Fonctions logarithmiques et exponentielles

Fonctions ln et exp — Cours complet détaillé (Bac Maths)

1. Introduction historique

Les fonctions exponentielles et logarithmiques ont une riche histoire qui remonte au XVIIe siècle. John Napier (1550-1617) a introduit les logarithmes pour simplifier les calculs astronomiques, tandis que Leonhard Euler (1707-1783) a formalisé la notion de fonction exponentielle et a introduit la notation e pour la base du logarithme népérien.

Pourquoi ces fonctions sont-elles importantes?

Les fonctions exponentielles et logarithmiques sont omniprésentes en mathématiques et dans les sciences :

  • Croissance exponentielle : populations, intérêts composés, réactions nucléaires
  • Décroissance exponentielle : désintégration radioactive, refroidissement d'objets
  • Échelles logarithmiques : pH en chimie, décibels en acoustique, magnitude des séismes
  • Calcul différentiel : solutions d'équations différentielles fondamentales

2. Définition rigoureuse de la fonction exponentielle

Définition par l'équation différentielle

La fonction exponentielle est l'unique fonction \( f : \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) vérifiant :

\( f' = f \) et \( f(0) = 1 \)

On note cette fonction \( \exp(x) \) ou \( e^x \), où \( e \approx 2,718281828459045... \)

Définition comme limite

La fonction exponentielle peut également être définie comme :

\( \exp(x) = \lim_{n \to +\infty} \left(1 + \frac{x}{n}\right)^n \)

Cette définition historique montre comment une croissance discrète (intérêts composés) tend vers une croissance continue.

Définition comme série entière

Pour tout \( x \in \mathbb{R} \), on a :

\( \exp(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots \)

Cette série converge absolument pour tout \( x \in \mathbb{R} \).

Exemple de calcul avec la série

Pour \( x = 1 \), on obtient une approximation de \( e \) :

\( e \approx 1 + 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{6} + \frac{1}{24} + \frac{1}{120} \approx 2,71667 \)

Plus on ajoute de termes, plus l'approximation est précise.

3. Propriétés détaillées de la fonction exponentielle

Théorème fondamental

La fonction exponentielle vérifie les propriétés suivantes :

  1. Relation fonctionnelle : \( \forall a, b \in \mathbb{R}, e^{a+b} = e^a \cdot e^b \)
  2. Dérivée : \( \forall x \in \mathbb{R}, \frac{d}{dx}e^x = e^x \)
  3. Positivité : \( \forall x \in \mathbb{R}, e^x > 0 \)
  4. Croissance : La fonction est strictement croissante sur \( \mathbb{R} \)
  5. Limites :
    • \( \lim_{x \to -\infty} e^x = 0^+ \)
    • \( \lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty \)

Démonstration de \( e^{a+b} = e^a \cdot e^b \)

Fixons \( b \in \mathbb{R} \) et considérons la fonction \( f(x) = \frac{e^{x+b}}{e^x} \).

Sa dérivée est :

\( f'(x) = \frac{e^{x+b} \cdot e^x - e^{x+b} \cdot e^x}{(e^x)^2} = 0 \)

Donc \( f \) est constante. Comme \( f(0) = e^b \), on a \( f(x) = e^b \) pour tout \( x \), d'où \( e^{x+b} = e^x \cdot e^b \).

Fonctions exponentielles de bases différentes

Pour \( a > 0 \), la fonction \( x \mapsto a^x \) peut s'écrire \( e^{x \ln a} \).

  • Si \( a > 1 \) : fonction croissante
  • Si \( a = 1 \) : fonction constante
  • Si \( 0 < a < 1 \) : fonction décroissante

Comparaison des croissances

Pour \( a > 1 \), plus \( a \) est grand, plus la croissance est rapide :

\( 2^x < 3^x < e^x < 10^x \) pour \( x > 0 \)

4. Définition et propriétés du logarithme népérien

Définition comme fonction réciproque

La fonction exponentielle étant continue et strictement croissante de \( \mathbb{R} \) sur \( \mathbb{R}_+^* \), elle admet une fonction réciproque appelée logarithme népérien, notée \( \ln \).

