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Leçon 3

La fonction exponentielle

Vidéo 3 : La fonction exponentielle · 4 min 13 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 Définition

La fonction ln⁡\ln est continue et strictement croissante sur ]0;+∞[]0;+\infty[, et c'est une bijection de ]0;+∞[]0;+\infty[ sur R\mathbb{R} (leçon 2).

Définition (programme officiel). La fonction exponentielle, notée exp⁡\exp, est la fonction réciproque de la fonction logarithme népérien.

L'équivalence à connaître par cœur : y=exp⁡(x) et x∈R  ⟺  x=ln⁡y et y>0.y = \exp(x) \text{ et } x \in \mathbb{R} \iff x = \ln y \text{ et } y > 0.

Conséquences immédiates.

  • exp⁡\exp est définie sur R\mathbb{R} et exp⁡(x)>0\exp(x) > 0 pour tout réel xx.
  • ln⁡(exp⁡(x))=x\ln\big(\exp(x)\big) = x pour tout réel xx, et exp⁡(ln⁡y)=y\exp(\ln y) = y pour tout y>0y > 0.
  • exp⁡(0)=1\exp(0) = 1, car ln⁡1=0\ln 1 = 0 ; et exp⁡(1)=e\exp(1) = e, car ln⁡e=1\ln e = 1.
  • D'après le chapitre 1, exp⁡\exp est continue et strictement croissante sur R\mathbb{R}, comme ln⁡\ln.
  • Dans un repère orthonormé, sa courbe est la symétrique de celle de ln⁡\ln par rapport à la droite y=xy = x.

3.2 Propriétés algébriques

Théorème. Pour tous réels aa et bb, exp⁡(a+b)=exp⁡(a)×exp⁡(b).\exp(a + b) = \exp(a) \times \exp(b).

Démonstration. ln⁡(exp⁡(a)×exp⁡(b))=ln⁡exp⁡(a)+ln⁡exp⁡(b)=a+b=ln⁡(exp⁡(a+b))\ln\big(\exp(a)\times\exp(b)\big) = \ln\exp(a) + \ln\exp(b) = a + b = \ln\big(\exp(a+b)\big). Comme deux nombres strictement positifs qui ont le même logarithme sont égaux, exp⁡(a)×exp⁡(b)=exp⁡(a+b)\exp(a)\times\exp(b) = \exp(a+b).

Conséquences. Pour tous réels aa, bb et tout entier relatif nn : exp⁡(−a)=1exp⁡(a)exp⁡(a−b)=exp⁡(a)exp⁡(b)exp⁡(na)=(exp⁡(a))n.\exp(-a) = \frac{1}{\exp(a)} \qquad \exp(a - b) = \frac{\exp(a)}{\exp(b)} \qquad \exp(na) = \big(\exp(a)\big)^n.

3.3 La notation exe^x

Pour tout entier relatif nn, exp⁡(n)=exp⁡(n×1)=(exp⁡(1))n=en\exp(n) = \exp(n \times 1) = \big(\exp(1)\big)^n = e^n. On démontrera à la leçon 5 que, plus généralement, exp⁡(r)=er\exp(r) = e^r pour tout rationnel rr. Cela justifie la notation suivante.

Notation. Pour tout réel xx, on note exp⁡(x)=ex\exp(x) = e^x. On lit « exponentielle de xx ».

Les règles de calcul ont alors la forme des règles sur les puissances :

Pour tous réels aa et bb Pour y>0y > 0 et xx réel
ea+b=eaebe^{a+b} = e^a e^b, e−a=1ea\quad e^{-a} = \dfrac{1}{e^a}, ea−b=eaeb\quad e^{a-b} = \dfrac{e^a}{e^b}, (ea)n=ena\quad (e^a)^n = e^{na} ex>0e^x > 0, ln⁡(ex)=x\quad \ln(e^x) = x, eln⁡y=y\quad e^{\ln y} = y

3.4 Dérivée

Théorème. La fonction exp⁡\exp est dérivable sur R\mathbb{R} et exp⁡′=exp⁡\exp' = \exp : (ex)′=ex.(e^x)' = e^x.

Démonstration. ln⁡\ln est dérivable sur ]0;+∞[]0;+\infty[, strictement monotone, et sa dérivée 1y\frac1y ne s'annule pas. D'après le théorème sur la dérivée d'une fonction réciproque (chapitre 2), exp⁡\exp est dérivable et exp⁡′(x)=1ln⁡′(exp⁡(x))=1  1exp⁡(x)  =exp⁡(x).\exp'(x) = \frac{1}{\ln'\big(\exp(x)\big)} = \frac{1}{\;\frac{1}{\exp(x)}\;} = \exp(x).

