Éducation nationale françaiseSpécialité MathématiquesTerminale générale19 min de lecture

Fonctions exponentielles et logarithmes

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Lecture

4 chapitres

Un parcours éditorialisé et navigable.

Pratique

12 questions

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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 exp(x)\exp(x) ou plus couramment exe^x, est l'unique fonction ff dérivable sur R\mathbb{R} telle que :

  • f(x)=f(x)f'(x) = f(x) (sa dérivée est égale à elle-même)
  • f(0)=1f(0) = 1 (elle passe par le point (0,1)(0, 1))

Le nombre ee est une constante mathématique fondamentale, appelée nombre d'Euler (ou parfois constante de Napier), dont la valeur approchée est e2,718e \approx 2,718. C'est la valeur de e1e^1.

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.

PropriétéFormuleExemple
Produitea+b=ea×ebe^{a+b} = e^a \times e^bex+2=ex×e2e^{x+2} = e^x \times e^2
Quotienteab=eaebe^{a-b} = \frac{e^a}{e^b}e3x=e3exe^{3-x} = \frac{e^3}{e^x}
Puissance(ea)n=ena(e^a)^n = e^{na}(ex)3=e3x(e^x)^3 = e^{3x}
Valeur en 0e0=1e^0 = 1(Par définition)
Inverseea=1eae^{-a} = \frac{1}{e^a}ex=1exe^{-x} = \frac{1}{e^x}

Point clé : La fonction exponentielle est toujours strictement positive sur R\mathbb{R}. C'est-à-dire, pour tout xRx \in \mathbb{R}, ex>0e^x > 0. 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 f(x)=exf(x) = e^x, alors f(x)=exf'(x) = e^x. C'est la propriété clé de la fonction exponentielle.
  • Si f(x)=eu(x)f(x) = e^{u(x)}uu est une fonction dérivable, alors f(x)=u(x)eu(x)f'(x) = u'(x)e^{u(x)}.
    • Exemple : Si f(x)=e3x2+1f(x) = e^{3x^2+1}, alors u(x)=3x2+1u(x) = 3x^2+1, donc u(x)=6xu'(x) = 6x.
    • Ainsi, f(x)=6xe3x2+1f'(x) = 6x e^{3x^2+1}.

2. Sens de variation : Puisque f(x)=exf'(x) = e^x et que ex>0e^x > 0 pour tout xRx \in \mathbb{R}, la dérivée est toujours strictement positive. Donc, la fonction exponentielle est strictement croissante sur R\mathbb{R}. Plus xx augmente, plus exe^x augmente.

3. Limites aux bornes de l'ensemble de définition : L'ensemble de définition de exe^x est R\mathbb{R}, donc nous étudions les limites en -\infty et ++\infty.

  • limx+ex=+\lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty
  • limxex=0\lim_{x \to -\infty} e^x = 0
    • Cela signifie que l'axe des abscisses (la droite d'équation y=0y=0) est une asymptote horizontale à la courbe de exe^x en -\infty.

4. Représentation graphique : La courbe de la fonction exponentielle :

  • Passe par le point (0,1)(0, 1) car e0=1e^0=1.
  • Passe par le point (1,e)(1, e) car e1=e2,718e^1=e \approx 2,718.
  • Est toujours au-dessus de l'axe des abscisses (y=0y=0).
  • Est strictement croissante.
  • Admet l'axe des abscisses comme asymptote horizontale en -\infty.
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 ++\infty.

  • limx+exxn=+\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty pour tout nNn \in \mathbb{N}^*. (L'exponentielle l'emporte sur les puissances)
  • limxxnex=0\lim_{x \to -\infty} x^n e^x = 0 pour tout nNn \in \mathbb{N}^*. (L'exponentielle l'emporte sur les puissances en -\infty)
    • Exemple : limx+exx100=+\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^{100}} = +\infty.
    • Exemple : limxx5ex=0\lim_{x \to -\infty} x^5 e^x = 0.

Ces propriétés sont très utiles pour lever les formes indéterminées dans le calcul de limites.

