Vidéo 5 : Puissances et logarithme décimal · 3 min 31 s · sous-titres en français
Le cours écrit
5.1 Rappels du chapitre 2
La racine n-ième, les puissances d'exposant rationnel et leur dérivée ont été définies au chapitre 2. On les rappelle brièvement.
Racine n-ième (n≥2 entier). C'est la réciproque de la bijection x↦xn de [0;+∞[ sur [0;+∞[ : pour y≥0, yn1 est l'unique réel x≥0 tel que xn=y. Par exemple, 831=2 et 8141=3.
Puissance rationnelle. Pour x>0 et r=qp (p entier relatif, q entier naturel non nul), xr=(xq1)p. Les règles de calcul des puissances entières restent vraies (admis). Par exemple, 423=(421)3=23=8.
Dérivée.(xr)′=rxr−1 sur ]0;+∞[, et (ur)′=ru′ur−1 si u>0.
Ce chapitre apporte trois nouveautés : le lien avec ln et exp, les variations et limites des fonctions puissances, et les croissances comparées.
5.2 Lien avec ln et exp
Propriété. Pour tout x>0 et tout rationnel r :
ln(xr)=rlnxdoncxr=erlnx.
Démonstration. Soit q≥1 entier. Comme (xq1)q=x, on a qln(xq1)=lnx, donc ln(xq1)=q1lnx. Puis, pour p entier relatif, ln((xq1)p)=p×q1lnx=qplnx. Enfin xr=eln(xr)=erlnx.
Conséquence (annoncée à la leçon 3). Avec x=e : er=erlne=exp(r) pour tout rationnel r. La notation ex est donc cohérente avec les puissances.
5.3 Les fonctions x↦xr
Soit r un rationnel non nul. On étudie f(x)=xr=erlnx sur ]0;+∞[.
Dérivée. On retrouve la formule du chapitre 2 : f′(x)=xrerlnx=xrxr=rxr−1.
Variations et limites.
r>0
r<0
Sens de variation
strictement croissante
strictement décroissante
En 0+
xr→0
xr→+∞
En +∞
xr→+∞
xr→0
Justification des limites :xr=erlnx, et rlnx tend vers ±∞ selon le signe de r.
Toutes ces courbes passent par le point (1;1). Pour r>1, la courbe ressemble à celle de x2 ; pour 0<r<1, à celle de x ; pour r<0, à celle de x1.
Exemple 15. Résoudre x32=4 sur ]0;+∞[.
Les deux membres sont strictement positifs, et ln est strictement croissante : x32=4⟺32lnx=ln4=2ln2⟺lnx=3ln2=ln8⟺x=8. Contrôle : 832=(831)2=22=4.
5.4 Croissances comparées, cas général
Théorème (limites du programme). Pour tout rationnel r>0 :
limx→+∞xrlnx=0limx→0+xrlnx=0limx→+∞xrex=+∞.
Démonstrations.
xrlnx=r1×xrln(xr)=r1×XlnX avec X=xr→+∞. La limite vaut 0.
xrlnx=r1×xrln(xr)=r1×XlnX avec X=xr→0+. La limite vaut 0.
xrex=(xex/r)r=(r1×XeX)r avec X=rx→+∞. La parenthèse tend vers +∞, et sa puissance r aussi.
Exemple 16.x→+∞limxlnx=0 et x→0+limxlnx=0 (cas r=21).
5.5 Logarithme décimal
Définition. Le logarithme décimal, noté log, est la fonction définie sur ]0;+∞[ par
logx=ln10lnx.
C'est ln multipliée par la constante positive ln101. Elle a donc les mêmes propriétés algébriques (log(ab)=loga+logb, etc.), elle est strictement croissante, et (logx)′=xln101. Sa propriété caractéristique :
log(10n)=npour tout entier relatif n.Par exemple, log1000=3 et log0,01=−2.
Usages en physique et en chimie. Le logarithme décimal sert à exprimer des grandeurs qui varient sur plusieurs puissances de 10, par exemple le pH d'une solution, pH=−log[H3O+], où la concentration est en mol⋅L−1.
Exemple 17. Une solution a pour concentration [H3O+]=2,5×10−4. Son pH vaut −log(2,5)−log(10−4)=4−log2,5≈3,60.
Exemple 18. Combien de chiffres a le nombre 2100 ?
Un entier N≥1 a k chiffres si et seulement si 10k−1≤N<10k, c'est-à-dire k−1≤logN<k. Or log(2100)=100log2≈30,10. Donc k−1=30 : 2100 a 31 chiffres.