Conséquences. Comme ex>0e^x > 0, on retrouve que exp⁡\exp est strictement croissante. En dérivant plusieurs fois : la dérivée nn-ième de x↦exx \mapsto e^x est x↦exx \mapsto e^x. Enfin, x↦exx \mapsto e^x est une primitive d'elle-même sur R\mathbb{R}.

3.5 Limites et courbe

Propriété. lim⁡x→+∞ex=+∞lim⁡x→−∞ex=0lim⁡x→0ex−1x=1.\lim_{x\to+\infty} e^x = +\infty \qquad\qquad \lim_{x\to-\infty} e^x = 0 \qquad\qquad \lim_{x\to0} \frac{e^x - 1}{x} = 1.

Justification.

  • En +∞+\infty : pour tout réel A>0A > 0, ex>A  ⟺  x>ln⁡Ae^x > A \iff x > \ln A. Donc exe^x dépasse n'importe quel nombre dès que xx est assez grand.
  • En −∞-\infty : ex=1e−xe^x = \dfrac{1}{e^{-x}}, et e−x→+∞e^{-x} \to +\infty quand x→−∞x \to -\infty. Donc ex→0e^x \to 0.
  • En 00 : ex−1x=ex−e0x−0\dfrac{e^x - 1}{x} = \dfrac{e^x - e^0}{x - 0} tend vers le nombre dérivé exp⁡′(0)=e0=1\exp'(0) = e^0 = 1.

Conséquence graphique. L'axe des abscisses est asymptote horizontale à la courbe de exp⁡\exp en −∞-\infty.

xx −∞-\infty 00 11 +∞+\infty
(ex)′=ex(e^x)' = e^x ++ ++ ++
exe^x 00 ↗\nearrow 11 ↗\nearrow ee ↗\nearrow +∞+\infty

Tangente en 00. y=e0(x−0)+e0y = e^0(x - 0) + e^0, soit y=x+1y = x + 1.

Propriété. Pour tout réel xx, ex≥x+1e^x \geq x + 1.

Démonstration. Soit k(x)=ex−x−1k(x) = e^x - x - 1. On a k′(x)=ex−1k'(x) = e^x - 1, négatif pour x≤0x \leq 0 et positif pour x≥0x \geq 0. Donc kk admet un minimum en 00, égal à k(0)=0k(0) = 0, et k(x)≥0k(x) \geq 0 pour tout réel xx.

3.6 Équations et inéquations

Propriété. Pour tous réels aa et bb : ea=eb  ⟺  a=be^a = e^b \iff a = b, et ea<eb  ⟺  a<be^a < e^b \iff a < b. Pour tout réel k>0k > 0 : ex=k  ⟺  x=ln⁡ke^x = k \iff x = \ln k. Si k≤0k \leq 0, l'équation ex=ke^x = k n'a aucune solution.

Exemple 10. Résoudre e2x−3ex+2=0e^{2x} - 3e^x + 2 = 0.

On pose X=exX = e^x, avec X>0X > 0. Comme e2x=(ex)2e^{2x} = (e^x)^2, l'équation devient X2−3X+2=0X^2 - 3X + 2 = 0, dont les racines sont X=1X = 1 et X=2X = 2, toutes deux strictement positives.

  • ex=1  ⟺  x=0e^x = 1 \iff x = 0 ;
  • ex=2  ⟺  x=ln⁡2e^x = 2 \iff x = \ln 2.

Donc S={0 ;ln⁡2}S = \{0\,;\ln 2\}.

Exemple 11. Résoudre e3x−1>2e^{3x-1} > 2.

2=eln⁡22 = e^{\ln 2}, donc l'inéquation s'écrit e3x−1>eln⁡2e^{3x-1} > e^{\ln 2}, soit 3x−1>ln⁡23x - 1 > \ln 2, c'est-à-dire x>1+ln⁡23x > \dfrac{1 + \ln 2}{3}. Donc S=]1+ln⁡23;+∞[S = \left]\dfrac{1+\ln 2}{3};+\infty\right[.

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Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : calculer, résoudre
  • Exercice 6 : une fonction avec exp

Exercices du chapitre (PDF, 442 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 579 Ko)

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