\( \forall x > 0, y = \ln(x) \iff x = e^y \)

Propriétés algébriques fondamentales

Pour tous réels strictement positifs \( a \) et \( b \), et pour tout réel \( \alpha \) :

  1. \( \ln(ab) = \ln(a) + \ln(b) \)
  2. \( \ln\left(\frac{a}{b}\right) = \ln(a) - \ln(b) \)
  3. \( \ln(a^\alpha) = \alpha \ln(a) \)
  4. \( \ln(1) = 0 \) et \( \ln(e) = 1 \)

Démonstration de \( \ln(ab) = \ln(a) + \ln(b) \)

Posons \( x = \ln(a) \) et \( y = \ln(b) \), donc \( a = e^x \) et \( b = e^y \).

Alors \( ab = e^x \cdot e^y = e^{x+y} \), donc \( \ln(ab) = x + y = \ln(a) + \ln(b) \).

Importance de ces propriétés

Historiquement, ces propriétés ont rendu les logarithmes extrêmement utiles pour effectuer des calculs complexes avant l'invention des calculatrices. La multiplication se réduisait à une addition, la division à une soustraction, et l'exponentiation à une multiplication.

Représentation graphique

La courbe de la fonction \( \ln \) est symétrique à celle de la fonction exponentielle par rapport à la droite \( y = x \).

Elle passe par les points : \( (1, 0) \), \( (e, 1) \), \( \left(\frac{1}{e}, -1\right) \).

5. Étude approfondie des fonctions ln et exp

5.1 Dérivées et variations

Fonction Dérivée Variations Limites importantes
\( \exp(x) = e^x \) \( e^x \) Strictement croissante sur \( \mathbb{R} \) \( \lim_{x \to -\infty} e^x = 0^+ \), \( \lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty \)
\( \ln(x) \) \( \frac{1}{x} \) Strictement croissante sur \( \mathbb{R}_+^* \) \( \lim_{x \to 0^+} \ln(x) = -\infty \), \( \lim_{x \to +\infty} \ln(x) = +\infty \)

5.2 Convexité et concavité

Théorème :

  • La fonction exponentielle est convexe sur \( \mathbb{R} \) (sa dérivée seconde \( e^x \) est toujours positive)
  • La fonction logarithme est concave sur \( \mathbb{R}_+^* \) (sa dérivée seconde \( -\frac{1}{x^2} \) est toujours négative)

Application : Inégalité de convexité

Pour la fonction convexe \( \exp \), on a pour tous réels \( a, b \) et tout \( t \in [0, 1] \) :

\( e^{ta + (1-t)b} \leq t e^a + (1-t) e^b \)

Pour la fonction concave \( \ln \), l'inégalité est inversée :

\( \ln(ta + (1-t)b) \geq t \ln(a) + (1-t) \ln(b) \)

5.3 Résolution graphique d'équations

Exemple : Résolution de \( e^x = x + 2 \)

On trace les courbes de \( y = e^x \) et \( y = x + 2 \).

On observe qu'elles se coupent en deux points : un point d'abscisse négative et un point d'abscisse positive.

Par dichotomie ou méthode de Newton, on trouve approximativement \( x \approx -1,84 \) et \( x \approx 1,15 \).

6. Dérivation et intégration

6.1 Dérivées des fonctions composées

Fonction Dérivée Conditions
\( e^{u(x)} \) \( u'(x) \cdot e^{u(x)} \) \( u \) dérivable
\( \ln(u(x)) \) \( \frac{u'(x)}{u(x)} \) \( u \) dérivable et \( u(x) > 0 \)
\( \ln(|u(x)|) \) \( \frac{u'(x)}{u(x)} \) \( u \) dérivable et \( u(x) \neq 0 \)
\( a^{u(x)} \) \( u'(x) \cdot \ln(a) \cdot a^{u(x)} \) \( u \) dérivable, \( a > 0 \)

6.2 Primitives usuelles

Fonction Primitive Conditions
\( e^x \) \( e^x + C \) \( C \in \mathbb{R} \)
\( e^{ax+b} \) \( \frac{1}{a} e^{ax+b} + C \) \( a \neq 0 \)
\( \frac{1}{x} \) \( \ln|x| + C \) \( x \neq 0 \)
\( \frac{u'(x)}{u(x)} \) \( \ln|u(x)| + C \) \( u(x) \neq 0 \)

6.3 Dérivation logarithmique

Méthode de dérivation logarithmique

Pour dériver une fonction de la forme \( f(x) = u(x)^{v(x)} \), on utilise la dérivation logarithmique :

Étape 1 : Prendre le logarithme : \( \ln(f(x)) = v(x) \cdot \ln(u(x)) \)

