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Terminale A1 · Leçon 5

Fonction exponentielle népérienne

Ce que dit le programme officiel (16 points)
  • la définition de la fonction exponentielle népérienne
  • le signe de la fonction exponentielle népérienne
  • la dérivée de la fonction exponentielle népérienne
  • le sens de variation de la fonction exponentielle népérienne
  • x ↦ ax + b + e^x
  • x ↦ ax + b - e^x
  • x ↦ (ax + b)e^x
  • x ↦ e^x/(ax + b)
  • le résultat e^0=1
  • les propriétés algébriques de la fonction exponentielle népérienne
  • lim x→-∞ e^x = 0
  • lim x→+∞ e^x = +∞
  • lim x→+∞ (x e^x) = +∞
  • lim x→-∞ (x e^x) = 0
  • x ↦ e^(ax + b)
  • x ↦ u'(x)e^(u(x))

Source : Programme éducatif Terminale A1, DPFC, version CND 0923

Fonction exponentielle : définition, propriétés algébriques

Définition

La fonction exponentielle, notée \(\exp\) ou \(x \mapsto e^{x}\), est la fonction réciproque de \(\ln\). Cela signifie que, pour tout \(x \in \mathbb{R}\) :

\[ \ln(e^{x}) = x \qquad\text{et}\qquad e^{\ln x} = x \;(x > 0). \]

En particulier, \(e^{0} = 1\), \(e^{1} = e \approx 2{,}718\) et \(e^{-1} = 1/e\). La notation \(e^{x}\) est préférable à \(\exp(x)\) car elle respecte les règles de calcul sur les puissances.

Propriétés algébriques

Pour tous réels \(a\) et \(b\) :

\[ e^{a+b} = e^{a} \cdot e^{b} \qquad e^{-a} = \frac{1}{e^{a}} \qquad e^{a-b} = \frac{e^{a}}{e^{b}} \qquad (e^{a})^{n} = e^{na}. \]
Dérivée et variations

On admet que \((e^{x})' = e^{x}\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\). Comme \(e^{x} > 0\), la dérivée est toujours positive : \(\exp\) est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\).

\[ \lim_{x \to -\infty} e^{x} = 0 \qquad\qquad \lim_{x \to +\infty} e^{x} = +\infty. \]
\(x\) \(-\infty\) \(-1\) \(0\) \(1\) \(+\infty\)
\(e^{x}\) \(0^+\) \(e^{-1}\) \(1\) \(e\) \(+\infty\)
variation ↗ strictement croissante
Méthode — Résoudre une équation ou inéquation avec exp

Pour passer d'une équation/inéquation en \(\ln\) à une en \(e\) (ou inversement), on utilise la bijectivité et les relations réciproques :

  1. \(\ln u = \ln v \iff u = v\) (avec \(u, v > 0\)).
  2. \(\ln u = k \iff u = e^{k}\) (avec \(u > 0\)).
  3. \(e^{u} = e^{v} \iff u = v\).
  4. \(e^{u} = k \iff u = \ln k\) (avec \(k > 0\)).
  5. Les inégalités : \(\ln u < \ln v \iff u < v\) et \(e^u < e^v \iff u < v\).
Exemple 1 — Équation exponentielle

Résoudre \(e^{2x-1} = e^{x+3}\).

Comme \(\exp\) est injective : \(2x - 1 = x + 3\), donc \(x = 4\). Solution : \(\{4\}\).

Exemple 2 — Équation mixte ln/exp

Résoudre \(e^{x} = 5\) sur \(\mathbb{R}\).

En appliquant \(\ln\) des deux membres (loisible car \(5 > 0\)) : \(\ln(e^{x}) = \ln 5\), soit \(x = \ln 5\). Solution : \(\{\ln 5\}\).

Exemple 3 — Inéquation

Résoudre \(e^{3x} > e^{x+4}\).

Comme \(\exp\) est croissante : \(3x > x + 4\), soit \(2x > 4\), donc \(x > 2\). Solution : \(]2\,;+\infty[\).

Piège — Confusion entre ln et exp

\(e^{\ln x}\) n'est défini que pour \(x > 0\), mais \(\ln(e^{x})\) est défini pour tout \(x \in \mathbb{R}\). Ne jamais appliquer \(\ln\) à un nombre négatif ou nul : \(\ln(-2)\) n'existe pas.

Astuce — Forme canonique

Lorsqu'une expression de la forme \(A \cdot e^{kx} + B\) doit être étudiée, on met \(e^{kx}\) en facteur pour lire le signe. Exemple : \(e^{x} - 2 = e^{x}(1 - 2e^{-x})\) — mais on préfère souvent étudier \(f(x) = e^{x} - 2\) directement : \(f(x) > 0 \iff e^x > 2 \iff x > \ln 2\).

