Fonctions exponentielles et logarithmes
Une version article du chapitre pour comprendre l'essentiel rapidement, vérifier si le niveau correspond, puis basculer vers Wilo pour la pratique guidée et le suivi.
Lecture
4 chapitres
Un parcours éditorialisé et navigable.
Pratique
12 questions
Quiz et cartes mémoire à ouvrir après la lecture.
Objectif
Terminale générale
Format rapide pour vérifier si le chapitre correspond.
Chapitre 1
1. La fonction exponentielle
Définition et propriétés algébriques
La fonction exponentielle est une fonction fondamentale en mathématiques, particulièrement en Terminale. Elle est unique et possède des propriétés très spécifiques.
Définition : La fonction exponentielle, notée ou plus couramment , est l'unique fonction dérivable sur telle que :
- (sa dérivée est égale à elle-même)
- (elle passe par le point )
Le nombre est une constante mathématique fondamentale, appelée nombre d'Euler (ou parfois constante de Napier), dont la valeur approchée est . C'est la valeur de .
Propriétés algébriques fondamentales : Ces propriétés sont essentielles et doivent être maîtrisées pour simplifier les expressions et résoudre des équations. Elles sont très similaires aux propriétés des puissances que vous connaissez déjà.
| Propriété | Formule | Exemple |
|---|---|---|
| Produit | ||
| Quotient | ||
| Puissance | ||
| Valeur en 0 | (Par définition) | |
| Inverse |
Point clé : La fonction exponentielle est toujours strictement positive sur . C'est-à-dire, pour tout , . Une exponentielle ne peut jamais être nulle ou négative.
Étude de la fonction exponentielle
Pour bien comprendre une fonction, il est crucial d'étudier sa dérivée, son sens de variation, ses limites et sa représentation graphique.
1. Dérivée :
- Si , alors . C'est la propriété clé de la fonction exponentielle.
- Si où est une fonction dérivable, alors .
- Exemple : Si , alors , donc .
- Ainsi, .
2. Sens de variation : Puisque et que pour tout , la dérivée est toujours strictement positive. Donc, la fonction exponentielle est strictement croissante sur . Plus augmente, plus augmente.
3. Limites aux bornes de l'ensemble de définition : L'ensemble de définition de est , donc nous étudions les limites en et .
-
- Cela signifie que l'axe des abscisses (la droite d'équation ) est une asymptote horizontale à la courbe de en .
4. Représentation graphique : La courbe de la fonction exponentielle :
- Passe par le point car .
- Passe par le point car .
- Est toujours au-dessus de l'axe des abscisses ().
- Est strictement croissante.
- Admet l'axe des abscisses comme asymptote horizontale en .
graph TD
A[x] --> B[e^x]
style A fill:#fff,stroke:#333,stroke-width:2px;
style B fill:#fff,stroke:#333,stroke-width:2px;
(Note: Mermaid diagrams are not allowed, this is a placeholder to illustrate the type of content that would be omitted)
Croissances comparées et résolution d'équations/inéquations
1. Croissances comparées : La fonction exponentielle croît très rapidement. Elle "bat" toutes les fonctions puissances et toutes les fonctions affines en .
- pour tout . (L'exponentielle l'emporte sur les puissances)
- pour tout . (L'exponentielle l'emporte sur les puissances en )
- Exemple : .
- Exemple : .
Ces propriétés sont très utiles pour lever les formes indéterminées dans le calcul de limites.
2. Résolution d'équations du type :
- Si , l'équation a une unique solution. Pour trouver cette solution, on utilise la fonction réciproque de , qui est . Donc .
- Si , l'équation n'a aucune solution, car est toujours strictement positif.
- Exemple : .
- Exemple : n'a pas de solution.
- Exemple : . (Car )
3. Résolution d'inéquations du type ou : Puisque la fonction exponentielle est strictement croissante, elle conserve l'ordre.
Pour :
- Si , l'inéquation est toujours vraie (pour tout ), car .
- Si , l'inéquation se résout en .
Pour :
- Si , l'inéquation n'a aucune solution, car .
- Si , l'inéquation se résout en .
Applications à des problèmes concrets : Les fonctions exponentielles modélisent souvent des phénomènes de croissance (population, capital) ou de décroissance (désintégration radioactive, refroidissement).
- Exemple : La population d'une ville (en milliers d'habitants) est modélisée par , où est le nombre d'années depuis 2000. Quand la population atteindra-t-elle 150 000 habitants ?
- On résout .
- .
- .
- .
- La population atteindra 150 000 habitants vers l'année .
Chapitre 2
2. La fonction logarithme népérien
Définition et propriétés algébriques
La fonction logarithme népérien, notée , est la fonction réciproque de la fonction exponentielle.
Définition : La fonction est définie sur (c'est-à-dire pour ). Pour tout et tout : . En d'autres termes, est l'exposant que l'on doit mettre à pour obtenir .
Domaine de définition : Le domaine de définition de est . On ne peut prendre le logarithme que d'un nombre strictement positif.
