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Fonction logarithme et exponentielle en Terminale

Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de fonction logarithme et exponentielle pour les élèves de Terminale. Conforme au programme officiel.

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Ce que tu vas réviser

  • Fonction logarithme népérien : définition comme réciproque de exp
  • Propriétés algébriques de ln : ln(ab), ln(a/b), ln(a^n)
  • Dérivée de ln(u)
  • Limites et variations de la fonction logarithme
  • Croissances comparées exp/polynôme et ln/polynôme
  • Équations et inéquations avec ln
  • Composées : fonctions du type ln(u(x))

Fonction exponentielle : définition et propriétés

La fonction exponentielle, notée $\exp$, est l'unique fonction dérivable sur $\mathbb{R}$ telle que $\exp' = \exp$ et $\exp(0) = 1$. On note $\exp(x) = e^x$, où $e = \exp(1) \approx 2{,}718$.

Exemple

Au début d'une épidémie, ou pour une population de bactéries, l'évolution est souvent modélisée par une exponentielle : ça commence lentement, puis ça augmente très vite.

À retenir : La fonction exponentielle est strictement positive : $e^x > 0$ pour tout réel $x$.

Propriétés algébriques de l'exponentielle

L'exponentielle transforme les additions en multiplications : $e^{a+b} = e^a \times e^b$. C'est la propriété fondamentale qui rend cette fonction si utile.

Exemple

Si une population double chaque année, après 2 ans elle a été multipliée par $2^2 = 4$. C'est le même principe : les exposants s'ajoutent.

À retenir : Les trois règles clés : $e^{a+b} = e^a \cdot e^b$, $e^{a-b} = \frac{e^a}{e^b}$, $e^{na} = (e^a)^n$ pour tout entier relatif $n$.

Dérivée de la fonction exponentielle

La dérivée de $e^x$ est elle-même : $(e^x)' = e^x$. C'est l'unique fonction égale à sa dérivée qui vaut 1 en 0.

Exemple

Si vous tracez la courbe de $e^x$, la pente de la tangente en chaque point est exactement l'ordonnée de ce point.

À retenir : $(e^x)' = e^x$ et plus généralement $(e^{u(x)})' = u'(x) \cdot e^{u(x)}$.

Limites de la fonction exponentielle

Quand $x$ tend vers $+\infty$, $e^x$ tend vers $+\infty$ (croissance très rapide). Quand $x$ tend vers $-\infty$, $e^x$ tend vers $0$.

Exemple

Un gâteau qui refroidit : l'écart entre sa température et celle de la pièce est de la forme $C e^{-kt}$ (avec $k > 0$), qui tend vers 0 quand $t$ tend vers $+\infty$ ; la température du gâteau se rapproche donc de celle de la pièce.

À retenir : $\lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty$ et $\lim_{x \to -\infty} e^x = 0$.

Fonction logarithme népérien : définition

Le logarithme népérien, noté $\ln$, est la fonction réciproque de l'exponentielle : pour tout réel $x > 0$, $\ln(x)$ est l'unique réel $y$ tel que $e^y = x$. La fonction $\ln$ est définie sur $]0;+\infty[$.

Exemple

Si vous avez une population qui a été multipliée par 10, le logarithme vous dit à quelle puissance il faut élever $e$ pour obtenir 10 : $\ln(10) \approx 2{,}3$ signifie $e^{2{,}3} \approx 10$.

À retenir : $e^{\ln(x)} = x$ pour tout $x > 0$ et $\ln(e^x) = x$ pour tout réel $x$ ; en particulier $\ln(1) = 0$ et $\ln(e) = 1$.

Propriétés algébriques du logarithme

Le logarithme transforme les multiplications en additions : $\ln(ab) = \ln(a) + \ln(b)$ pour $a > 0$ et $b > 0$. C'est l'inverse des propriétés de l'exponentielle.

Exemple

En acoustique, les décibels utilisent un logarithme (décimal) pour compresser les très grandes différences d'intensité sonore en nombres gérables.

À retenir : Les trois règles : $\ln(ab) = \ln(a) + \ln(b)$, $\ln(\frac{a}{b}) = \ln(a) - \ln(b)$, $\ln(a^n) = n\ln(a)$, pour $a > 0$, $b > 0$ et $n$ entier relatif.

Dérivée du logarithme népérien

La fonction $\ln$ est dérivable sur $]0;+\infty[$ et sa dérivée est $\frac{1}{x}$. Pour une fonction $u$ dérivable et strictement positive sur un intervalle, la dérivée de $\ln(u)$ est $\frac{u'}{u}$.

Exemple

Quand $x$ double, la pente de la tangente à la courbe de $\ln$ est divisée par 2 : la courbe monte de moins en moins vite.

À retenir : $(\ln(x))' = \frac{1}{x}$ sur $]0;+\infty[$ et $(\ln(u(x)))' = \frac{u'(x)}{u(x)}$ si $u > 0$.

Limites et variations du logarithme népérien

La fonction $\ln$ est strictement croissante sur $]0;+\infty[$, car sa dérivée $\frac{1}{x}$ y est strictement positive. Elle s'annule en 1 : $\ln(x) < 0$ pour $0 < x < 1$ et $\ln(x) > 0$ pour $x > 1$. Sa courbe est la symétrique de celle de l'exponentielle par rapport à la droite d'équation $y = x$.

