[PDF] FONCTION EXPONENTIELLE ET FONCTION LOGARITHME





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FONCTION LOGARITHME NÉPÉRIEN (Chapitre 2/2)

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    Une transformation logarithmique permet souvent de retrouver une distribution normale et homoscédastique (Cf. Pharmacopée Européenne, chapitre 5.3 Statistical analysis of results of biological assays and tests).

  • Pourquoi on utilise le log pour l Econometrie ?

    La spécification en log se justifie en particulier si vous cherchez à estimer une élasticité, mais également si la distribution de votre variable dépendante (conditionnellement à vos régresseurs) est très asymétrique ou hétéroscédastique.

  • Comment passer logarithmique ?

    Voici les étapes à suivre pour résoudre une équation logarithmique à une variable.

    1Calculer les restrictions.2Réduire l'expression à l'aide des lois des logarithmes, au besoin.3Passer à la forme exponentielle.4Résoudre l'équation.5Valider la ou les solution(s).6Donner la solution.
  • Un logarithme est un exposant dont il faut affecter un autre nombre appelé base du logarithme pour obtenir un nombre donné (argument). On se pose la question «quel exposant faut-il attribuer à la base c pour obtenir le nombre m ?». C'est ce à quoi correspond le logarithme.
1

FONCTION EXPONENTIELLE ET

FONCTION LOGARITHME

I. Définition de la fonction exponentielle

Propriété et définition : Il existe une unique fonction f dérivable sur ℝ telle que

et 0 =1. Cette fonction s'appelle fonction exponentielle et se note exp.

Conséquence : exp

0 =1 Avec la calculatrice, il est possible d'observer l'allure de la courbe représentative de la fonction exponentielle : Remarque : On verra dans le paragraphe II. que la fonction exponentielle est croissante. Mais sa croissance est très rapide, ainsi exp(21) dépasse le milliard. Pour des valeurs de x de plus en plus grandes, la fonction exponentielle prend des valeurs de plus en plus grandes. Propriété : La fonction exponentielle est strictement positive sur ℝ.

II. Étude de la fonction exponentielle

1) Dérivabilité

Propriété : La fonction exponentielle est dérivable sur ℝ et exp =exp

2) Variations

Propriété : La fonction exponentielle est strictement croissante sur ℝ.

En effet,

exp >0 car exp =exp>0.

3) Courbe représentative

On dresse le tableau de variations de la fonction exponentielle : x exp exp 0 2

III. Propriété de la fonction exponentielle

1) Relation fonctionnelle

Théorème : Pour tous réels x et y, on a : exp =expexp Remarque : Cette formule permet de transformer une somme en produit et réciproquement.

Corollaires : Pour tous réels x et y, on a :

a) exp ou encore expexp =1 b) exp c) exp exp avec ∈ℕ

Démonstration du a et b :

a) expexp =exp =exp0=1 b) exp =exp4+ 5 =expexp =exp

2) Le nombre e

Définition : L'image de 1 par la fonction exponentielle est notée e.

On a ainsi exp1=

Remarque : Avec la calculatrice, on peut obtenir une valeur approchée de e. 3

Notation nouvelle :

exp=exp ×1 exp1

On note pour tout x réel, exp=

Comme , le nombre e est un nombre irrationnel, c'est à dire qu'il s'écrit avec un nombre infini de décimales sa ns suite logique.

Ses premières décimales sont :

e ≈ 2,7182818284 5904523536 0287471352 6624977572 4709369995

9574966967 6277240766 3035354759 4571382178 5251664274...

Le nombre e est également un nombre transcendant. On dit qu'un nombre est tra nscendant s'il n'e st solution d'aucune équation à coefficients entiers.

Le nombre

2 par exempl e, est irrationnel mais n'est pas

transcendant puisqu'il est solution d e l'équat ion =2. Un tel nombre est dit "algébrique».

Le premier à s'intéresser de façon sérieuse au nombre e est le mathématicien suisse Leonhard

Euler (1707 ; 1783), ci-dessus. C'est à lui que nous devons le nom de ce nombre. Non pas qu'il

s'agisse de l'initiale de son nom mais peut être car e est la première lettre du mot exponentiel.