2. Résolution d'équations du type ex=ke^x = k :

  • Si k>0k > 0, l'équation ex=ke^x = k a une unique solution. Pour trouver cette solution, on utilise la fonction réciproque de exe^x, qui est ln(x)\ln(x). Donc x=ln(k)x = \ln(k).
  • Si k0k \le 0, l'équation ex=ke^x = k n'a aucune solution, car exe^x est toujours strictement positif.
    • Exemple : ex=5    x=ln(5)e^x = 5 \implies x = \ln(5).
    • Exemple : ex=2e^x = -2 n'a pas de solution.
    • Exemple : e2x1=ex+3    2x1=x+3    x=4e^{2x-1} = e^{x+3} \iff 2x-1 = x+3 \iff x = 4. (Car ea=eb    a=be^a = e^b \iff a=b)

3. Résolution d'inéquations du type ex>ke^x > k ou ex<ke^x < k : Puisque la fonction exponentielle est strictement croissante, elle conserve l'ordre.

  • ea<eb    a<be^a < e^b \iff a < b
  • ea>eb    a>be^a > e^b \iff a > b

Pour ex>ke^x > k:

  • Si k0k \le 0, l'inéquation est toujours vraie (pour tout xRx \in \mathbb{R}), car ex>0e^x > 0.
  • Si k>0k > 0, l'inéquation ex>ke^x > k se résout en x>ln(k)x > \ln(k).

Pour ex<ke^x < k:

  • Si k0k \le 0, l'inéquation n'a aucune solution, car ex>0e^x > 0.
  • Si k>0k > 0, l'inéquation ex<ke^x < k se résout en x<ln(k)x < \ln(k).

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 P(t)=100e0,02tP(t) = 100 e^{0,02t}, où tt est le nombre d'années depuis 2000. Quand la population atteindra-t-elle 150 000 habitants ?
    • On résout 100e0,02t=150100 e^{0,02t} = 150.
    • e0,02t=1,5e^{0,02t} = 1,5.
    • 0,02t=ln(1,5)0,02t = \ln(1,5).
    • t=ln(1,5)0,0220,27t = \frac{\ln(1,5)}{0,02} \approx 20,27.
    • La population atteindra 150 000 habitants vers l'année 2000+20,27=20202000 + 20,27 = 2020.

Chapitre 2

2. La fonction logarithme népérien

Définition et propriétés algébriques

La fonction logarithme népérien, notée ln(x)\ln(x), est la fonction réciproque de la fonction exponentielle.

Définition : La fonction ln(x)\ln(x) est définie sur R+\mathbb{R}^*_+ (c'est-à-dire pour x>0x > 0). Pour tout x>0x > 0 et tout yRy \in \mathbb{R} : y=ln(x)    x=eyy = \ln(x) \iff x = e^y. En d'autres termes, ln(x)\ln(x) est l'exposant que l'on doit mettre à ee pour obtenir xx.

Domaine de définition : Le domaine de définition de ln(x)\ln(x) est ]0,+[]0, +\infty[. 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.

PropriétéFormuleExempleConditions
Produitln(ab)=ln(a)+ln(b)\ln(ab) = \ln(a) + \ln(b)ln(3x)=ln(3)+ln(x)\ln(3x) = \ln(3) + \ln(x)a,b>0a,b > 0
Quotientln(ab)=ln(a)ln(b)\ln(\frac{a}{b}) = \ln(a) - \ln(b)ln(x2)=ln(x)ln(2)\ln(\frac{x}{2}) = \ln(x) - \ln(2)a,b>0a,b > 0
Puissanceln(an)=nln(a)\ln(a^n) = n \ln(a)ln(x3)=3ln(x)\ln(x^3) = 3 \ln(x)a>0a > 0, nRn \in \mathbb{R}
Inverseln(1a)=ln(a)\ln(\frac{1}{a}) = -\ln(a)ln(1x)=ln(x)\ln(\frac{1}{x}) = -\ln(x)a>0a > 0
Valeur en 1ln(1)=0\ln(1) = 0(Car e0=1e^0=1)
Valeur en eln(e)=1\ln(e) = 1(Car e1=ee^1=e)

