Socle mathématique · Fonctions usuelles et intégration

Exponentielle et logarithme

Deux fonctions réciproques l'une de l'autre, omniprésentes dès qu'on modélise une croissance, une décroissance, ou qu'on résout une équation où l'inconnue est en exposant.

🎓 Niveau Terminale / prépa intégrée ⏱ Cours ~20 min ✎ 12 exercices ✓ QCM 10 questions 📄 1 sujet d'annales corrigé

1La fonction exponentielle

Définition

La fonction exponentielle, notée $\exp$ ou $x\mapsto\e^x$, est l'unique fonction dérivable sur $\R$ telle que $\exp'=\exp$ et $\exp(0)=1$. Elle est strictement positive et strictement croissante sur $\R$.

Propriété fondamentale : $\e^{a+b}=\e^a\times\e^b$, qui transforme les sommes en produits.

2La fonction logarithme népérien

Définition

Le logarithme népérien $\ln$ est la fonction réciproque de l'exponentielle : pour $x\gt 0$, $\ln x$ est l'unique réel $y$ tel que $\e^y=x$. On a donc $\ln(\e^x)=x$ pour tout $x$, et $\e^{\ln x}=x$ pour tout $x\gt 0$.

xyy = x(0 ; 1)(1 ; 0)y = eˣy = ln(x)Les deux courbes sont symétriques par rapport à la droite y = x.
Exponentielle et logarithme népérien : fonctions réciproques.

Les courbes de $\exp$ et $\ln$ sont symétriques par rapport à la droite $y=x$ : c'est la traduction géométrique du fait que ce sont deux fonctions réciproques l'une de l'autre.

Propriété fondamentale : $\ln(ab)=\ln a+\ln b$ pour $a,b\gt 0$, qui transforme les produits en sommes — c'est historiquement pour cela que le logarithme a été inventé.

3Règles de calcul à connaître

PropriétéFormule
Produit$\ln(ab)=\ln a+\ln b$
Quotient$\ln(a/b)=\ln a-\ln b$
Puissance$\ln(a^n)=n\ln a$
Inverse$\ln(1/a)=-\ln a$

4Résoudre une équation exponentielle ou logarithmique

Méthode

Pour $\e^{u(x)}=k$ ($k\gt 0$), on passe au logarithme des deux côtés : $u(x)=\ln k$. Pour $\ln(u(x))=k$, on passe à l'exponentielle : $u(x)=\e^k$, en vérifiant au préalable que $u(x)\gt 0$.

Exemple résolu

Résoudre $\e^{2x-1}=7$ : $2x-1=\ln7$, donc $x=\dfrac{1+\ln7}2$.

5Dérivées de $\e^u$ et $\ln u$

$$(\e^u)'=u'\e^u, \qquad (\ln u)'=\frac{u'}u \ (\text{pour } u\gt 0)$$

6Croissances comparées

Résultat à connaître

En $+\infty$, le logarithme croît toujours plus lentement que n'importe quelle puissance $x^\alpha$ ($\alpha\gt 0$), elle-même toujours dominée par une exponentielle $\e^{\beta x}$ ($\beta\gt 0$) : $\ln x \ll x^\alpha \ll \e^{\beta x}$.

Exercice 1 — Simplifier une expression

Facile

Simplifier $\ln(\e^5)$.

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$\ln(\e^5)=5$, car $\ln$ et $\exp$ sont réciproques.

Exercice 2 — Utiliser la propriété du produit

Facile

Sachant $\ln2\approx0{,}693$ et $\ln3\approx1{,}099$, calculer $\ln6$.

Voir la correction

$\ln6=\ln(2\times3)=\ln2+\ln3\approx0{,}693+1{,}099=1{,}792$.

Exercice 3 — Résoudre une équation exponentielle

Moyen

Résoudre $\e^{x}=5$.

Voir la correction

$x=\ln5$.

Exercice 4 — Résoudre une équation logarithmique

Moyen

Résoudre $\ln(x)=2$.

Voir la correction

$x=\e^2$ (qui est bien strictement positif).

Exercice 5 — Équation avec fonction affine en exposant

Moyen

Résoudre $\e^{3x+1}=10$.

Voir la correction

$3x+1=\ln10$, donc $x=\dfrac{\ln10-1}3$.