Dans " Introductio in Analysin infinitorum » publié en 1748, Euler explique que : =1+ Rappelons que par exemple 5! se lit "factorielle 5" et est égal à 1 x 2 x 3 x 4 x 5. Par cette formule, il obtient une estimation de e avec 18 décimales exactes. Nous devons aussi à Euler la démonstration de l'irrationalité de e. Avec cette nouvelle notation, on peut ainsi résumer l'ensemble des propriétés de la fonction exponentielle : Propriétés : Pour tous réels x et y, on a : a) =1 et b) >0 et c) , avec ∈ℕ. Méthode : Dériver une fonction exponentielle

Vidéo https://youtu.be/XcMePHk6Ilk

Dériver les fonctions suivantes :

a) =4-3 b) -1 c) ℎ a) ′ =4-3 b) ()=1× -1 4 c) ℎ′

Méthode : Simplifier les écritures

Vidéo https://youtu.be/qDFjeFyA_OY

Simplifier l'écriture des nombres suivants :

0 0 Propriétés : Pour tous réels a et b, on a : a) b) Méthode : Résoudre une équation ou une inéquation

Vidéo https://youtu.be/dA73-HT-I_Y

Vidéo https://youtu.be/d28Fb-zBe4Y

a) Résoudre dans ℝ l'équation =0. b) Résoudre dans ℝ l'inéquation ≥1. a) =0 -3=-2 +2-3=0

Δ=2

-4×1× -3 =16

Donc =

!2 =-3 ou = ,(3 !2 =1

Les solutions sont -3 et 1.

2 0 +1 0 5 b) ≥1 ⟺4-1≥0 4

L'ensemble des solutions est l'intervalle M

;+∞M. Méthode : Étudier une fonction exponentielle

Vidéo https://youtu.be/_MA1aW8ldjo

Soit f la fonction définie sur ℝ par +1 a) Calculer la dérivée de la fonction f. b) Dresser le tableau de variations de la fonction f. c) Déterminer une équation de la tangente à la courbe au point d'abscisse 0. d) Tracer la courbe représentative de la fonction f en s'aidant de la calculatrice. a) +1 +2 b) Comme >0, () est du signe de +2. f est donc décroissante sur l'intervalle -∞;-2 et croissante sur l'intervalle -2;+∞

On dresse le tableau de variations :

x -∞ -2 +∞ () - 0 + c) 0 =1 et ′ 0 =2 Une équation de la tangente à la courbe en 0 est donc : = 0 -0 +(0), soit : =2+1 d) 6

IV. Fonctions de la forme ⟼

1) Variations

Propriété :

La fonction ⟼

45
, avec ∈ℝ∖ 0 , est dérivable sur ℝ. Sa dérivée est la fonction 45

Démonstration :

On rappelle que la dérivée d'une fonction composée ⟼ est

En considérant

5 , = et =0, on a : 45
45

Exemple :

Soit

)/5 alors ′ =-4 )/5

Propriété :

Si k > 0 : la fonction ⟼

45
est strictement croissante.

Si k < 0 : la fonction ⟼

45
est strictement décroissante.

Démonstration :

On a :

45
45

Or,

45
>0 pour tout réel t et tout entier relatif k non nul. Donc le signe de la dérivée ⟼ 45
dépend du signe de k. Si k > 0 alors la dérivée est strictement positive est donc la fonction ⟼ 45
est strictement croissante. Si k < 0 alors la dérivée est strictement négative est donc la fonction ⟼ 45
est strictement décroissante.

2) Représentation graphique

Méthode : Étudier une fonction ⟼ 45
dans une situation concrète

Vidéo https://youtu.be/lsLQwiB9Nrg

Suite à une infection, le nombre de bactéries contenues dans un organisme en fonction du temps (en heures) peut être modélisé par la fonction f définie sur [0 ; 10] 7 et telle que =0,14().

1) Montrer que la fonction f définie sur [0 ; 10] par

%,&/5 convient.

2) On suppose que

0 =50000. Déterminer A.

3) Déterminer les variations de f sur [0 ; 10].

4) a) À l'aide de la calculatrice, donner un arrondi au millier près du nombre de

bactéries après 3h puis 5h30. b) À l'aide de la calculatrice, déterminer au bout de combien de temps le nombre de bactéries a-t-il doublé. Arrondir à l'heure près.