Relations importantes avec l'exponentielle :

  • Pour tout xRx \in \mathbb{R}, eln(ex)=exe^{\ln(e^x)} = e^x. (Car ln(ex)=x\ln(e^x)=x)
  • Pour tout x>0x > 0, ln(elnx)=lnx\ln(e^{\ln x}) = \ln x. (Car elnx=xe^{\ln x}=x)

Étude de la fonction logarithme népérien

1. Dérivée :

  • Si f(x)=ln(x)f(x) = \ln(x), alors f(x)=1xf'(x) = \frac{1}{x}.
  • Si f(x)=ln(u(x))f(x) = \ln(u(x))uu est une fonction dérivable et strictement positive, alors f(x)=u(x)u(x)f'(x) = \frac{u'(x)}{u(x)}.
    • Exemple : Si f(x)=ln(x2+1)f(x) = \ln(x^2+1), alors u(x)=x2+1u(x) = x^2+1, donc u(x)=2xu'(x) = 2x.
    • Ainsi, f(x)=2xx2+1f'(x) = \frac{2x}{x^2+1}.

2. Sens de variation : Puisque f(x)=1xf'(x) = \frac{1}{x} et que ln(x)\ln(x) est définie pour x>0x > 0, la dérivée est toujours strictement positive. Donc, la fonction logarithme népérien est strictement croissante sur ]0,+[]0, +\infty[.

3. Limites aux bornes de l'ensemble de définition : L'ensemble de définition de ln(x)\ln(x) est ]0,+[]0, +\infty[.

  • limx+ln(x)=+\lim_{x \to +\infty} \ln(x) = +\infty
  • limx0+ln(x)=\lim_{x \to 0^+} \ln(x) = -\infty
    • Cela signifie que l'axe des ordonnées (la droite d'équation x=0x=0) est une asymptote verticale à la courbe de ln(x)\ln(x) en 00.

4. Représentation graphique : La courbe de la fonction logarithme népérien :

  • Passe par le point (1,0)(1, 0) car ln(1)=0\ln(1)=0.
  • Passe par le point (e,1)(e, 1) car ln(e)=1\ln(e)=1.
  • Est toujours à droite de l'axe des ordonnées (x=0x=0).
  • Est strictement croissante.
  • Admet l'axe des ordonnées comme asymptote verticale en 00.
  • La courbe de ln(x)\ln(x) est la symétrique de la courbe de exe^x par rapport à la droite y=xy=x.

Croissances comparées et résolution d'équations/inéquations

1. Croissances comparées : La fonction logarithme népérien croît moins vite que n'importe quelle fonction puissance en ++\infty.

  • limx+ln(x)xn=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x^n} = 0 pour tout n>0n > 0. (Les puissances l'emportent sur le logarithme)
  • limx0+xnln(x)=0\lim_{x \to 0^+} x^n \ln(x) = 0 pour tout n>0n > 0. (Les puissances l'emportent sur le logarithme en 00)
    • Exemple : limx+ln(x)x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x} = 0.
    • Exemple : limx0+xln(x)=0\lim_{x \to 0^+} x \ln(x) = 0.

Ces propriétés sont cruciales pour lever les formes indéterminées.

2. Résolution d'équations du type ln(x)=k\ln(x) = k :

  • Pour tout kRk \in \mathbb{R}, l'équation ln(x)=k\ln(x) = k a une unique solution x=ekx = e^k.
    • Exemple : ln(x)=3    x=e3\ln(x) = 3 \implies x = e^3.
    • Exemple : ln(2x1)=ln(x+3)\ln(2x-1) = \ln(x+3).
      • D'abord, conditions d'existence : 2x1>0    x>1/22x-1 > 0 \implies x > 1/2 et x+3>0    x>3x+3 > 0 \implies x > -3. Donc x>1/2x > 1/2.
      • Ensuite, 2x1=x+3    x=42x-1 = x+3 \implies x=4.
      • La solution x=4x=4 est bien dans le domaine de définition (4>1/24 > 1/2).