Figure 2 — Courbe de y = e^x et tangente en x = a

\(y = e^{x}\)
tangente en \(a\)

Opérations sur les fonctions, composée de fonctions monotones

Rappel de Première
Opérations et comparaison

Pour \(f\), \(g\) définies sur un même ensemble et \(\lambda\) réel, on note \(\lambda f\), \(f+g\), \(fg\), \(\dfrac1f\), \(\dfrac fg\). On compare deux fonctions par le calcul (\(f\leqslant g \iff f(x)\leqslant g(x)\) pour tout \(x\)) ou graphiquement, en comparant leurs courbes.

Méthode — lire une courbe

À partir de la courbe \((C)\) d'une fonction \(f\), on peut : lire des valeurs \(f(a)\) ; dresser le tableau de variations ; repérer un éventuel centre ou axe de symétrie ; déterminer l'image d'un intervalle ; résoudre graphiquement \(f(x)=\lambda\).

Exemple — lecture complète d'une courbe

Soit \(r(x)=-(x+2)^2+9\), définie sur \(\mathbb R\). La courbe de \(r\) est symétrique par rapport à la droite \(x=-2\) (axe de symétrie), avec un maximum \(r(-2)=9\). Elle est croissante sur \(]-\infty;-2]\), décroissante sur \([-2;+\infty[\). Résolution graphique de \(r(x)=0\) : \((x+2)^2=9\Leftrightarrow x+2=\pm3\Leftrightarrow x=1\) ou \(x=-5\).

Figure — Courbe de \(r(x)=-(x+2)^2+9\)

Axe de symétrie \(x=-2\) (pointillé), maximum en \((-2;9)\), zéros en \(x=-5\) et \(x=1\).

Croissances comparées

Théorème 1 — En \(+\infty\)

\[\lim_{x\to+\infty}\frac{\ln(x)}{x^n}=0\qquad\forall n>0\]

\(\ln(x)\) croît beaucoup plus lentement que toute puissance de \(x\).

Théorème 2 — En \(0^+\)

\[\lim_{x\to 0^+}x^n\ln(x)=0\qquad\forall n>0\]

Applications

1. \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{\ln x}{x}=0\)    2. \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{\ln x}{\sqrt{x}}=0\)

3. \(\displaystyle\lim_{x\to 0^+}x^2\ln x=0\)    4. \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}(x-\ln x)=+\infty\)

Hiérarchie des fonctions en \(+\infty\)

\(\ln(x)\;\ll\;x^n\;\ll\;e^x\quad\text{quand }x\to+\infty\)

Figure interactive — Croissances comparées : \(\ln(x)\) vs \(\sqrt{x}\) vs \(x\)

y = ln(x)
y = √x
y = x
Zoomez vers +∞ pour observer que ln(x) est écrasé par √x et x

En zoomant vers +∞, ln(x) semble "s'aplatir" par rapport à √x et x. Activez les rapports pour voir concrètement qu'ils tendent vers 0.

Limites fondamentales

\[\lim_{x\to-\infty}e^x=0\quad\text{(AH : }y=0\text{)}\qquad\lim_{x\to+\infty}e^x=+\infty\]

\[\lim_{x\to+\infty}e^{-x}=0\qquad\lim_{x\to-\infty}e^{-x}=+\infty\qquad\lim_{x\to 0}\frac{e^x-1}{x}=1\]

Croissances comparées — L'exponentielle gagne toujours

En \(+\infty\) (pour tout \(n\in\mathbb{N}\)) :

\[\lim_{x\to+\infty}\frac{e^x}{x^n}=+\infty\qquad\lim_{x\to+\infty}\frac{x^n}{e^x}=0\]

En \(-\infty\) (pour tout \(n\in\mathbb{N}\)) :

\[\lim_{x\to-\infty}x^n\cdot e^x=0\]

Hiérarchie des fonctions en \(+\infty\)

\(\ln(x)\;\ll\;x^n\;\ll\;e^x\quad\text{quand }x\to+\infty\)

Applications

1. \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{e^x}{x^3}=+\infty\)   2. \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{5x^{100}}{e^x}=0\)

3. \(\displaystyle\lim_{x\to-\infty}x^2 e^x=0\)   4. \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{3x^2-5x+1}{e^x}=3\lim\frac{x^2}{e^x}=0\)

Figure interactive — Croissances comparées : \(e^x\) vs \(x^n\) vs \(\ln(x)\)

y = eˣ
y = xⁿ
y = ln(x)
n = 2 Quelle que soit n, eˣ finit toujours par dépasser xⁿ

Changez n pour voir que eˣ dépasse toujours xⁿ pour x suffisamment grand. Le rapport xⁿ/eˣ tend vers 0 : c'est le résultat des croissances comparées.

Fonctions associées : changement d'origine, d'échelle, |f|

Rappel de Première
Méthode

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Exemple — \(|q|\) avec \(q(x)=x^2-5x+4\)

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Figure — Courbes de \(q(x)=x^2-5x+4\) et de \(|q(x)|\)

La portion dorée entre \(x=1\) et \(x=4\) est le repli vers le haut de la portion négative de \(q\) (en pointillés navy).

