EXPONENTIELLES ET LOGARITHMES MÉTHODE D'EULER OLIVIER Le logarithme népérien comme fonction réciproque de l'exponentielle 5 4 Diverses
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EXPONENTIELLES ET LOGARITHMES
M´ETHODE D"EULEROLIVIER DEBARRE - NICOLE BOPP
Table des mati
`eres1. L"exponentielle comme solution d"une ´equation diff´erentielle 1
2. Caract´erisation de l"exponentielle par une ´equation fonctionnelle 4
3. Le logarithme n´ep´erien comme fonction r´eciproque de l"exponentielle 5
4. Diverses caract´erisations des fonctions logarithme 6
5. Construction directe des fonctions logarithme 9
6. La m´ethode d"Euler 12
1.L"exponentielle comme solution d"une´equation diff´erentielle
Une des fa¸cons de d´efinir l"exponentielle est de la construire comme solutiond"une ´equation diff´erentielle.Th´eor`eme 1.Il existe une unique fonction d´erivablef:R→Rv´erifiantf(0) = 1
etf?=f. On notera cette fonction"exp». On l"appelle lafonction exponentielle.D ´emonstration.Nous allons tout d"abord construireunefonctionfqui convient. On veut d´efinirf(x) comme la limite de la suite (1 +xn )n(d´efinie pourn >|x|). Le plus rapide (mˆeme si ce n"est pas tr`es naturel) est de montrer que les deux suites u n(x) =? 1 +xn netvn(x) =? 1-xn -n=1u n(-x)(d´efinies pourn >|x|) sont adjacentes.Lemme 1.Pour tout entier naturelnet tout r´eelx >-1, on a(1+x)n≥1+nx.D
´emonstration.On d´emontre le lemme par r´ecurence surn. Pourn= 0, il n"y a rien `a montrer. Si (1 +x)n≥1 +nx, on a, puisque 1 +xest positif, (1 +x)n+1≥(1 +nx)(1 +x) = 1 +nx+x+nx2 ≥1 + (n+ 1)x12 OLIVIER DEBARRE - NICOLE BOPP
ce qui montre le lemme.? Montrons que la suite (un(x)) est croissante. On a pourn >|x| u n+1(x) =?1 +xn+ 1?
n+1 1 +xn n+1(1-xn(n+ 1)?
1 + xn )n+1 1 +xn n+1( 1-xn 1 + xn par le lemme 1 =un(x) On en d´eduit que la suite (vn(x)) est d´ecroissante puisquevn(x) =1u n(-x). De plus u n(x)v n(x)=? 1-x2n 2? n d"o`u, en utilisant le lemme 1, toujours pourn >|x|, 1-x2n ?un(x)v n(x)?1 ce qui montre que les deux suites (un(x)) et (vn(x)) sont adjacentes. On notef(x) leur limite commune. On a bienf(0) = 1. Pour ´etudier la d´eriv´ee de la fonctionf, on ´etudie le taux d"accroissement f(x+h)-f(x)h . On a, pour|h|<1 etn >|x|+ 1, u n(x+h) =?1 +x+hn
n=? 1 +xn n( 1 +hn 1 + xn )n 1 +xn n( 1 +h? 1 + xn par le lemme 1 soit, en passant `a la limite,f(x+h)≥(1 +h)f(x). En rempla¸canthpar-h, on obtientf(x-h)≥(1-h)f(x) puis, en rempla¸cantxparx+h, on obtient f(x)≥(1-h)f(x+h), d"o`u, pourh >0, f(x)?f(x+h)-f(x)h ?f(x)1-h et pourh <0, f(x)1-h?f(x+h)-f(x)h ?f(x)EXPONENTIELLES ET LOGARITHMES M
´ETHODE D"EULER 3On obtient en faisant tendrehvers 0 quefest d´erivable enx, de d´eriv´eef(x).
