Terminale S - Fonction exponentielle
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Terminale S - Fonction exponentielle
Fonction exponentielle
I) Définition de la fonction exponentielle
1) Théorème 1:
β Il existe une unique fonction π dérivable sur β telle que :
Pour tout nombre π, πβ² (π) = π(π), et π(π) = π
β Cette fonction est appelée fonction exponentielle.
On la note πππ.
Démonstration exigible:
β Lβexistence dβune telle fonction est admise.
β Démontrons lβunicité dβune telle fonction :
Soit π une fonction dérivable sur β telle que π β² = π et π(0) = 1
βͺ
Montrons dβabord que pour tout nombre réel π, π(π) β π
Soit π la fonction définie sur β par : π(π₯) = π(π₯) × π (βπ₯)
π β² (π₯) = (π(π₯) × π(βπ₯))β² = πβ²(π₯) × π(βπ₯) β π(π₯) × πβ²(βπ₯) = π(π₯) × π(βπ₯) β π (π₯) × π(βπ₯) = 0
(puisque β = π )
Donc π est une fonction constante
Or π(0) = π (0) × π(0) = 1
Donc pour tout π₯ de β, π(π₯) = 1
Donc pour tout π₯ de β, π(π₯) × π(βπ₯) = 1
π(π₯) β 0 car sβil existait un réel π tel que π(π) = 0 alors on aurait :
π(π) × π(βπ) = 0 ce qui est impossible puisque π(π) × π(βπ) = 1 donc π(π₯) β 0
βͺ
Montrons maintenant lβunicité dβune telle fonction :
Soit π une fonction différente de π telle que π soit aussi une fonction dérivable sur β avec
πβ² = π et π(0) = 1
Soit β(π₯) =
π(π₯)
π(π₯)
π et π sont définies et dérivables sur β. π ne sβannule jamais donc β est définie et
dérivable sur β
ββ(π₯) =
πβ² (π₯)×π(π₯)βπ(π₯)πβ²(π₯)
π²(π₯)
=
π(π₯)×π(π₯)βπ(π₯)π(π₯)
Donc la fonction β est constante
β(π₯) =
π(π₯)
π(π₯)
=
π(0)
π(0)
=
1
1
=1
π²(π₯)
= 0 puisque π β² = π et πβ² = π
Donc pour tout π₯ de β,
π(π₯)
= 1, donc pour tout π₯ de β, π(π₯) = π(π₯)
π(π₯)
Ce qui prouve que π et π sont identiques. Ce qui prouve lβunicité de la fonction π.
2) Conséquences immédiates
β La fonction exponentielle πππ : π βΌ ππ±π©(π) est définie et dérivable
sur β et (πππ)β = πππ et πππ(π) = π
β Pour tout nombre π, πππ(π) β π et πππ(βπ) =
π
πππ(π)
Démonstration :
On sait que : ππ₯π(π₯) est définie et dérivable sur β, (ππ₯π)β = ππ₯π et ππ₯π(0) = 1 par
définition.
β Démontrons que pour tout π₯ de β, ππ₯π(π₯) β 0 et ππ₯π(βπ₯) =
1
π₯
Soit π la fonction définie sur β par : π(π₯) = ππ₯π(π₯) × ππ₯π(βπ₯)
π β² (π₯) = (ππ₯π(π₯) × ππ₯π (βπ₯))β² = ππ₯π(π₯) × ππ₯π(βπ₯) β ππ₯π(π₯) × ππ₯π(βπ₯) = 0
Donc π est une fonction constante
Or π(0) = ππ₯π(0) × ππ₯π(0) = 1
Donc pour tout π₯ de β, π(π₯) = 1
Donc pour tout π₯ de β, ππ₯π(π₯) × ππ₯π(βπ₯) = 1
Comme ππ₯π(π₯) β 0 (nous lβavons démontré précédemment)
alors en divisant par ππ₯π(π₯) on obtient :
pour tout π de β, πππ(βπ) =
π
πππ(π)
II) Propriétés de la fonction exponentielle
1) Théorème 2:
Pour tous nombres réels π et π πππ(π + π) = πππ(π) × πππ(π)
Démonstration :
Soit π un nombre réel et β(π₯) =
ππ₯π(π+π₯)
ππ₯π(π)
La fonction β est définie et dérivable sur β.