3. Résolution d'inéquations du type ln(x)>k\ln(x) > k ou ln(x)<k\ln(x) < k : Puisque la fonction logarithme népérien est strictement croissante, elle conserve l'ordre.

  • ln(a)<ln(b)    a<b\ln(a) < \ln(b) \iff a < b (pour a,b>0a,b > 0)
  • ln(a)>ln(b)    a>b\ln(a) > \ln(b) \iff a > b (pour a,b>0a,b > 0)

Pour ln(x)>k\ln(x) > k:

  • On doit avoir x>0x > 0.
  • L'inéquation ln(x)>k\ln(x) > k se résout en x>ekx > e^k.
  • L'ensemble solution est ]ek,+[]e^k, +\infty[.

Pour ln(x)<k\ln(x) < k:

  • On doit avoir x>0x > 0.
  • L'inéquation ln(x)<k\ln(x) < k se résout en x<ekx < e^k.
  • L'ensemble solution est ]0,ek[]0, e^k[. N'oubliez jamais la condition x>0x>0 !

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 nn années est C(n)=1000×(1+0,03)n=1000×(1,03)nC(n) = 1000 \times (1+0,03)^n = 1000 \times (1,03)^n.
    • On cherche nn tel que 1000×(1,03)n=20001000 \times (1,03)^n = 2000.
    • (1,03)n=2(1,03)^n = 2.
    • On applique le logarithme népérien des deux côtés : ln((1,03)n)=ln(2)\ln((1,03)^n) = \ln(2).
    • nln(1,03)=ln(2)n \ln(1,03) = \ln(2).
    • n=ln(2)ln(1,03)0,6930,029623,4n = \frac{\ln(2)}{\ln(1,03)} \approx \frac{0,693}{0,0296} \approx 23,4.
    • 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 xnx^n avec nn entier. Grâce aux fonctions exponentielle et logarithme, nous pouvons généraliser cette notion à des exposants réels.

Définition : Pour tout x>0x > 0 et pour tout réel aa, la fonction puissance xax^a est définie par : xa=ealn(x)x^a = e^{a \ln(x)}.

  • Exemple : x2=e2ln(x)x^{\sqrt{2}} = e^{\sqrt{2} \ln(x)}.
  • Exemple : x=x1/2=e12ln(x)\sqrt{x} = x^{1/2} = e^{\frac{1}{2}\ln(x)}.

Propriétés algébriques : Les propriétés des puissances restent valables pour les exposants réels :

  • xa×xb=xa+bx^a \times x^b = x^{a+b}
  • xaxb=xab\frac{x^a}{x^b} = x^{a-b}
  • (xa)b=xab(x^a)^b = x^{ab}
  • (xy)a=xaya(xy)^a = x^a y^a
  • (xy)a=xaya(\frac{x}{y})^a = \frac{x^a}{y^a}

Dérivée de xax^a : Pour x>0x > 0 et aRa \in \mathbb{R} : Si f(x)=xaf(x) = x^a, alors f(x)=axa1f'(x) = a x^{a-1}. Cette formule que vous connaissiez pour les entiers s'étend aux exposants réels !

  • Démonstration : f(x)=ealn(x)f(x) = e^{a \ln(x)}. En utilisant la formule de dérivation de eu(x)e^{u(x)}, avec u(x)=aln(x)u(x) = a \ln(x), on a u(x)=a×1xu'(x) = a \times \frac{1}{x}.
  • Donc f(x)=u(x)eu(x)=axealn(x)=axxa=axa1f'(x) = u'(x) e^{u(x)} = \frac{a}{x} e^{a \ln(x)} = \frac{a}{x} x^a = a x^{a-1}.