La fonctionfque nous avons construit v´erifie donc les propri´et´es demand´ees. Pour montrer que c"est la seule, on prend une fonction quelconquegv´erifiant les propri´et´es demand´ees. La fonctionh:x?→g(x)f(-x) est d´erivable et h ?(x) =g?(x)f(-x)-g(x)f?(-x) =g(x)f(-x)-g(x)f(-x) = 0 La fonctionhest donc constante ´egale `ah(0) = 1. On peut aussi appliquer ce raisonnement `a la fonctionx?→f(x)f(-x). On a donc montr´e g(x)f(-x) =f(x)f(-x) = 1 pour toutx. En particulier,f(-x) n"est pas nul, et on obtient en simplifiantf(x) = g(x) pour toutx. Cela montre que la fonctionfest la seule fonction v´erifiant lespropri´et´es demand´ees. Ceci termine la d´emonstration du th´eor`eme.?Remarque 1.La valeurun(x) est celle obtenue en appliquant la m´ethode d"Euler
pour r´esoudre l"´equation diff´erentielley?=ysur l"intervalle d"extr´emit´es 0 etxen le subdivisant ennparties ´egales (voir§6).Proposition 1.Pour tous r´eelsxety, on a (1) exp(x+y) = exp(x)exp(y)D ´emonstration.Fixonsxety. La d´eriv´ee de la fonction g:z?→exp(x+y-z)exp(z) est g ?(x) =-exp?(x+y-z)exp(z) + exp(x+y-z)exp?(z) =-exp(x+y-z)exp(z) + exp(x+y-z)exp(z) = 0 La fonctiongest donc constante, ´egale `ag(0) = exp(x+y). On a donc exp(x+y-z)exp(z) = exp(x+y) pour tous r´eelsx,yetz. En faisantz=y, on obtient la proposition.? La relation (1) entraˆıne exp(x)exp(-x) = exp(0) = 1, de sorte que l"expo- nentielle ne s"annule pas. De plus, exp(x) =?exp(x/2)?2>0 pour tout r´eelx:l"exponentielle ne prend que des valeurs strictement positives.Proposition 2.Soitaun r´eel et soitg:R→Rune fonction d´erivable v´erifiant
g ?=ag. On a alors g(x) =g(0)exp(ax) pour tout r´eelx.4 OLIVIER DEBARRE - NICOLE BOPP
D´emonstration.Posonsh(x) =g(x)exp(-ax). On a
h ?(x) =g?(x)exp(-ax)-ag(x)exp?(-ax) =ag(x)exp(-ax)-ag(x)exp(-ax) = 0 La fonctionhest donc constante, ´egale `ah(0) =g(0).? Notation exponentielle.Pour tout r´eela >0 et tout rationnelp/q, l"expression a p/qest d´ej`a d´efinie comme la racineqi`eme1deap. On d´eduit facilement de (1) que, pour tout entiernet tout r´eelx, on a exp(nx) = exp(x)n, puis, pour tout rationnelp/q, exp(x)p= exp(px) = exp? qpq x? exp?pq x?? qPuisque exp(
pq x) est positif, c"est la racineqi`eme de exp(x)p, c"est-`a-dire exp ?pq x? = exp(x)p/qEn particulier, si on posee= exp(1), on a exp(pq
) =ep/q. On peut donc poser sans conflitex= exp(x) pour toutr´eelx(c"est une notation). Remarquons que l"on n"a pas d´efini iciaxpour tout r´eela >0 et tout r´eelx.2.Caract´erisation de l"exponentielle par une´equation
fonctionnelleOn caract´erise la fonction exponentielle par l"´equation fonctionnelle (1).Th´eor`eme 2.Soitf:R→Rune fonction non identiquement nulle, continue en
0et v´erifiantf(x+y) =f(x)f(y)pour tous r´eelsxety. Il existe un r´eelatel que