Étape 2 : Dériver : \( \frac{f'(x)}{f(x)} = v'(x) \ln(u(x)) + v(x) \frac{u'(x)}{u(x)} \)

Étape 3 : Isoler \( f'(x) \) : \( f'(x) = f(x) \left[ v'(x) \ln(u(x)) + v(x) \frac{u'(x)}{u(x)} \right] \)

Exemple : Dériver \( f(x) = x^x \) pour \( x > 0 \)

\( \ln(f(x)) = x \ln(x) \)

\( \frac{f'(x)}{f(x)} = \ln(x) + x \cdot \frac{1}{x} = \ln(x) + 1 \)

\( f'(x) = x^x (\ln(x) + 1) \)

7. Limites et comparaison de croissances

7.1 Croissances comparées

En \( +\infty \), la fonction exponentielle croît plus vite que toute puissance :

\( \lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty \) pour tout \( n \in \mathbb{N} \)

En \( +\infty \), le logarithme croît plus lentement que toute puissance positive :

\( \lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x^\alpha} = 0 \) pour tout \( \alpha > 0 \)

7.2 Limites fondamentales

Limite Valeur Commentaire
\( \lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} \) \( 1 \) Dérivée de l'exponentielle en 0
\( \lim_{x \to 0} \frac{\ln(1+x)}{x} \) \( 1 \) Dérivée du logarithme en 1
\( \lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x} \) \( 0 \) Croissance comparée
\( \lim_{x \to 0^+} x \ln(x) \) \( 0 \) Croissance comparée en 0
\( \lim_{x \to +\infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x \) \( e \) Définition historique de e

7.3 Formes indéterminées courantes

Attention aux pièges :

  • \( \infty - \infty \) : \( \lim_{x \to +\infty} (e^x - x) = +\infty \) (l'exponentielle l'emporte)
  • \( 0 \times \infty \) : \( \lim_{x \to 0^+} x \ln(x) = 0 \)
  • \( 1^\infty \) : \( \lim_{x \to +\infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e \)

Exemple : Calcul de \( \lim_{x \to +\infty} \frac{e^x + x^2}{e^x + \ln(x)} \)

On factorise par \( e^x \) au numérateur et au dénominateur :

\( \frac{e^x(1 + \frac{x^2}{e^x})}{e^x(1 + \frac{\ln(x)}{e^x})} = \frac{1 + \frac{x^2}{e^x}}{1 + \frac{\ln(x)}{e^x}} \)

Or \( \lim_{x \to +\infty} \frac{x^2}{e^x} = 0 \) et \( \lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{e^x} = 0 \), donc la limite vaut 1.

8. Équations et inéquations

8.1 Équations exponentielles

Méthode de résolution

Pour résoudre \( a^{f(x)} = b^{g(x)} \) avec \( a, b > 0 \) :

Étape 1 : Prendre le logarithme des deux membres : \( f(x) \ln(a) = g(x) \ln(b) \)

Étape 2 : Résoudre l'équation linéaire obtenue

Exemple : Résoudre \( 2^{x+1} = 3^{x-1} \)

\( (x+1) \ln(2) = (x-1) \ln(3) \)

\( x \ln(2) + \ln(2) = x \ln(3) - \ln(3) \)

\( x (\ln(2) - \ln(3)) = -\ln(3) - \ln(2) \)

\( x = \frac{-\ln(6)}{\ln(2) - \ln(3)} = \frac{\ln(6)}{\ln(3) - \ln(2)} \)

8.2 Inéquations logarithmiques

Attention : Le sens des inégalités change selon la base du logarithme !

  • Si \( a > 1 \) : \( \ln_a(u) \leq \ln_a(v) \iff u \leq v \) (même sens)
  • Si \( 0 < a < 1 \) : \( \ln_a(u) \leq \ln_a(v) \iff u \geq v \) (sens inverse)

Exemple : Résoudre \( \ln(2x-1) \geq \ln(x+3) \)

Conditions d'existence : \( 2x-1 > 0 \) et \( x+3 > 0 \) donc \( x > \frac{1}{2} \)

Comme la fonction ln est croissante : \( 2x-1 \geq x+3 \)

\( x \geq 4 \)

Solution : \( [4, +\infty[ \)

9. Applications concrètes

9.1 Croissance exponentielle

Modèle de Malthus

Si une population croît avec un taux constant \( r \), son effectif \( P(t) \) vérifie :

\( P(t) = P_0 e^{rt} \)

où \( P_0 \) est la population initiale.