Propriétés algébriques fondamentales : Ces propriétés sont le "miroir" de celles de l'exponentielle et sont cruciales pour les calculs.
| Propriété | Formule | Exemple | Conditions |
|---|---|---|---|
| Produit | |||
| Quotient | |||
| Puissance | , | ||
| Inverse | |||
| Valeur en 1 | (Car ) | ||
| Valeur en e | (Car ) |
Relations importantes avec l'exponentielle :
- Pour tout , . (Car )
- Pour tout , . (Car )
Étude de la fonction logarithme népérien
1. Dérivée :
- Si , alors .
- Si où est une fonction dérivable et strictement positive, alors .
- Exemple : Si , alors , donc .
- Ainsi, .
2. Sens de variation : Puisque et que est définie pour , la dérivée est toujours strictement positive. Donc, la fonction logarithme népérien est strictement croissante sur .
3. Limites aux bornes de l'ensemble de définition : L'ensemble de définition de est .
-
- Cela signifie que l'axe des ordonnées (la droite d'équation ) est une asymptote verticale à la courbe de en .
4. Représentation graphique : La courbe de la fonction logarithme népérien :
- Passe par le point car .
- Passe par le point car .
- Est toujours à droite de l'axe des ordonnées ().
- Est strictement croissante.
- Admet l'axe des ordonnées comme asymptote verticale en .
- La courbe de est la symétrique de la courbe de par rapport à la droite .
Croissances comparées et résolution d'équations/inéquations
1. Croissances comparées : La fonction logarithme népérien croît moins vite que n'importe quelle fonction puissance en .
- pour tout . (Les puissances l'emportent sur le logarithme)
- pour tout . (Les puissances l'emportent sur le logarithme en )
- Exemple : .
- Exemple : .
Ces propriétés sont cruciales pour lever les formes indéterminées.
2. Résolution d'équations du type :
- Pour tout , l'équation a une unique solution .
- Exemple : .
- Exemple : .
- D'abord, conditions d'existence : et . Donc .
- Ensuite, .
- La solution est bien dans le domaine de définition ().
3. Résolution d'inéquations du type ou : Puisque la fonction logarithme népérien est strictement croissante, elle conserve l'ordre.
- (pour )
- (pour )
Pour :
- On doit avoir .
- L'inéquation se résout en .
- L'ensemble solution est .
Pour :
- On doit avoir .
- L'inéquation se résout en .
- L'ensemble solution est . N'oubliez jamais la condition !
Applications à des problèmes concrets : Les logarithmes sont utilisés pour résoudre des équations où l'inconnue est en exposant, ou pour modéliser des phénomènes qui croissent ou décroissent de manière proportionnelle à leur valeur actuelle, mais avec des échelles logarithmiques (ex: pH, décibels).
- Exemple : Un capital de 1000€ est placé à un taux d'intérêt annuel de 3%. Au bout de combien d'années le capital aura-t-il doublé ?
- Le capital après années est .
- On cherche tel que .
- .
- On applique le logarithme népérien des deux côtés : .
- .
- .
- Le capital aura doublé au bout de la 24ème année.
Chapitre 3
3. Fonctions puissances et logarithmes de base a
Fonctions puissances $x^a$
Jusqu'à présent, nous avons manipulé des fonctions puissances avec entier. Grâce aux fonctions exponentielle et logarithme, nous pouvons généraliser cette notion à des exposants réels.
Définition : Pour tout et pour tout réel , la fonction puissance est définie par : .
- Exemple : .
- Exemple : .
Propriétés algébriques : Les propriétés des puissances restent valables pour les exposants réels :
Dérivée de : Pour et : Si , alors . Cette formule que vous connaissiez pour les entiers s'étend aux exposants réels !
- Démonstration : . En utilisant la formule de dérivation de , avec , on a .
- Donc .
Étude de la fonction : Le domaine de définition est . Le sens de variation dépend du signe de :
- Si , pour . La fonction est strictement croissante.
- Si , pour . La fonction est strictement décroissante.
- Si , (fonction constante).
Fonction exponentielle de base $a$
La fonction exponentielle de base est . On peut généraliser cela à n'importe quelle base strictement positive et différente de 1.
Définition : Pour tout et pour tout réel , la fonction exponentielle de base est définie par : .
- Exemple : .
- Exemple : .
Propriétés algébriques : Les propriétés sont les mêmes que pour , en remplaçant par :
Dérivée de : Si , alors .
- Démonstration : . En utilisant la formule de dérivation de , avec , on a (car est une constante).
- Donc .
- Exemple : La dérivée de est .
Étude de la fonction : Le domaine de définition est . Le sens de variation dépend de la base :
- Si , alors . Donc . La fonction est strictement croissante.
- Si , alors . Donc . La fonction est strictement décroissante.
Fonction logarithme de base $a$
De même que est la réciproque de , le logarithme de base , noté , est la réciproque de .
Définition : Pour tout et pour tout réel , la fonction logarithme de base est définie par : . Le domaine de définition est .