f(x) =eax pour tout r´eelx. La continuit´e defen un point est essentielle (en fait, l"int´egrabilit´e defsuffit, comme le montre la d´emonstration ci-dessous). Cependant, la construction de fonc- tions autres que les exponentielles v´erifiant (1) est d´elicate (elle fait appel `a l"axiome du choix).D ´emonstration.Le premier pas est de montrer quefest d´erivable. Remarquonstout d"abord que la continuit´e defen 0 et la relation (1) entraˆınent la continuit´e def
sur toutR. D"autre part, sifs"annule en un pointx0, on af(x) =f(x-x0)f(x0) = 0 pour toutx, ce qui contredit l"hypoth`ese. Doncfne s"annule pas, et commef(x) = f(x/2)2, elle ne prend que des valeurs strictement positives. On a en particulier?10f(y)dy >0. Commef(0) =f(0)2, on a aussif(0) = 1.1
On rappelle que la racineqi`eme d"un r´eel positifxest d´efinie comme l"unique r´eel positif dont
la puissanceqi`eme estx; son existence d´ecoule du th´eor`eme des valeurs interm´ediaires.EXPONENTIELLES ET LOGARITHMES M
´ETHODE D"EULER 5Int´egrons entre 0 et 1 la relation (1), o`u les deux membres sont consid´er´es comme
des fonctions dey. On obtient 1 0 f(x+y)dy=f(x)? 1 0 f(y)dyEn faisant un changement de variables, on obtient
f(x) =? x+1 xf(z)dz? 10f(y)dy=?
x+10f(z)dz-?x
0f(z)dz?
10f(y)dy
Comme l"int´egrale d"une fonction continue est une fonction d´erivable de ses bornes, fest d´erivable. En d´erivant (1) par rapport `ay, puis en faisanty= 0, on obtient f ?(x) =f(x)f?(0) La proposition 2 entraˆınef(x) =f(0)exf?(0)=exf?(0).?3.Le logarithme n´ep´erien comme fonction r´eciproque de
l"exponentielle La fonction exp est d´erivable `a d´eriv´ee strictement positive, donc strictement croissante, de limites 0 en-∞et +∞en +∞. Elle admet une fonction r´eciproque ]0,+∞[, que l"on appelle lelogarithme n´ep´erienet que l"on note"log», ou"ln».Elle v´erifie
log(1) = 0,log(e) = 1,log(xy) = log(x) + log(y), elog(x)=x pour tous r´eelsx,ystrictement positifs. En d´erivantelog(x)=x, on obtient log ?(x)elog(x)= 1 c"est-`a-dire log ?(x) =1x La construction du logarithme pr´esent´ee ci-dessus est indirecte : on a d"abord construit l"exponentielle comme solution d"une ´equation diff´erentielle, puis on a d´efini le logarithme comme sa fonction r´eciproque. On peut aussi d´efinir directement la fonction logarithme en posant log(x) =? x 1dyy pour toutx >0, mais on a besoin pour cela de la th´eorie de l"int´egration. Inspir´e par la construction de l"exponentielle, le lecteur pourrait tenter une construction directedu logarithme bas´ee sur la m´ethode d"Euler. Apr`es tout, il v´erifie aussi une ´equation
6 OLIVIER DEBARRE - NICOLE BOPP
diff´erentielle, `a savoir log ?(x) = 1/x. Si on subdivise l"intervalle d"extr´emit´es 1 et1 +xennparties ´egales, on obtient des valeursajen 1 +jxn
qui v´erifient a0= 0, aj+1=aj+xn
1? 1 + jxn c"est-`a-direaj+1=aj+xn+jx, soit pour valeur en 1 +x u n(x) =xn +xn+x+···+xn+ (n-1)x(C"est aussi une somme de Riemann.) Il s"agit alors de montrer :a)que pour toutx >-1, la suite (un(x))n>0converge vers une limite que l"on
notef(1 +x);b)que la fonctionfainsi d´efinie surR+?est d´erivable, de d´eriv´ee 1/x.Pas si simple!