Étude de la fonction xax^a : Le domaine de définition est ]0,+[]0, +\infty[. Le sens de variation dépend du signe de aa:

  • Si a>0a > 0, f(x)=axa1>0f'(x) = a x^{a-1} > 0 pour x>0x > 0. La fonction est strictement croissante.
    • limx0+xa=0\lim_{x \to 0^+} x^a = 0
    • limx+xa=+\lim_{x \to +\infty} x^a = +\infty
  • Si a<0a < 0, f(x)=axa1<0f'(x) = a x^{a-1} < 0 pour x>0x > 0. La fonction est strictement décroissante.
    • limx0+xa=+\lim_{x \to 0^+} x^a = +\infty
    • limx+xa=0\lim_{x \to +\infty} x^a = 0
  • Si a=0a = 0, x0=1x^0 = 1 (fonction constante).

Fonction exponentielle de base $a$

La fonction exponentielle de base ee est exe^x. On peut généraliser cela à n'importe quelle base aa strictement positive et différente de 1.

Définition : Pour tout xRx \in \mathbb{R} et pour tout réel a>0,a1a > 0, a \ne 1, la fonction exponentielle de base aa est définie par : ax=exln(a)a^x = e^{x \ln(a)}.

  • Exemple : 2x=exln(2)2^x = e^{x \ln(2)}.
  • Exemple : 10x=exln(10)10^x = e^{x \ln(10)}.

Propriétés algébriques : Les propriétés sont les mêmes que pour exe^x, en remplaçant ee par aa:

  • ax+y=axaya^{x+y} = a^x a^y
  • axy=axaya^{x-y} = \frac{a^x}{a^y}
  • (ax)y=axy(a^x)^y = a^{xy}
  • a0=1a^0 = 1
  • a1=aa^1 = a

Dérivée de axa^x : Si f(x)=axf(x) = a^x, alors f(x)=ln(a)axf'(x) = \ln(a) a^x.

  • Démonstration : f(x)=exln(a)f(x) = e^{x \ln(a)}. En utilisant la formule de dérivation de eu(x)e^{u(x)}, avec u(x)=xln(a)u(x) = x \ln(a), on a u(x)=ln(a)u'(x) = \ln(a) (car ln(a)\ln(a) est une constante).
  • Donc f(x)=u(x)eu(x)=ln(a)exln(a)=ln(a)axf'(x) = u'(x) e^{u(x)} = \ln(a) e^{x \ln(a)} = \ln(a) a^x.
    • Exemple : La dérivée de 2x2^x est ln(2)2x\ln(2) 2^x.

Étude de la fonction axa^x : Le domaine de définition est R\mathbb{R}. Le sens de variation dépend de la base aa:

  • Si a>1a > 1, alors ln(a)>0\ln(a) > 0. Donc f(x)=ln(a)ax>0f'(x) = \ln(a) a^x > 0. La fonction est strictement croissante.
    • limxax=0\lim_{x \to -\infty} a^x = 0
    • limx+ax=+\lim_{x \to +\infty} a^x = +\infty
  • Si 0<a<10 < a < 1, alors ln(a)<0\ln(a) < 0. Donc f(x)=ln(a)ax<0f'(x) = \ln(a) a^x < 0. La fonction est strictement décroissante.
    • limxax=+\lim_{x \to -\infty} a^x = +\infty
    • limx+ax=0\lim_{x \to +\infty} a^x = 0

Fonction logarithme de base $a$

De même que ln(x)\ln(x) est la réciproque de exe^x, le logarithme de base aa, noté loga(x)\log_a(x), est la réciproque de axa^x.

Définition : Pour tout x>0x > 0 et pour tout réel a>0,a1a > 0, a \ne 1, la fonction logarithme de base aa est définie par : y=loga(x)    x=ayy = \log_a(x) \iff x = a^y. Le domaine de définition est ]0,+[]0, +\infty[.

Relation avec ln(x)\ln(x) : La relation fondamentale qui permet de calculer n'importe quel logarithme de base aa à partir du logarithme népérien est : loga(x)=ln(x)ln(a)\log_a(x) = \frac{\ln(x)}{\ln(a)}.