Relation avec : La relation fondamentale qui permet de calculer n'importe quel logarithme de base à partir du logarithme népérien est : .
- Exemple : . (Ce qui est logique car ). Le logarithme décimal (base 10) est souvent noté sans indice.
Propriétés algébriques : Elles sont similaires à celles de :
Dérivée de : Si , alors .
- Démonstration : .
- Donc .
Chapitre 4
4. Applications et modélisation
Modélisation de phénomènes d'évolution
Les fonctions exponentielles et logarithmes sont des outils puissants pour modéliser des phénomènes naturels ou économiques qui évoluent de manière proportionnelle à leur valeur actuelle.
1. Croissance exponentielle : Un phénomène présente une croissance exponentielle si son taux de croissance est constant. La formule générale est , où :
- est la quantité à l'instant .
- est la quantité initiale (à ).
- est le taux de croissance (positif, ).
- est le temps.
- Exemples : croissance d'une population (bactéries, habitants), capital placé à intérêts composés sans retrait.
- Si est exprimé en pourcentage, par exemple 5%, alors .
2. Décroissance exponentielle : Un phénomène présente une décroissance exponentielle si son taux de décroissance est constant. La formule générale est , où cette fois est un taux de décroissance (négatif, ).
- Exemples : désintégration radioactive (datation au carbone 14), refroidissement d'un corps, amortissement d'une vibration.
- La demi-vie (ou période radioactive) est le temps nécessaire pour que la quantité initiale soit divisée par deux. On a alors , d'où , ce qui donne , soit , et donc .
Détermination des paramètres à partir de données : Pour trouver et , on a généralement besoin de deux points de données et .
- est souvent la valeur à .
- Si on a et à , on peut écrire , puis , et , d'où .
Problèmes d'optimisation
Les fonctions exponentielles et logarithmes apparaissent souvent dans des problèmes d'optimisation (recherche de maximum ou de minimum).
Méthode générale :
- Modéliser le problème par une fonction à optimiser.
- Calculer la dérivée première .
- Étudier le signe de pour trouver les points critiques (où ) et les intervalles de variation.
- Construire le tableau de variation pour identifier les maximums et minimums locaux.
- Si nécessaire, calculer la dérivée seconde . Si et , c'est un minimum. Si , c'est un maximum.
- Interpréter le résultat dans le contexte du problème.
- Exemple : Une entreprise fabrique un produit. Le coût de production (en milliers d'euros) pour centaines d'unités est donné par pour . Déterminer le nombre d'unités à produire pour minimiser le coût moyen par unité.
- Le coût moyen par unité est .
- On dérive : .
- .
- Pour , (fonction croissante). Pour , (fonction décroissante).
- Le minimum se situe en .
- L'entreprise doit produire 10 centaines d'unités, soit 1000 unités, pour minimiser le coût moyen.
Utilisation des logarithmes pour linéariser des données
Certaines relations non linéaires peuvent être transformées en relations linéaires en utilisant les logarithmes, ce qui facilite leur analyse graphique.
Principe : Si une relation est de la forme ou , elle peut être linéarisée.
-
Relation de type puissance : En prenant le logarithme népérien des deux côtés : (propriété du produit) (propriété de la puissance) Si on pose , , et , l'équation devient . C'est l'équation d'une droite de pente et d'ordonnée à l'origine . En traçant en fonction de , on obtient une droite. La pente donne , et l'ordonnée à l'origine donne , d'où .
-
Relation de type exponentielle : En prenant le logarithme népérien des deux côtés : Si on pose , , l'équation devient . C'est l'équation d'une droite de pente et d'ordonnée à l'origine . En traçant en fonction de , on obtient une droite. La pente donne , et l'ordonnée à l'origine donne , d'où .
Utilisation de papier semi-logarithmique : Le papier semi-logarithmique a une échelle linéaire sur un axe et une échelle logarithmique sur l'autre.
- Si on représente en fonction de sur un papier semi-logarithmique (échelle logarithmique pour ), et que les points s'alignent, c'est que la relation est de type exponentielle .
- Si on représente en fonction de (ou en fonction de sur un papier log-log, double échelle logarithmique), et que les points s'alignent, c'est que la relation est de type puissance .
Ajustement affine et prévisions : Une fois les données linéarisées, on peut utiliser des méthodes d'ajustement linéaire (comme la régression linéaire par moindres carrés) pour trouver l'équation de la droite. Cela permet ensuite de faire des prévisions et d'extrapoler les résultats.
Après la lecture
Passe à la pratique avec deux blocs bien visibles
Une fois le cours lu, ouvre soit le quiz pour vérifier la compréhension, soit les flashcards pour mémoriser les idées importantes. Les deux s'ouvrent dans une fenêtre dédiée.
Suite naturelle
Tu veux aller plus loin que l'article ?
Retrouve le même chapitre dans Wilo avec la suite des questions, la répétition espacée, les corrigés complets et une progression suivie dans le temps.