On verra dans le§5 une construction directe (un peu technique) qui ne faitpas non plus appel `a la th´eorie de l"int´egration, bas´ee sur la propri´et´e log(xy) =
log(x) + log(y). Nous r´ecapitulons `a la fin du num´ero suivant les diverses fa¸cons possibles d"in- troduire les fonctions logarithmes.4.Diverses caract´erisations des fonctions logarithme
On s"int´eresse aux fonctionsf:]0,+∞[→Rv´erifiant la propri´et´e suivante :(2)f(xy) =f(x) +f(y) pour tousxetystrictement positifs.Th´eor`eme 3.Soitf:]0,+∞[→Rune fonction non identiquement nulle. Les
propri´et´es suivantes sont ´equivalentes :(i)fest d´erivable sur]0,+∞[,f(1) = 0et il existe un r´eelλ?= 0tel que
f ?(x) =λx;(ii)fest d´erivable sur]0,+∞[et v´erifie (2);(ii")fest d´erivable enx= 1et v´erifie (2);(iii)fest continue sur]0,+∞[et v´erifie (2);(iii")fest continue enx= 1et v´erifie (2);(iv)fest strictement monotone sur]0,+∞[et v´erifie (2).D
´emonstration.Remarquons tout d"abord que sifv´erifie (2) alorsf(1) = 0. (iii)??(iii") Sifv´erifie (2) on a, pourx >0 et|h|assez petit, f(x+h)-f(x) =f(1 +hx ) =f(1 +hx )-f(1) Si la fonctionfest continue en 1, elle est donc continue en tout pointx >0 et la r´ciproque est triviale.EXPONENTIELLES ET LOGARITHMES M
´ETHODE D"EULER 7(ii)??(ii") Sifv´erifie (2) on a pourx >0 et|h|assez petit f(x+h)-f(x)h =1x f(1 +hx )-f(1)h x Si la fonctionfest d´erivable en 1, elle est donc d´erivable en tout pointx >0 et la r´eciproque est triviale. (i)??(ii) Sifv´erifie (ii), on obtient, en faisant tendrehvers 0 dans la relation montr´ee ci-dessus, que pour toutx >0 on a f ?(x) =f?(1)x ce qui montre bien, puisquef(1) = 0, quefv´erifie (i) avecλ=f?(1). R´eciproquement sifv´erifie (i), consid´erons la fonction?:x?→f(xy)-f(x)- f(y) poury >0. La fonction?est d´erivable et on a ?(x) =y×λxy -λx -0 = 0 Par cons´equent?est une constante (qui d´ependa prioridey). Comme elle s"annuleen 0, on en d´eduit que?est identiquement nulle, c"est-`a-dire quefv´erifie la propri´et´e
(2). (ii)??(iii) Il s"agit de montrer que sifest continue et v´erifie (2), elle est d´erivable. Pour cela, on int`egre la relation (2) entrey= 1 ety= 2; cette int´egration est bien d´efinie puisque les fonctionsy?→f(x) +f(y) ety?→f(xy) sont continues. On obtient ainsi pour toutx >0 2 1 f(xy)dy=f(x) +? 2 1 f(y)dy En utilisant le changement de variableu=xy, on peut ´ecrire le premier membre de cette ´egalit´e sous la forme 1x 2x xf(u)duet on obtient f(x) =1x ?2x 0 f(u)du-? x 0 f(u)du? 2 1 f(y)dy Comme l"int´egrale d"une fonction continue est une fonction d´erivable de ses bornes, la fonctionfest d´erivable2. (iv) =?(iii) Supposons par exemplefstrictement croissante sur [0,+∞[. Comme f(1) = 0, on af(a)>0 pour touta >1. Choisissons un tela. Nous allons utiliser les deux propri´et´es suivantes :2On pourra remarquer que l"on a largement utilis´e les r´esultats de la th´eorie de l"int´egrale de
Riemann dans cette d´emonstration.