1)

()=×0,14 %,&/5 =0,14× %,&/5 =0,14().

La fonction f définie sur [0 ; 10] par

%,&/5 vérifient bien l'égalité ()=0,14() donc elle convient.

2)

0

Donc, si

0 =50000, on a : =50000.

Une expression de la fonction f est donc :

=50000 %,&/5

3) Comme =0,14>0, on en déduit que la fonction ⟼

%,&/5 est strictement croissante sur [0 ; 10]. Il en est de même pour la fonction f.

4) a)

3 =50000 =50000 ≈76000 5,5 =50000 =50000 %,77 ≈108000 Après 3h, l'organisme contient environ 76 000 bactéries. Après 5h30, l'organisme contient environ 108 000 bactéries. b) Le nombre de bactéries a doublé à partir de 100 000 bactéries, soit au bout d'environ 5h.

V. Limites de la fonction exponentielle

1) Limites aux bornes

Propriétés :

lim #→'9 =+∞ et lim #→)9 =0

Démonstration :

Vidéo https://youtu.be/DDqgEz1Id2s

8 - La suite est une suite géométrique de raison >1.

Donc, on a : lim

"→'9 Si on prend un réel quelconque (aussi grand que l'on veut), il exsite un rang partir duquel tous les termes de la suite dépassent , soit : La fonction exponentielle étant strictement croissante, on a également, pour tout

Donc, pour tout >

, on a :

Ainsi, tout intervalle

contient toutes les valeurs de , dès que est suffisamment grand.

Soit : lim

#→'9 -lim #→)9 =lim #→)9 =lim ;→'9 , en posant =-

Or, lim

;→'9 =+∞, donc : lim ;→'9 =0, comme limite d'un quotient.

Soit : lim

#→)9 =0. Méthode : Déterminer la limite d'une fonction contenant des exponentiels

Vidéo https://youtu.be/f5i_u8XVMfc

Calculer les limites suivantes :

a) lim #→'9 b) lim #→)9 1 a) lim #→'9 -3=-∞ - Donc, comme limite de fonction composée : lim #→'9 =0

En effet, lim

;→)9 =0, en posant =-3 - Or, lim #→'9

D'où : lim

#→'9 =+∞ comme limite d'une somme. b) lim #→)9 1 =0, donc : lim #→)9 1- 1 =1

Donc, comme limite de fonction composée : lim

#→)9

2) Croissance comparée des fonctions exponentielles et puissances

Propriétés (croissances comparées) :

a) lim #→'9 =+∞ et pour tout entier n, lim #→'9 b) lim #→)9 =0 et pour tout entier n, lim #→)9 =0

Démonstration au programme du a :

Vidéo https://youtu.be/_re6fVWD4b0

- On pose 9

On a :

On calcule la dérivée de la dérivée -1.

Et on note

-1 (Voir chapitre " Convexité »)

Pour tout strictement positif,

-1>0.

On dresse alors le tableau de variations :

x

0 +∞

1

Signe de

1 On en déduit que pour tout x strictement positif, >0 et donc

Soit encore :

Comme lim

#→'9 2 =+∞, on en déduit par comparaison de limites que lim #→'9 - Dans le cas général, on a : a b =c d =c 1 d

Or : lim

#→'9 =+∞ car on a vu que lim ;→'9

Donc : lim

#→'9 =+∞, car est positif.

Et donc lim

#→'9 e f =+∞, comme produit de n limites infinies.

Soit : lim

#→'9 10 Remarque : Dans le cas de limites infinies, la fonction exponentielle impose sa limite devant les fonctions puissances.

Sa croissance est plus rapide.

Exemple : Comparaison de la

fonction exponentielle et de la fonction ⟼ dans différentes fenêtres graphiques.

On constate que pour

suffisamment grand, la fonction exponentielle dépasse la fonction (voir graphique suivant). Méthode : Calculer une limite par croissance comparée

Vidéo https://youtu.be/GoLYLTZFaz0

Calculer la limite suivante : lim

#→'9 2 Le dénominateur, par exemple, comprend une forme indéterminée de type "∞-∞".quotesdbs_dbs15.pdfusesText_21
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