Primitives de fonctions composées (forme u′·g(u))

Tableau des primitives fondamentales — à connaître par cœur
Fonction \(f(x)\)Primitive \(F(x)\)Condition
\(k\) (constante)\(kx\)
\(x^n\)\(\dfrac{x^{n+1}}{n+1}\)\(n\neq-1\)
\(\dfrac{1}{x}\)\(\ln|x|\)\(x\neq 0\)
\(e^x\)\(e^x\)
\(e^{ax+b}\)\(\dfrac{1}{a}e^{ax+b}\)\(a\neq 0\)
\(\cos(x)\)\(\sin(x)\)
\(\sin(x)\)\(-\cos(x)\)
\(\dfrac{1}{\sqrt{x}}\)\(2\sqrt{x}\)\(x>0\)
Ne pas oublier \(\frac{1}{a}\) pour \(e^{ax+b}\)

\(\displaystyle\int e^{2x}\,dx=\frac{1}{2}e^{2x}+C\) — vérification : \(\left(\frac{1}{2}e^{2x}\right)'=e^{2x}\)

Primitives de fonctions composées — reconnaître \(u'\cdot g(u)\)
FormePrimitiveCondition
\(u'\cdot u^n\)\(\dfrac{u^{n+1}}{n+1}\)\(n\neq-1\)
\(\dfrac{u'}{u}\)\(\ln|u|\)\(u\neq 0\)
\(u'\cdot e^u\)\(e^u\)
\(\dfrac{u'}{\sqrt{u}}\)\(2\sqrt{u}\)\(u>0\)
Exemples

\[\int 2x(x^2+1)^3\,dx=\frac{(x^2+1)^4}{4}+C\qquad\int\frac{2x}{x^2+1}\,dx=\ln(x^2+1)+C\qquad\int\frac{3}{3x-1}\,dx=\ln|3x-1|+C\]

Vérification systématique

Après avoir trouvé \(F(x)\), dérivez toujours pour vérifier \(F'(x)=f(x)\). 10 secondes de vérification = 2 points assurés.

Résumé

Résumé — Fonction Exponentielle
Définition & Valeurs

Réciproque de ln · Définie sur \(\mathbb{R}\) · \(e^x>0\) toujours · \(e^0=1\), \(e^1=e\approx2{,}718\)

Algèbre

\(e^{a+b}=e^a e^b\) · \(e^{a-b}=\frac{e^a}{e^b}\) · \((e^a)^n=e^{na}\) · \(\frac{1}{e^a}=e^{-a}\) · \(e^0=1\)

Dérivées

\((e^x)'=e^x\) · \((e^u)'=u'e^u\) · Factoriser \(e^x\) · Signe = signe du polynôme

Limites & Croissances

\(e^{-\infty}=0\), \(e^{+\infty}=+\infty\) · \(\frac{e^x}{x^n}\to+\infty\) · \(\frac{x^n}{e^x}\to 0\) · \(x^n e^x\to 0\) en \(-\infty\)

Équations — 4 cas

A: \(e^A=e^B\to A=B\) · B: \(e^A=k>0\to A=\ln k\) · C: \(k\leq 0\to\emptyset\) · D: \(P(x)e^Q=0\to P=0\)

Réflexes Bac

Factoriser \(e^x\) · AH si limite finie · Croissances comparées pour FI · Pas de domaine à vérifier

Résumé — Application de la dérivation

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Sujet type Bac

Exercice type Bac — Étude complète

Soit \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x)=(2x-3)e^x+1\).

Valeurs remarquables : \(f(0)=-2\) · \(f(1)=1-e\approx-1{,}72\)

Dérivée — produit \((uv)'=u'v+uv'\) :

\[f'(x)=2e^x+(2x-3)e^x=e^x(2+2x-3)=(2x-1)e^x\]

Signe de \(f'\) : \(e^x>0\) toujours → signe de \(2x-1\) seul.

Limites :

\(\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=0+1=1\) (croissances comparées : \((2x-3)e^x\to 0\)) → AH : \(y=1\)

\(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty\)

Tableau de variations : minimum en \(x=\frac{1}{2}\) : \(f\!\left(\frac{1}{2}\right)=(1-3)\sqrt{e}+1=1-2\sqrt{e}\approx-2{,}30\)

\(x\)\(-\infty\)\(\frac{1}{2}\)\(+\infty\)
\(f'(x)\) − 0 +
\(f(x)\) 1 ↘ \(1-2\sqrt{e}\) ↗ \(+\infty\)

Asymptote horizontale en \(-\infty\) : \(y=1\).

Position : \(f(x)-1=(2x-3)e^x\) · négatif pour \(x<\frac{3}{2}\), nul en \(x=\frac{3}{2}\), positif pour \(x>\frac{3}{2}\).

Points remarquables : \(A(0\,;\,-2)\) · traversée de l'AH en \(\left(\frac{3}{2}\,;\,1\right)\)

Tangente en \(x=0\) : \(f(0)=-2\), \(f'(0)=-1\) → \(T:y=-x-2\)

Étude de fonction — Sujet complet

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Mode hors-ligne — données en cache