Exemple

$\ln(0{,}001) \approx -6{,}9$ et $\ln(1\,000) \approx 6{,}9$ : la courbe plonge vers $-\infty$ près de 0 et monte vers $+\infty$, mais très lentement.

À retenir : $\lim_{x \to 0,\, x > 0} \ln(x) = -\infty$ (l'axe des ordonnées est asymptote verticale) et $\lim_{x \to +\infty} \ln(x) = +\infty$.

Croissances comparées : exponentielle vs polynôme

L'exponentielle croît beaucoup plus vite que n'importe quel polynôme. Peu importe la puissance du polynôme, $e^x$ finit toujours par le dépasser.

Exemple

Pour $x = 10$, $x^{100} = 10^{100}$ alors que $e^{10} \approx 22\,026$. Pourtant, pour $x$ assez grand, $e^x$ dépasse $x^{100}$ et l'écart devient gigantesque.

À retenir : $\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty$ et $\lim_{x \to -\infty} x^n e^x = 0$ pour tout entier naturel $n$ : l'exponentielle l'emporte.

Croissances comparées : logarithme vs polynôme

Le logarithme croît beaucoup plus lentement que toute fonction $x \mapsto x^n$ (avec $n \geq 1$) : $x^n$ finit toujours par dépasser $\ln(x)$.

Exemple

Même si vous attendez très longtemps, $\ln(x)$ augmente lentement (comme $\ln(1000000) \approx 13{,}8$), tandis que $x^2$ explose.

À retenir : $\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x^n} = 0$ et $\lim_{x \to 0,\, x > 0} x^n \ln(x) = 0$ pour tout entier $n \geq 1$ : la puissance l'emporte.

Équations avec exponentielle et logarithme

Pour $a > 0$, l'équation $e^x = a$ a une unique solution : $x = \ln(a)$ ; si $a \leq 0$, elle n'a pas de solution. Pour résoudre $\ln(x) = b$ (avec $x > 0$), on utilise l'exponentielle : $x = e^b$.

Exemple

Si vous cherchez après combien de temps une population aura doublé avec une croissance exponentielle, vous utilisez le logarithme pour isoler le temps.

À retenir : Pour $a > 0$ : $e^x = a \Leftrightarrow x = \ln(a)$. Pour tout réel $b$ : $\ln(x) = b \Leftrightarrow x = e^b$. Pour $a > 0$ et $b > 0$ : $\ln(a) = \ln(b) \Leftrightarrow a = b$.

Inéquations avec exponentielle et logarithme

Comme $e^x$ et $\ln(x)$ sont strictement croissantes, les inégalités se conservent : si $e^a < e^b$ alors $a < b$, et si $\ln(a) < \ln(b)$ alors $a < b$ (avec $a, b > 0$).

Exemple

Si vous savez qu'une population exponentielle dépasse 1000 individus, vous pouvez comparer les exposants pour trouver à partir de quel moment cela se produit.

À retenir : Les deux fonctions sont strictement croissantes : $e^a < e^b \Leftrightarrow a < b$ et $\ln(a) < \ln(b) \Leftrightarrow 0 < a < b$.

Composées : fonction du type $e^{u(x)}$

Pour une fonction $u$ dérivable sur un intervalle, on dérive la composée : $(e^{u(x)})' = u'(x) \cdot e^{u(x)}$.

Exemple

Si la température d'un objet suit $T(t) = 20 + 80e^{-0{,}1t}$, la vitesse de variation de sa température est $T'(t) = -8e^{-0{,}1t}$ (négative : l'objet refroidit).

À retenir : $(e^{u(x)})' = u'(x) \cdot e^{u(x)}$ : on multiplie par la dérivée de l'exposant.

Composées : fonction du type $\ln(u(x))$

Pour une fonction $u$ dérivable et strictement positive sur un intervalle, on dérive la composée : $(\ln(u(x)))' = \frac{u'(x)}{u(x)}$.

Exemple

Si vous mesurez $\ln(\text{population}(t))$, la dérivée est la vitesse de croissance divisée par la population elle-même.

À retenir : $(\ln(u(x)))' = \frac{u'(x)}{u(x)}$ : on divise la dérivée de $u$ par $u$ elle-même.

Les points clés

  • L'exponentielle et le logarithme sont réciproques : $e^{\ln(x)} = x$ et $\ln(e^x) = x$
  • L'exponentielle transforme les additions en multiplications, le logarithme fait l'inverse
  • L'exponentielle croît plus vite que tout polynôme, le logarithme croît plus lentement
  • Les deux fonctions sont strictement croissantes : les inégalités se conservent
  • Pour les dérivées composées : $(e^{u})' = u' \cdot e^{u}$ et $(\ln(u))' = \frac{u'}{u}$

L'essentiel

L'exponentielle et le logarithme sont les deux faces d'une même pièce : elles transforment les opérations (multiplications en additions) et se neutralisent mutuellement.

Exercices d'entraînement

Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.

Exercice 1

Résolvez l'équation $e^{2x-1} = 5$ et l'inéquation $\ln(3x + 2) > 1$.

Corrige cet exercice avec le tuteur →

Exercice 2

Calculez la dérivée de $f(x) = e^{x^2} + \ln(2x + 1)$ sur son domaine de définition.

Corrige cet exercice avec le tuteur →

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