ββ²(π₯) =
ππ₯πβ² (π+π₯)
ππ₯π(π)
de plus β(0) =
=
ππ₯π(π+π₯)
ππ₯π(π)
ππ₯π(π+0)
ππ₯π(π)
=
= β(π₯)
ππ₯π(π)
ππ₯π(π)
=1
on a donc : ββ² = β et β(0) = 1 . Or dβaprès le théorème 1 il existe une unique fonction telle
que ββ² = β et β(0) = 1 qui est : β(π₯) = ππ₯π(π₯)
donc pour tout π₯ de β :
ππ₯π(π+π₯)
ππ₯π(π)
= ππ₯π(π₯)
on obtient donc : ππ₯π(π + π₯) = ππ₯π(π) × ππ₯π(π₯)
En particulier pour π₯ = π:
ππ₯π(π + π) = ππ₯π(π) × ππ₯π(π)
2) Théorème 3:
Pour tous nombres π et π réels πππ(π β π) =
πππ(π)
πππ(π)
Démonstration :
Pour tous nombres π et π réels,
ππ₯π(π) = ππ₯π(π β π + π) et ππ₯π(π β π + π) = ππ₯π(π β π) × ππ₯π(π) en utilisant la propriété
précédente.
On a donc : ππ₯π(π β π) × ππ₯π(π) = ππ₯π(π)
Comme ππ₯π(π) β 0 alors on peut diviser par ππ₯π(π)
ππ₯π(π β π) =
ππ₯π(π)
ππ₯π(π)
Théorème 4:
Pour tout nombre π réel et pour tout entier relatif π : πππ(ππ) = (πππ(π))π
Démonstration :
β Démontrons tout dβabord cette égalité par récurrence dans le cas où π est un entier
naturel :
Pour tout entier naturel π, notons ππ la proposition: ππ₯π(ππ) = (ππ₯π(π))π
P1 est vraie. En effet lorsque π = 1 on obtient : ππ₯π(π) = (ππ₯π(π))1
Supposons que pour un entier π quelconque fixé on ait ππ vraie cβest-à-dire :
ππ₯π(ππ) = (ππ₯π(π))π
alors exp((π + 1)π) = ππ₯π(ππ + π) = ππ₯π(ππ) × exp(π) = (ππ₯π(π))π × exp(π) = (ππ₯π(π))π+1
Ce qui implique que Pn+1 est vraie
On a donc démontré le caractère héréditaire de cette propriété.
On peut donc conclure que la proposition est vraie pour tout entier naturel π (non nul).
Donc pour tout entier naturel π: ππ₯π(ππ) = (ππ₯π(π))π
β Démontrons maintenant cette égalité pour π < 0 :
Posons π = βπ (π > 0)
ππ₯π(ππ) = ππ₯π(βππ) =
1
ππ₯π(ππ)
=
1
(ππ₯π(π))π
= (ππ₯π(π))βπ = (ππ₯π(π))π
β Nous avons donc montré que pour tout entier relatif : ππ₯π(ππ) = (ππ₯π(π))π
III) Nouvelle notation de la fonction exponentielle
On pose e = πππ (1)
Une calculatrice indique e β 2,718281828
Conséquences :
Dβaprès le théorème 4, pour tout entier relatif π, ππ₯π(π) = ((ππ₯π(1))π
On étend cette égalité à lβensemble des nombres réels
On a donc :
Pour tout nombre π, πππ(π) = ππ
On le lit : « exponentielle de π » ou « e exposant π₯ »
Dβoù les notations simplifiées :
β ππ = π et ππ = π
Pour tout nombre π et π:
β ππ+π = ππ × ππ
π
β πβπ = π
π
ππ
β ππβπ = π
π
Pour tout nombre π et pour tout entier relatif π,
β (ππ )π = π ππ₯
IV fonction exponentielle
1) Variation de la fonction exponentielle
Théorème 5:
Pour tout nombre réel π, ππ > 0
Démonstration :
Pour tout nombre réel π₯, π π₯ =
π₯
π₯
π 2×2 = (π 2 ) 2 β₯ 0
Donc π π₯ β₯ 0
Comme π π₯ β 0 alors pour tout réel π₯, π π₯ > 0
Théorème 6:
La fonction exponentielle est strictement croissante sur β.
Démonstration:
Pour tout nombre réel π₯, (π π₯ )β = π π₯
Or pour tout réel π₯, π π₯ > 0
Ainsi, la fonction exponentielle est strictement croissante sur β.
Conséquences importantes:
Pour tout nombres π et π :
β π < π équivaut à ππ < ππ
β π = π équivaut à ππ = ππ
Ces deux équivalences résultent de la stricte croissance de la fonction exponentielle sur
β.
Elles sont surtout utilisées lors de la résolution dβéquations et dβinéquations comme dans
les exemples ci-dessous :
Exemple 1: Résolvez lβéquation suivante : π 3βπ₯ = 1
Cette équation équivaut à : π 3βπ₯ = π 0
qui est équivalente à lβéquation : 3 β π₯ = 0
Donc π₯ = 3
Cette équation a pour solution 3.
