Exponentielle, composées, croissances comparées et primitives
Vidéo 4 : Composées et croissances comparées · 3 min 08 s · sous-titres en français
Le cours écrit
4.1 Dérivée de eu
Propriété. Si u est dérivable sur un intervalle I, alors eu est dérivable sur I et
(eu)′=u′eu.
Exemples.(ex2)′=2xex2 ; (e−3x)′=−3e−3x ; pour tout réel a, (eax)′=aeax.
Dérivées successives. En dérivant n fois, la dérivée n-ième de x↦eax est x↦aneax.
4.2 Primitives de u′eu
Propriété. Si u est dérivable sur I, de dérivée continue, les primitives de u′eu sur I sont les fonctions x↦eu(x)+C, C∈R.
En particulier, pour a=0, une primitive de x↦eax+b est x↦a1eax+b.
Exemple 12. Une primitive de f(x)=xex2 sur R.
Avec u(x)=x2, u′(x)=2x, donc f=21u′eu. Une primitive est F(x)=21ex2.
De même, une primitive de x↦e2x+1 est x↦21e2x+1.
4.3 Croissances comparées
Théorème. Pour tout entier n≥1 :
limx→+∞xex=+∞limx→+∞xnex=+∞limx→+∞xne−x=0limx→−∞xex=0limx→−∞xnex=0.
À retenir. À l'infini, l'exponentielle l'emporte sur toute puissance de x.
Démonstrations.
On a vu que lnt<2t pour tout t>0 (leçon 2). Avec t=ex : x<2ex=2ex/2. Pour x>0, en élevant au carré deux nombres positifs, x2<4ex, donc xex>4x. Comme 4x→+∞, on obtient xex→+∞ (théorème de minoration).
xnex=(xex/n)n=nn1(XeX)n avec X=nx→+∞. Donc xnex→+∞, puis xne−x=ex/xn1→0.
En −∞, on pose X=−x→+∞ : xex=−Xe−X=−eXX→0, et de même xnex=(−1)nXne−X→0.
Exemple 13. Calculer x→+∞lim(ex−x) et x→+∞lim(x2+1)e−x.
Forme ∞−∞. On factorise par x : ex−x=x(xex−1). La parenthèse tend vers +∞, donc la limite vaut +∞.
(x2+1)e−x=x2e−x+e−x. Les deux termes tendent vers 0, donc la limite vaut 0.
4.4 Exemple d'étude
Exemple 14. Étudier f(x)=xex sur R.
Limites. En −∞ : xex→0 (croissance comparée). L'axe des abscisses est asymptote horizontale en −∞. En +∞ : x→+∞ et ex→+∞, donc f(x)→+∞.
Dérivée.f′(x)=1×ex+xex=(x+1)ex, du signe de x+1 puisque ex>0.
Variations.f est décroissante sur ]−∞;−1] et croissante sur [−1;+∞[. Son minimum est f(−1)=−e−1=−e1≈−0,37.
Branche infinie en +∞.xf(x)=ex→+∞ : branche parabolique de direction l'axe (Oy).