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Leçon 2

Étude de la fonction logarithme népérien

Vidéo 2 : Étude de la fonction logarithme népérien · 3 min 53 s · sous-titres en français

Le cours écrit

2.1 Limites aux bornes

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

Justification.

  • En +∞+\infty : ln⁡2>0\ln 2 > 0, et ln⁡(2n)=nln⁡2\ln(2^n) = n\ln 2 devient aussi grand qu'on veut quand l'entier nn grandit. Comme ln⁡\ln est croissante, ln⁡x\ln x dépasse n'importe quel nombre dès que xx est assez grand.
  • En 0+0^+ : pour x>0x > 0, ln⁡x=−ln⁡1x\ln x = -\ln\dfrac1x. Quand x→0+x \to 0^+, 1x→+∞\dfrac1x \to +\infty, donc ln⁡1x→+∞\ln\dfrac1x \to +\infty et ln⁡x→−∞\ln x \to -\infty.

Conséquence graphique. L'axe des ordonnées (la droite x=0x = 0) est asymptote verticale à la courbe de ln⁡\ln.

Outil : le changement de variable (admis). Si X=u(x)X = u(x) tend vers bb quand xx tend vers aa, et si g(X)g(X) tend vers ℓ\ell quand XX tend vers bb, alors g(u(x))g\big(u(x)\big) tend vers ℓ\ell (aa, bb, ℓ\ell réels ou infinis). C'est le théorème de la limite d'une composée du chapitre 1, sous sa forme générale. On l'utilise sous la forme « on pose X=…X = \dots ».

2.2 Le nombre ee

La fonction ln⁡\ln est continue et strictement croissante sur ]0;+∞[]0;+\infty[, avec des limites −∞-\infty et +∞+\infty aux bornes. D'après le théorème de la bijection (chapitre 1), ln⁡\ln est une bijection de ]0;+∞[]0;+\infty[ sur R\mathbb{R} : pour tout réel kk, l'équation ln⁡x=k\ln x = k a une unique solution dans ]0;+∞[]0;+\infty[.

Définition. On note ee l'unique réel tel que ln⁡e=1\ln e = 1. On a e≈2,718e \approx 2{,}718.

Conséquences. ln⁡(en)=nln⁡e=n\ln(e^n) = n\ln e = n pour tout entier relatif nn, et ln⁡e=12\ln\sqrt e = \frac12.

Exemple. ln⁡x<1  ⟺  ln⁡x<ln⁡e  ⟺  0<x<e\ln x < 1 \iff \ln x < \ln e \iff 0 < x < e. Et ln⁡x=2  ⟺  ln⁡x=ln⁡(e2)  ⟺  x=e2\ln x = 2 \iff \ln x = \ln(e^2) \iff x = e^2.

2.3 Courbe représentative

xx 00 11 ee +∞+\infty
ln⁡′(x)=1x\ln'(x) = \frac1x ++ ++ ++
ln⁡x\ln x −∞-\infty ↗\nearrow 00 ↗\nearrow 11 ↗\nearrow +∞+\infty

Deux tangentes à connaître.

  • Au point d'abscisse 11 : y=ln⁡′(1)(x−1)+ln⁡1y = \ln'(1)(x - 1) + \ln 1, soit y=x−1y = x - 1.
  • Au point d'abscisse ee : y=1e(x−e)+1y = \frac1e(x - e) + 1, soit y=xey = \dfrac{x}{e}. Cette tangente passe par l'origine.

Propriété. Pour tout x>0x > 0, ln⁡x≤x−1\ln x \leq x - 1 : la courbe de ln⁡\ln est au-dessous de sa tangente en 11.

Démonstration. Soit h(x)=x−1−ln⁡xh(x) = x - 1 - \ln x sur ]0;+∞[]0;+\infty[. On a h′(x)=1−1x=x−1xh'(x) = 1 - \frac1x = \frac{x-1}{x}, négatif sur ]0;1]]0;1] et positif sur [1;+∞[[1;+\infty[. La fonction hh admet donc un minimum en 11, égal à h(1)=0h(1) = 0. Ainsi h(x)≥0h(x) \geq 0 pour tout x>0x > 0.

2.4 Limites usuelles

Théorème. lim⁡x→+∞ln⁡xx=0lim⁡x→0+xln⁡x=0lim⁡x→0ln⁡(1+x)x=1.\lim_{x\to+\infty} \frac{\ln x}{x} = 0 \qquad\qquad \lim_{x\to0^+} x\ln x = 0 \qquad\qquad \lim_{x\to0} \frac{\ln(1+x)}{x} = 1.

Démonstrations.

  • En +∞+\infty. On applique ln⁡t≤t−1<t\ln t \leq t - 1 < t à t=xt = \sqrt x : ln⁡x<x\ln\sqrt x < \sqrt x, soit 12ln⁡x<x\frac12\ln x < \sqrt x, donc ln⁡x<2x\ln x < 2\sqrt x pour tout x>0x > 0. Pour x>1x > 1, on a donc 0<ln⁡xx<2xx=2x.0 < \frac{\ln x}{x} < \frac{2\sqrt x}{x} = \frac{2}{\sqrt x}. Comme 2x→0\frac{2}{\sqrt x} \to 0, le théorème des gendarmes donne ln⁡xx→0\frac{\ln x}{x} \to 0.
  • En 0+0^+. On pose X=1xX = \frac1x, qui tend vers +∞+\infty quand x→0+x \to 0^+. Alors xln⁡x=1X×(−ln⁡X)=−ln⁡XX→0x\ln x = \frac1X \times(-\ln X) = -\frac{\ln X}{X} \to 0.
  • En 00. ln⁡(1+x)x=ln⁡(1+x)−ln⁡1x\dfrac{\ln(1+x)}{x} = \dfrac{\ln(1+x) - \ln 1}{x} est le taux d'accroissement de ln⁡\ln entre 11 et 1+x1+x. Sa limite est le nombre dérivé ln⁡′(1)=1\ln'(1) = 1.

