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 :