Exemple 2: Résolvez lβinéquation suivante : π 2π₯ < π π₯
Cette inéquation est équivalente à lβinéquation : 2π₯ < π₯
qui est équivalente à: π₯ < 0
Lβensemble des solutions de cette inéquation est : ]ββ ; 0]
Exemple 3: Résolvez lβéquation suivante : π 2π₯ β 2π π₯ = β1
Cette équation est équivalente à :
(π π₯ )2 β 2π π₯ + 1 = 0
Posons πΏ = ππ on obtient lβéquation :
π 2 β 2π + 1 = 0
(π β 1)² = 0
Donc :
π= 1
On obtient donc :
ππ₯ = 1
cβest-à-dire
π π₯ = π0
qui a pour solution : π = π
Cette équation a pour solution 0
2) Limites à lβinfini de la fonction exponentielle
Théorème 7:
β π₯π’π¦ ππ = +β
πβ+β
β π₯π’π¦ ππ = π
πβββ
Démonstration exigible:
β Tout dβabord démontrons que lim π π₯ = +β en utilisant le théorème de comparaison,
π₯β+β
en comparant les fonctions : π₯ β¦ π π₯ et π₯ β¦ π₯
Pour cela étudions la fonction π définie et dérivable sur β par π(π₯) = π π₯ β π₯
πβ²(π₯) = π π₯ β 1
Pour π β₯ π
π π₯ β₯ π 0 (car la fonction exponentielle est croissante)
soit π π₯ β₯ 1 et donc π π₯ β 1 β₯ 0 et donc πβ²(π₯) β₯ 0
Donc π est croissante pour π β₯ π
Pour π β€ π π π₯ β€ π 0 (car la fonction exponentielle est croissante)
soit π π₯ β€ 1 et donc π π₯ β 1 β€ 0 et donc πβ²(π₯) β€ 0
Donc π est décroissante pour π β€ π
On obtient donc le tableau de variation de π ci-dessous :
π₯
0
ββ
πβ²(π₯)
+β
0
β
π(π₯)
+
1
La fonction π admet 1 comme minimum
Par conséquent pour tout π₯ de β, π(π₯) β₯ 1 à fortiori, pour tout π₯ de β π(π₯) > 0
Pour tout π₯ de β, π π₯ β π₯ > 0 soit pour tout π de β, ππ > π
Comme lim π₯ = +β alors dβaprès le théorème de comparaison: π₯π’π¦ ππ = +β
π₯β¦+β
πβ¦+β
β Maintenant démontrons que lim π π₯ = 0
π₯βββ
Pour cela, posons π¦ = βπ₯
Lorsque π₯ tend vers ββ alors π¦ tend vers +β
Ainsi, π π₯ = π βπ¦ =
1
ππ¦
Or, lim π π¦ = +β donc lim
π¦β¦+β
π¦β¦+β
1
= 0. Ce qui prouve que π₯π’π¦ ππ
ππ¦
πβββ
=0
3) Tableau de variation et courbe représentative de la
fonction exponentielle
a) Tableau de variation :
Les résultats précédents nous permettent dβécrire:
π₯
ββ
0
1
+β
+
πβ²(π₯)
+β
π
π(π₯)
1
0
b) Courbe représentative de la fonction exponentielle
Remarque :
lim π π₯ = 0 Lβaxe des abscisses est une asymptote horizontal à π en ββ
π₯βββ
c) Limites importantes
Théorème 8:
β π₯π’π¦
ππ βπ
π
πβ π
ππ
β π₯π’π¦
πβ+β π
=π
= +β
β π₯π’π¦ π ππ = π
πβββ
Démonstration :
β La fonction exponentielle est dérivable en 0 et expβ(0) = 1 et exp(0) = 1
lim
π π₯ β1
π₯ βΌ0
π₯
= lim
π₯ βΌ0
ππ₯π(0 + π₯) β ππ₯π(0)
π₯β0
Cβest la limite lorsque π₯ tend vers 0, du taux dβaccroissement de la fonction exponentielle
entre 0 et 0 + π₯ on a donc :
lim
π₯ βΌ0
ππ₯π(0 + π₯) β ππ₯π(0)
π₯β0
= ππ₯πβ(0) = 1
On obtient donc : lim
π₯ βΌ0
π π₯ β1
π₯
=1
β Démontrons que lim
ππ₯
π₯β+β π₯
= +β en utilisant le théorème de comparaison, en
comparant les fonctions : π₯ β¦ π π₯ et π₯ β¦
π₯²
2
Pour cela étudions la fonction π définie et dérivable sur β par π(π₯) = π π₯ β
π₯²