8 OLIVIER DEBARRE - NICOLE BOPP
•la suite (a1/n) tend vers 13;•f(a1n ) =1n f(a), qui est cons´equence de (2). Montrons quefest continue en un pointx0>0. Pour cela, on remarque six >0 est tel que (3)a-1n ?xx 0?a1n la croissance defimplique 1n f(a)?f(x)-f(x0)?1n f(a) Or les in´egalit´es (3) sont ´equivalentes `a x0(a-1n
-1)?x-x0?x0(a1n -1)Soitε >0, et soitn?Ntel que
0<1n f(a)< εD´efinissonsηpar
η= min?
x 0(a1n -1),x0(1-a-1nOn d´eduit des in´egalit´es ci-dessus
|x-x0|< η=? |f(x)-f(x0)|< ε ce qui prouve la continuit´e defenx0. Dans le cas o`ufest strictement d´ecroissante, il suffit de choisira >1 tel que f(a)<0 et de renverser les in´egalit´es o`u intervient la fonctionfpour obtenir le r´esultat. Pour conclure la d´emonstration du th´eor`eme, on remarque que si une fonction fv´erifie (i), sa d´eriv´ee a un signe constant et par cons´equent elle est strictement monotone. Comme nous avons d"autre part montr´e que dans ce casfv´erifie la relation fonctionnelle (2), nous en concluons que (iv) est bien ´equivalent aux autres assertions.?Pour d´efinir le logarithme n´ep´erien,plusieurs options sont possibles :•Chercher une fonction v´erifiant (i) avecλ= 1. C"est ce qui est fait en terminale.
L"existence d"une telle fonction se d´eduit de l"existence d"une primitive pour une fonction continue.3 Pour le d´emontrersans utiliser les fonctions exponentielle ou logarithmeil suffit d"utiliser le lemme 1 et d"´ecrirea= (1 + (a1n -1))n?1 +n(a1n -1).EXPONENTIELLES ET LOGARITHMES M
´ETHODE D"EULER 9•Chercher une fonction v´erifiant (ii), puis montrer (ii) =?(i). Cela demande
aussi d"admettre l"existence d"une primitive mais c"est plus satisfaisant d"un point de vue historique de partir de l"´equation fonctionnelle. On peut alors caract´eriser le logarithme n´ep´erien parλ= 1 et parler naturellement des autres logarithmes en particulier de celui de base 10. C"est toutefois un peurestrictif de supposera priorique la fonction est d´erivable.•Chercher une fonction v´erifiant (iii), puis montrer (iii) =?(ii) et se ramener
au cas pr´ec´edent. Cela nous semble le plus int´eressant pour une le¸con de CAPES, bien qu"il faille consid´erer comme connus les r´esultats de la th´eoriede l"int´egration.•Le plus satisfaisant serait d"ˆetre le moins restrictif possible sur les propri´et´es
de la fonction et donc de chercher directement une fonction v´erifiant (iv) puis de montrer son existence sans utiliser la th´eorie de l"int´egration. C"est ce qui est fait au num´ero suivant, mais la d´emonstration est sans doute trop difficile pour une le¸con de CAPES.5.Construction directe des fonctions logarithme
On peut d´efinir directement la fonction"log»de fa¸con tout-`a-fait ´el´ementaire, sans faire appel `a la th´eorie de l"int´egration. On recherche simplement les fonctionsf: ]0,+∞[→Rqui v´erifient la propri´et´e (iv) du th´eor`eme 3.Proposition 3.Pour tout r´eela >1, il existe une unique fonction strictement
croissantef: ]0,+∞[→Rtelle quea)f(xy) =f(x) +f(y)pour tous r´eels strictement positifsxety;b)f(a) = 1.
La fonctionfainsi d´efinie est appel´ee"logarithme de basea», not´e loga.D ´emonstration.Supposons qu"une telle fonction existe. On aura alors f(1) =f(1×1) =f(1) +f(1) doncf(1) = 0, et f(xn) =f(xn-1×x) =f(xn-1) +f(x) =nf(x) (par r´ecurrence surn). En particulier, f(an) =nf(a) =n Pour construire une fonctionfcomme dans l"´enonc´e de la proposition, on commencedonc par comparer les nombres r´eels positifs aux puissances dea.Lemme 2.Pour tout r´eelx >0, il existe un entier relatifmtel queam?x < am+1.