9.2 Décroissance radioactive

Loi de désintégration

La quantité \( N(t) \) d'un élément radioactif vérifie :

\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)

où \( \lambda \) est la constante de désintégration et \( N_0 \) la quantité initiale.

La demi-vie \( T \) (temps au bout duquel la moitié de la substance s'est désintégrée) vérifie :

\( T = \frac{\ln(2)}{\lambda} \)

9.3 Intérêts composés

Capitalisation continue

Un capital \( C_0 \) placé à un taux annuel \( r \) pendant \( t \) années donne :

\( C(t) = C_0 e^{rt} \)

Le temps de doublement du capital est \( t = \frac{\ln(2)}{r} \).

10. Exercices avancés avec corrigés détaillés

Exercice 1 — Étude complète de fonction

Soit \( f(x) = x e^{-x} \). Étudier les variations de \( f \), ses limites aux bornes, et tracer sa courbe représentative.

Calculer la dérivée, étudier son signe, et déterminer les limites en \( -\infty \) et \( +\infty \).

Corrigé :

1. Domaine de définition : \( \mathbb{R} \)

2. Dérivée : \( f'(x) = e^{-x} - x e^{-x} = e^{-x}(1 - x) \)

3. Signe de la dérivée : \( f'(x) > 0 \) pour \( x < 1 \), \( f'(x) < 0 \) pour \( x > 1 \)

4. Variations : \( f \) croissante sur \( ]-\infty, 1] \), décroissante sur \( [1, +\infty[ \)

5. Maximum : \( f(1) = e^{-1} \approx 0,368 \)

6. Limites :

  • \( \lim_{x \to -\infty} f(x) = -\infty \) (car \( e^{-x} \to +\infty \) plus vite que \( x \to -\infty \))
  • \( \lim_{x \to +\infty} f(x) = 0^+ \) (croissance comparée)

Exercice 2 — Résolution d'équation avec paramètre

Discuter selon les valeurs du paramètre \( m \) le nombre de solutions de l'équation : \( e^x - e^{-x} = m \).

Étudier la fonction \( g(x) = e^x - e^{-x} \) (fonction sinus hyperbolique).

Corrigé :

1. \( g(x) = e^x - e^{-x} \) est impaire et strictement croissante sur \( \mathbb{R} \)

2. \( g'(x) = e^x + e^{-x} > 0 \) pour tout \( x \)

3. Limites : \( \lim_{x \to -\infty} g(x) = -\infty \), \( \lim_{x \to +\infty} g(x) = +\infty \)

4. Conclusion :

  • Pour tout \( m \in \mathbb{R} \), l'équation admet une unique solution
  • Si \( m = 0 \), la solution est \( x = 0 \)

Exercice 3 — Inégalité à démontrer

Démontrer que pour tout \( x > -1 \), on a \( \frac{x}{1+x} \leq \ln(1+x) \leq x \).

Étudier les fonctions \( x - \ln(1+x) \) et \( \ln(1+x) - \frac{x}{1+x} \).

Corrigé :

1. Pour \( \ln(1+x) \leq x \) :

Soit \( h(x) = x - \ln(1+x) \), \( h'(x) = 1 - \frac{1}{1+x} = \frac{x}{1+x} \)

\( h'(x) \geq 0 \) pour \( x \geq 0 \), \( h'(x) \leq 0 \) pour \( -1 < x \leq 0 \)

\( h \) admet un minimum en \( x = 0 \) avec \( h(0) = 0 \), donc \( h(x) \geq 0 \)

2. Pour \( \frac{x}{1+x} \leq \ln(1+x) \) :

Soit \( k(x) = \ln(1+x) - \frac{x}{1+x} \), \( k'(x) = \frac{1}{1+x} - \frac{1}{(1+x)^2} = \frac{x}{(1+x)^2} \)

Même étude que précédemment, \( k(x) \geq 0 \)

🔍 Un contre-exemple à une erreur naïve : Si \( u_n \underset{n \to +\infty}{\longrightarrow} 1 \) alors on ne peut pas dire que \( (u_n)^n \underset{n \to +\infty}{\longrightarrow} 1 \). En effet pour \( u_n = 1 + \frac{1}{n} \), on a \( (u_n)^n = \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n = e^{n \ln(1 + \frac{1}{n})} \), donc \( (u_n)^n \) tend vers \( e \).