Vidéo 6 : Compléments S1 et S3 · 3 min 12 s · sous-titres en français
Le cours écrit
6.1 Exponentielle de base a
Définition (programme S1-S3). Soit a un réel strictement positif, différent de 1. Pour tout réel x, on pose
ax=exlna.
Pour x rationnel, c'est la puissance de la leçon 5, puisque ax=exlna. La fonction x↦ax est l'exponentielle de base a. Pour a=e, on retrouve ex.
Propriétés. Pour tous réels x, y et a>0, b>0 :
ax+y=axay(ax)y=axy(ab)x=axbxln(ax)=xlna.
Dérivée et variations.(ax)′=lna×exlna=(lna)ax.
Si a>1, lna>0 : x↦ax est strictement croissante, de limite 0 en −∞ et +∞ en +∞.
Si 0<a<1, lna<0 : elle est strictement décroissante, de limite +∞ en −∞ et 0 en +∞.
Les courbes de x↦ax et de x↦(a1)x=a−x sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées.
6.2 Logarithme de base a
Définition (programme S1-S3). Pour a>0, a=1, et x>0 :
logax=lnalnx.
loga a les mêmes propriétés algébriques que ln et logaa=1. Le logarithme décimal est log=log10.
loga est la réciproque de l'exponentielle de base a : y=ax⟺x=logay (avec y>0).
(logax)′=xlna1.
Exemple 19.log28=ln2ln8=ln23ln2=3. Et 3x=7⟺xln3=ln7⟺x=ln3ln7=log37≈1,771.
Exemple 20. Résoudre 2x>3x−1.
Les deux membres sont strictement positifs et ln est strictement croissante : xln2>(x−1)ln3, soit x(ln3−ln2)<ln3. Comme ln3−ln2>0, on obtient x<ln3−ln2ln3≈2,71.
6.3 Puissance d'exposant réel
Définition. Pour x>0 et α réel, on pose xα=eαlnx. Pour α rationnel, on retrouve la leçon 5.
Tout ce qui a été dit pour xr reste vrai : mêmes règles de calcul, (xα)′=αxα−1, même tableau de variations selon le signe de α.
Exemple.(x2)′=2x2−1 sur ]0;+∞[.
6.4 Croissance comparée de fonctions
Théorème. Pour tout réel α>0 et tout réel a>1 :
limx→+∞xαlnx=0limx→0+xαlnx=0limx→+∞xαex=+∞limx→+∞xαe−x=0limx→+∞xαax=+∞.
Les quatre premières se démontrent exactement comme à la leçon 5. Pour la dernière : xαax=xαexlna=(lna)α×XαeX avec X=xlna→+∞, car lna>0.
La hiérarchie à retenir. En +∞, pour α>0 et a>1 : lnx est « négligeable » devant xα, qui est lui-même négligeable devant ax.
Ces comparaisons s'appliqueront aux suites de référence lnn, nα et an au chapitre 4.
6.5 Fonctions composées
Exemple 21. Étudier f(x)=xx sur ]0;+∞[.
Par définition, f(x)=exlnx.
Limites. En 0+ : xlnx→0, et exp est continue en 0, donc f(x)→e0=1. En +∞ : xlnx→+∞, donc f(x)→+∞.
Dérivée.(xlnx)′=lnx+1, donc f′(x)=(lnx+1)xx, du signe de lnx+1. Or lnx+1≥0⟺x≥e−1.
Variations.f est décroissante sur ]0;e1] et croissante sur [e1;+∞[. Son minimum vaut f(e1)=e−e1≈0,692.