  • Exemple : log10(100)=ln(100)ln(10)=ln(102)ln(10)=2ln(10)ln(10)=2\log_{10}(100) = \frac{\ln(100)}{\ln(10)} = \frac{\ln(10^2)}{\ln(10)} = \frac{2 \ln(10)}{\ln(10)} = 2. (Ce qui est logique car 102=10010^2=100). Le logarithme décimal (base 10) est souvent noté log(x)\log(x) sans indice.

Propriétés algébriques : Elles sont similaires à celles de ln(x)\ln(x):

  • loga(xy)=loga(x)+loga(y)\log_a(xy) = \log_a(x) + \log_a(y)
  • loga(xy)=loga(x)loga(y)\log_a(\frac{x}{y}) = \log_a(x) - \log_a(y)
  • loga(xn)=nloga(x)\log_a(x^n) = n \log_a(x)
  • loga(1)=0\log_a(1) = 0
  • loga(a)=1\log_a(a) = 1

Dérivée de loga(x)\log_a(x) : Si f(x)=loga(x)f(x) = \log_a(x), alors f(x)=1xln(a)f'(x) = \frac{1}{x \ln(a)}.

  • Démonstration : f(x)=ln(x)ln(a)=1ln(a)×ln(x)f(x) = \frac{\ln(x)}{\ln(a)} = \frac{1}{\ln(a)} \times \ln(x).
  • Donc f(x)=1ln(a)×1x=1xln(a)f'(x) = \frac{1}{\ln(a)} \times \frac{1}{x} = \frac{1}{x \ln(a)}.

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 N(t)=N0×ektN(t) = N_0 \times e^{kt}, où :

  • N(t)N(t) est la quantité à l'instant tt.
  • N0N_0 est la quantité initiale (à t=0t=0).
  • kk est le taux de croissance (positif, k>0k > 0).
  • tt est le temps.
  • Exemples : croissance d'une population (bactéries, habitants), capital placé à intérêts composés sans retrait.
    • Si kk est exprimé en pourcentage, par exemple 5%, alors k=0,05k = 0,05.

2. Décroissance exponentielle : Un phénomène présente une décroissance exponentielle si son taux de décroissance est constant. La formule générale est N(t)=N0×ektN(t) = N_0 \times e^{kt}, où cette fois kk est un taux de décroissance (négatif, k<0k < 0).

  • Exemples : désintégration radioactive (datation au carbone 14), refroidissement d'un corps, amortissement d'une vibration.
    • La demi-vie (ou période radioactive) TT est le temps nécessaire pour que la quantité initiale soit divisée par deux. On a alors N0/2=N0ekTN_0/2 = N_0 e^{kT}, d'où 1/2=ekT1/2 = e^{kT}, ce qui donne ln(1/2)=kT\ln(1/2) = kT, soit ln(2)=kT-\ln(2) = kT, et donc T=ln(2)kT = -\frac{\ln(2)}{k}.

Détermination des paramètres à partir de données : Pour trouver N0N_0 et kk, on a généralement besoin de deux points de données (t1,N1)(t_1, N_1) et (t2,N2)(t_2, N_2).

  • N0N_0 est souvent la valeur à t=0t=0.
  • Si on a N0N_0 et N1N_1 à t1t_1, on peut écrire N1=N0ekt1N_1 = N_0 e^{kt_1}, puis ekt1=N1/N0e^{kt_1} = N_1/N_0, et kt1=ln(N1/N0)kt_1 = \ln(N_1/N_0), d'où k=ln(N1/N0)t1k = \frac{\ln(N_1/N_0)}{t_1}.

Problèmes d'optimisation

Les fonctions exponentielles et logarithmes apparaissent souvent dans des problèmes d'optimisation (recherche de maximum ou de minimum).