Exercice 6 — Dérivée d'une exponentielle composée

Moyen

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=\e^{-2x+3}$.

Voir la correction

Avec $u=-2x+3$, $u'=-2$ : $f'(x)=-2\e^{-2x+3}$.

Exercice 7 — Dérivée d'un logarithme composé

Moyen

Calculer $f'(x)$ pour $f(x)=\ln(3x+2)$ (pour $x\gt -2/3$).

Voir la correction

Avec $u=3x+2$, $u'=3$ : $f'(x)=\dfrac3{3x+2}$.

Exercice 8 — Équation logarithmique avec vérification de domaine

Difficile

Résoudre $\ln(x-1)=0$.

Voir la correction

$\ln(x-1)=0 \Rightarrow x-1=\e^0=1 \Rightarrow x=2$.

On vérifie que $x-1=1\gt 0$ : la solution $x=2$ est bien valide.

Exercice 9 — Croissances comparées

Moyen

Sans calculatrice, comparer $\ln(1000)$ et $\sqrt{1000}$.

Voir la correction

En vertu des croissances comparées, $\ln x$ est toujours très inférieur à $\sqrt x$ pour $x$ grand : ici $\ln(1000)\approx6{,}9$ alors que $\sqrt{1000}\approx31{,}6$ : $\ln(1000)\lt \sqrt{1000}$.

Exercice 10 — Application : temps de doublement

Difficile

Une population croît selon $N(t)=N_0\e^{0{,}05t}$ ($t$ en années). Déterminer le temps de doublement de la population.

Voir la correction

On résout $2N_0=N_0\e^{0{,}05t}$, soit $\e^{0{,}05t}=2$, donc $0{,}05t=\ln2$.

$t=\dfrac{\ln2}{0{,}05}\approx13{,}86$ années.

Exercice 11 — Étude de signe avec logarithme

Difficile

Résoudre l'inéquation $\ln(x)\le1$ sur son domaine de définition.

Voir la correction

Le domaine de définition est $x\gt 0$. Comme $\ln$ est strictement croissante, $\ln(x)\le1=\ln(\e)$ équivaut à $x\le\e$.

L'ensemble des solutions est $]0\,;\,\e]$.

Exercice 12 — Synthèse

Difficile

Résoudre l'équation $\e^{2x}-3\e^x+2=0$ (indication : poser $X=\e^x$).

Voir la correction

En posant $X=\e^x\gt 0$, l'équation devient $X^2-3X+2=0$, qui se factorise en $(X-1)(X-2)=0$, donc $X=1$ ou $X=2$.

$\e^x=1 \Rightarrow x=0$ ; $\e^x=2 \Rightarrow x=\ln2$. Les deux solutions sont valides ($X\gt 0$ dans les deux cas).

Progression Score : 0 / 10

Sujet 1 — Contrôle de connaissances

Socle mathématique · 3iL Ingénieurs · Durée indicative : 25 min

Exercice A (8 points) — Résoudre les équations suivantes.

1. $\e^x=12$ (3 pts)

2. $\ln(2x+1)=0$ (avec vérification du domaine) (5 pts)

Exercice B (6 points) — Calculer la dérivée de $f(x)=\ln(x^2+3x+1)$.

Exercice C — Application (6 points)

Un médicament se désintègre dans l'organisme selon $C(t)=C_0\e^{-0{,}2t}$ ($t$ en heures). Calculer la demi-vie du médicament, c'est-à-dire le temps au bout duquel la concentration a diminué de moitié.

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  1. A.1. $x=\ln12$.
  2. A.2. $\ln(2x+1)=0 \Rightarrow 2x+1=1 \Rightarrow x=0$. Vérification : $2\times0+1=1\gt 0$, la solution est valide.
  3. B. Avec $u=x^2+3x+1$, $u'=2x+3$ : $f'(x)=\dfrac{2x+3}{x^2+3x+1}$.
  4. C. On résout $0{,}5C_0=C_0\e^{-0{,}2t}$, soit $\e^{-0{,}2t}=0{,}5$, donc $-0{,}2t=\ln(0{,}5)=-\ln2$, d'où $t=\dfrac{\ln2}{0{,}2}\approx3{,}47$ heures.
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