2
π₯
πβ²(π₯) = π β π₯
Or, pour tout nombre π₯: π π₯ > π₯ (vu dans la démonstration du théorème 7)
Donc pour tout π₯ de β, π β² (π₯) > 0
La fonction π est strictement croissante sur β, avec π(0) = 1
π₯
0
ββ
+β
+
πβ²(π₯)
1
π(π₯)
Ainsi pour tout nombre π₯ strictement positif, π(π₯) > 1 > 0
Ce qui prouve que tout π₯ strictement positif π π₯ β
non nul puisque strictement positif)
ππ₯
π₯
>
Or,
π₯²
2
> 0, soit en divisant par π₯ ( qui est
π₯
2
π₯
ππ₯
= +β donc dβaprès le théorème des comparaisons : lim
= +β
π₯ βΌ +β 2
π₯ βΌ +β π₯
lim
β Maintenant démontrons que lim π₯ππ₯ = 0
π₯βββ
Pour cela, posons π¦ = βπ₯
Lorsque π₯ tend vers ββ alors π¦ tend vers +β
Ainsi, π π₯ = π βπ¦ =
1
ππ¦
et donc: π₯π π₯ = β
π¦
ππ¦
Or nous venons de démontrer que: lim
π¦β¦+β
A fortiori on a donc : lim β
π¦β¦+β
π¦
=0
ππ¦
Ce qui prouve que π₯π’π¦ π₯π π₯ = 0
πβββ
ππ¦
π¦
= +β on obtient donc : lim
π¦β¦+β
π¦
=0
ππ¦
V) Etude de la fonction : ππ(π)
β Soit π une fonction dérivable sur un intervalle I alors la fonction
π définie sur lβintervalle I par π(π) = ππ(π) est dérivable sur I et on
a:
πβ² (π) = πβ²(π) ππ(π)
β Comme la fonction exponentielle est strictement positive alors
le signe de la dérivée dépend du signe de la fonction πβ²
β Comme la fonction exponentielle est strictement croissante
alors dβaprès le théorème des fonctions composées le sens de
variations de π est le même que celui de π.
β Pour tout π de I ππ(π) > π(π)
Cβest une application directe du théorème de dérivation des fonctions composées.
Exemples :
Exemple 1 : Soit π la fonction définie sur β par π(π₯) =
π 3π₯
2 β5π₯+1
Soit π’ la fonction définie sur β par π’(π₯) = 3π₯ 2 β 5π₯ + 1
Dans notre exemple π(π₯) = π π’(π₯)
Etudions les variations de π’ :
π’β² (π₯) = 6π₯ β 5
π’β² (π₯) = 0 pour π₯ =
π
β² (π₯)
5
6
π’β² (π₯) β₯ 0 pour π₯ β₯
5
6
et
π’β² (π₯) β€ 0 pour π₯ β€
5
6
2
= (6π₯ β 5) π3π₯ β5π₯+1
Comme
π 3π₯
2 β5π₯+1
est strictement positive alors le signe de πβ dépend de celui de π’β
On obtient le tableau de variation suivant :
π₯
5
ββ
π’β(π₯)
+β
6
0
β
+
+β
+β
π’(π₯)
β
Sachant que
π₯
13
12
lim π π₯ = +β on obtient le tableau de variation de la fonction π:
π₯ βΌ +β
ββ
5
6
+β
+β
+β
π(π₯)
13
π β12
Les courbes représentatives de fonctions π’ et π sont :
Exemple 2 : Soit π la fonction définie sur β par π(π₯) =
Soit π’ la fonction définie sur β \ {0} par π’(π₯) =
Dans notre exemple π(π₯) = π
1
ππ₯
1
π₯
π’(π₯)
Etudions les variations de π’ :
π’β² (π₯) = β
1
π₯²
π’β² (π₯) < 0
π β² (π₯) = β
Comme
1
π₯²
1
ππ₯
1
π π₯ est strictement positive alors le signe de πβ dépend de celui de π’β
On obtient le tableau de variation suivant :
π₯
0
ββ
+β
β
π’β(π₯)
β
0
+β
π’(π₯)
0
ββ
Sachant que
lim π π₯ = 0 , que
π₯ βΌ ββ
variation de la fonction π:
π₯
lim π π₯ = +β et que lim π π₯ = 1, on obtient le tableau de
π₯ βΌ +β
π₯βΌ0
0
ββ
1
+β
+β
π(π₯)
0
1
Les courbes représentatives de fonctions π’ et π sont :