Méthode générale :

  1. Modéliser le problème par une fonction f(x)f(x) à optimiser.
  2. Calculer la dérivée première f(x)f'(x).
  3. Étudier le signe de f(x)f'(x) pour trouver les points critiques (où f(x)=0f'(x)=0) et les intervalles de variation.
  4. Construire le tableau de variation pour identifier les maximums et minimums locaux.
  5. Si nécessaire, calculer la dérivée seconde f(x)f''(x). Si f(x0)=0f'(x_0)=0 et f(x0)>0f''(x_0) > 0, c'est un minimum. Si f(x0)<0f''(x_0) < 0, c'est un maximum.
  6. Interpréter le résultat dans le contexte du problème.
  • Exemple : Une entreprise fabrique un produit. Le coût de production C(x)C(x) (en milliers d'euros) pour xx centaines d'unités est donné par C(x)=x2e0,1xC(x) = x^2 e^{-0,1x} pour x[0,20]x \in [0, 20]. Déterminer le nombre d'unités à produire pour minimiser le coût moyen par unité.
    • Le coût moyen par unité est CM(x)=C(x)x=xe0,1xCM(x) = \frac{C(x)}{x} = x e^{-0,1x}.
    • On dérive CM(x)CM(x): CM(x)=1e0,1x+x(0,1e0,1x)=e0,1x(10,1x)CM'(x) = 1 \cdot e^{-0,1x} + x \cdot (-0,1 e^{-0,1x}) = e^{-0,1x}(1 - 0,1x).
    • CM(x)=0    10,1x=0    x=10CM'(x) = 0 \iff 1 - 0,1x = 0 \iff x = 10.
    • Pour x<10x < 10, CM(x)>0CM'(x) > 0 (fonction croissante). Pour x>10x > 10, CM(x)<0CM'(x) < 0 (fonction décroissante).
    • Le minimum se situe en x=10x=10.
    • 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 y=Axby = A \cdot x^b ou y=AeBxy = A \cdot e^{Bx}, elle peut être linéarisée.

  1. Relation de type puissance : y=Axby = A \cdot x^b En prenant le logarithme népérien des deux côtés : ln(y)=ln(Axb)\ln(y) = \ln(A \cdot x^b) ln(y)=ln(A)+ln(xb)\ln(y) = \ln(A) + \ln(x^b) (propriété du produit) ln(y)=ln(A)+bln(x)\ln(y) = \ln(A) + b \ln(x) (propriété de la puissance) Si on pose Y=ln(y)Y = \ln(y), X=ln(x)X = \ln(x), et K=ln(A)K = \ln(A), l'équation devient Y=bX+KY = bX + K. C'est l'équation d'une droite de pente bb et d'ordonnée à l'origine KK. En traçant ln(y)\ln(y) en fonction de ln(x)\ln(x), on obtient une droite. La pente donne bb, et l'ordonnée à l'origine donne ln(A)\ln(A), d'où A=eKA = e^K.

  2. Relation de type exponentielle : y=AeBxy = A \cdot e^{Bx} En prenant le logarithme népérien des deux côtés : ln(y)=ln(AeBx)\ln(y) = \ln(A \cdot e^{Bx}) ln(y)=ln(A)+ln(eBx)\ln(y) = \ln(A) + \ln(e^{Bx}) ln(y)=ln(A)+Bx\ln(y) = \ln(A) + Bx Si on pose Y=ln(y)Y = \ln(y), K=ln(A)K = \ln(A), l'équation devient Y=Bx+KY = Bx + K. C'est l'équation d'une droite de pente BB et d'ordonnée à l'origine KK. En traçant ln(y)\ln(y) en fonction de xx, on obtient une droite. La pente donne BB, et l'ordonnée à l'origine donne ln(A)\ln(A), d'où A=eKA = e^K.

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 yy en fonction de xx sur un papier semi-logarithmique (échelle logarithmique pour yy), et que les points s'alignent, c'est que la relation est de type exponentielle y=AeBxy = A \cdot e^{Bx}.
  • Si on représente ln(y)\ln(y) en fonction de ln(x)\ln(x) (ou yy en fonction de xx sur un papier log-log, double échelle logarithmique), et que les points s'alignent, c'est que la relation est de type puissance y=Axby = A \cdot x^b.

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.

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