥2

) = +∞.

∙ lim

𝑥→+∞

𝑓(𝑥)

𝑥

= lim

𝑥→0⁺

(𝑥 −

−

) = +∞ ; donc (𝒞 ) admet une branche parabolique de direction (𝑂𝐽).

c) Dérivée et sens de variation.

𝑓 est somme des fonctions 𝑥; ↦−→ 𝑥

− 1 et 𝑥 :↦−→ − ln 𝑥 qui sont toutes dérivables sur ]0; +∞[, donc 𝑓 est dérivable sur ]0; +∞[ et sa dérivée est 𝑓

(𝑥) = 2𝑥 −

ie 𝑓

(𝑥) =

2𝑥²−1 𝑥

.

𝑓

(𝑥) = 0 ⇐⇒ 𝑥 =

√ 2 2

.

∙ 𝑓

(𝑥) ≤ 0 sur ]0;

√ 2

2

] donc 𝑓 est décroissante sur ]0;

√ 2 2

].

∙ 𝑓

(𝑥) ≥ 0 sur [

√ 2

2

; +∞[ donc 𝑓 est croissante sur [

√ 2

2

; +∞[.

Etude de la fonction 𝑓 : 𝑥 ↦−→

. a) Domaine de définition :𝐷

=]0; +∞[.

b) Limites aux bornes du domaine de définition et branches infinies.

∙ lim

𝑥→0⁺

𝑓 (𝑥) = −∞ ; donc l’axe des ordonnées est asymptote à (𝒞).

∙ lim

𝑥→+∞

𝑓(𝑥) = lim

𝑥→+∞

𝑙𝑛𝑥

𝑥

= 0 ;donc (𝒞 ) admet une branche parabolique de direction

(𝑂𝐽).

0.6. Exemple d’étude des fonctions comportant 𝑙𝑛.

F

3 – Tableau de variation F

4 – Courbe représentative c)Dérivée et sens de variation.

𝑓 est dérivable sur ]0; +∞[ et ∀𝑥 ∈]0; +∞[ on a :𝑓

(𝑥) =

. 𝑓

(𝑥) = 0 ⇐⇒ 𝑥 = 𝑒.

∀𝑥 ∈]0; 𝑒], 𝑓

(𝑥) ≥ 0 donc 𝑓 est décroissante sur ]0; 𝑒].

∀𝑥 ∈ [𝑒; +∞[, 𝑓

(𝑥) ≤ 0 donc 𝑓 est croissante sur [𝑒; +∞[.

d) Tableau de variation

F

5 – Tableau de variation F

6 – Courbe représentative

Etude de la fonction 𝑓 : 𝑥 ↦−→ ln(

).

1. Ensemble de définition :

𝑓 est défini en 𝑥 si et seulement si

> 0, d’où 𝐷

=] − ∞; −3[∪]1; +∞[.

2. Limites et branches infinies.

∙ On a lim

|𝑥|→+∞

𝑥+3

𝑥−1

= 1 et lim

𝑥→1

ln 𝑥 = 0 ; donc par composition de limites on obtient : lim

|𝑥|→+∞

𝑓(𝑥) = 0.

0.6. Exemple d’étude des fonctions comportant 𝑙𝑛.

On en déduit que (𝑂𝐼) est asymptote à (𝒞) en +∞ et en −∞.

∙ On a lim

𝑥→−3⁻ 𝑥+3

𝑥−1

= 0

et lim

𝑥→0+

ln 𝑥 = −∞ ; donc par composition de limites on obtient : lim

𝑥→−3⁻

𝑓 (𝑥) = −∞.

On en deduit que (𝒟) : 𝑥 = −3 est asymptote à (𝒞 ).

∙ On a lim

𝑥→1⁺ 𝑥+3

𝑥−1

= +∞ et lim

𝑥→+∞

ln 𝑥 = +∞ ; donc par composition de limites on obtient : lim

𝑥→1⁺

𝑓 (𝑥) = +∞.

On en déduit que (𝒟

) : 𝑥 = 1 est asymptote à (𝒞 ).

3. Dérivée et sens de variation.

𝑓 est dérivable comme composée de fonctions dérivables sur ] − ∞; −3[∪]1; +∞[,et sa dérivée est 𝑓

(𝑥) = ln

(𝑥 + 3) − ln

(𝑥 − 1) =

−

.

D’où 𝑓

(𝑥) =

.

𝑓

(𝑥) ≤ 0, ∀𝑥 ∈] − ∞; −3[∪]1; +∞[.

En conséquence 𝑓 est décroissante sur ] − ∞; −3[ et sur ]1; +∞[.

4. Tableau de variation

F

7 – Tableau de variation

F

8 – Courbe représentative

Etude de la fonction 𝑓 : 𝑥 ↦−→ 𝑥 ln 𝑥

. 1. Domaine de définition.

𝐷

= R ∖{0}

2. Etude aux bornes du domaine de définition.

∙ On a lim

𝑥→−∞

𝑓(𝑥) = lim

𝑥→−∞

𝑥 ln 𝑥

= −∞.

∙ On a lim

𝑥→+∞

𝑓(𝑥) = lim

𝑥→+∞

𝑥 ln 𝑥

= +∞.

∙ On a lim

𝑥→0⁻

𝑓 (𝑥) = lim

𝑥→0⁻

𝑥 ln 𝑥

= lim

𝑥→0⁻

2𝑥 ln −𝑥 = lim

𝑥→0⁺

(−2𝑥 ln 𝑥) = 0.

∙ De même on a lim

𝑥→0⁺

𝑓 (𝑥) = 0.

0.7. Les fonctions Logarithmes .

Mais 𝑓 n’est pas defini en 0. 𝑓 est continue sur 𝐷

.

∙ lim

𝑥→+∞

𝑓(𝑥)

𝑥

= lim

𝑥→−∞

𝑓(𝑥)

𝑥

= +∞, donc la courbe représentative (𝒞 ) de 𝑓 admet deux branches paraboliques de direction (𝑂𝐽).

3. Dérivée et sens de variation.

𝑓 est dérivable comme composée de fonctions dérivables sur R {0} et sa dérivée est 𝑓

(𝑥) = 𝑥(ln 𝑥

)

+ (𝑥)

ln 𝑥

= 2 + ln 𝑥

.

∙ 𝑓

(𝑥) ≤ 0 pour tout 𝑥 ∈ [−

; 0[∪]0;

] donc 𝑓 est décroissante sur [−

; 0[ et sur ]0;

].

∙ 𝑓

(𝑥) ≥ 0 pour tout 𝑥 ∈] − ∞; −

] ∪ [

; +∞[ donc 𝑓 est croissante sur ] − ∞; −

] et sur [

; +∞[.

4. Tableau de variation

F

9 – Tableau de variation

F

10 – Courbe représentative

Remarque 0.6.1. 𝑓

(𝑥) =

, la dérivée seconde change de signe en 0 mais ne s’annule pas en 0.Le point point (0; 0) n’est pas un point d’inflexion à (𝒞).

0.7 Les fonctions Logarithmes .

Activité 0.7.1.

𝑎 est un nombre réel strictement positif.On désigne par 𝑓

la fonction définie par ∀𝑥 ∈ R 𝑓

(𝑥) =

.

1. Déterminer l’ensemble de définition de 𝑓.

2. Démontrer que pour tous réels strictement positifs 𝑥 et 𝑦, on a :

a) 𝑓

(𝑥𝑦) = 𝑓

(𝑥) + 𝑓

(𝑦).