À retenir. En +∞+\infty, « xx l'emporte sur ln⁡x\ln x ». Plus généralement, pour tout entier n≥1n \geq 1 : lim⁡x→+∞ln⁡xxn=0etlim⁡x→0+xnln⁡x=0,\lim_{x\to+\infty} \frac{\ln x}{x^n} = 0 \qquad \text{et} \qquad \lim_{x\to0^+} x^n\ln x = 0, car ln⁡xxn=ln⁡xx×1xn−1\dfrac{\ln x}{x^n} = \dfrac{\ln x}{x} \times \dfrac{1}{x^{n-1}} et xnln⁡x=xn−1×xln⁡xx^n\ln x = x^{n-1} \times x\ln x. La leçon 5 étend ces résultats aux exposants rationnels.

Exemple 5. Calculer lim⁡x→+∞(x−ln⁡x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty} (x - \ln x).

C'est une forme ∞−∞\infty - \infty. On factorise par le terme qui l'emporte : x−ln⁡x=x(1−ln⁡xx)x - \ln x = x\left(1 - \dfrac{\ln x}{x}\right). Comme ln⁡xx→0\dfrac{\ln x}{x} \to 0, la parenthèse tend vers 11, et la limite vaut +∞+\infty.

Exemple 6. Calculer lim⁡x→0ln⁡(1+2x)x\displaystyle\lim_{x\to0} \frac{\ln(1+2x)}{x}.

On écrit ln⁡(1+2x)x=2×ln⁡(1+2x)2x\dfrac{\ln(1+2x)}{x} = 2 \times \dfrac{\ln(1+2x)}{2x}. On pose X=2xX = 2x, qui tend vers 00 : ln⁡(1+X)X→1\dfrac{\ln(1+X)}{X} \to 1. La limite vaut donc 22.

Branche infinie. Comme ln⁡xx→0\frac{\ln x}{x} \to 0, la courbe de ln⁡\ln admet en +∞+\infty une branche parabolique de direction l'axe (Ox)(Ox) (méthode du chapitre 1) : elle monte, mais de plus en plus lentement.

2.5 Dérivée de ln⁡u\ln u et primitives de u′u\frac{u'}{u}

Propriété. Soit uu une fonction dérivable sur un intervalle II.

  • Si u>0u > 0 sur II, alors ln⁡u\ln u est dérivable sur II et (ln⁡u)′=u′u(\ln u)' = \dfrac{u'}{u}.
  • Si uu ne s'annule pas sur II, alors ln⁡∣u∣\ln|u| est dérivable sur II et (ln⁡∣u∣)′=u′u(\ln|u|)' = \dfrac{u'}{u}.

Justification du second point quand u<0u < 0 : ln⁡∣u∣=ln⁡(−u)\ln|u| = \ln(-u), de dérivée −u′−u=u′u\dfrac{-u'}{-u} = \dfrac{u'}{u}. En particulier, x↦ln⁡∣x∣x \mapsto \ln|x| a pour dérivée 1x\frac1x sur ]−∞;0[]-\infty;0[ comme sur ]0;+∞[]0;+\infty[.

Primitives. Si uu est dérivable sur II, de dérivée continue, et ne s'annule pas sur II, les primitives de u′u\dfrac{u'}{u} sur II sont les fonctions x↦ln⁡∣u(x)∣+C,C∈R.x \mapsto \ln|u(x)| + C, \qquad C \in \mathbb{R}.

Exemple 7. Une primitive de f(x)=xx2+1f(x) = \dfrac{x}{x^2+1} sur R\mathbb{R}.

On fait apparaître u′u' : avec u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1, u′(x)=2xu'(x) = 2x, et f=12×u′uf = \dfrac12 \times \dfrac{u'}{u}. Comme u>0u > 0, une primitive est F(x)=12ln⁡(x2+1)F(x) = \dfrac12\ln(x^2+1).

Exemple 8. Sur ]−π2;π2[\left]-\frac\pi2;\frac\pi2\right[, tan⁡x=sin⁡xcos⁡x=−(cos⁡x)′cos⁡x\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x} = -\dfrac{(\cos x)'}{\cos x}, avec cos⁡x>0\cos x > 0. Une primitive de tan⁡\tan est x↦−ln⁡(cos⁡x)x \mapsto -\ln(\cos x).

Sur ]1;+∞[]1;+\infty[, 1xln⁡x=1xln⁡x=u′u\dfrac{1}{x\ln x} = \dfrac{\frac1x}{\ln x} = \dfrac{u'}{u} avec u=ln⁡x>0u = \ln x > 0. Une primitive est x↦ln⁡(ln⁡x)x \mapsto \ln(\ln x).

2.6 Exemple d'étude

Exemple 9. Étudier f(x)=ln⁡xxf(x) = \dfrac{\ln x}{x} sur ]0;+∞[]0;+\infty[.

Limites. En 0+0^+ : ln⁡x→−∞\ln x \to -\infty et 1x→+∞\frac1x \to +\infty, donc f(x)→−∞f(x) \to -\infty (ce n'est pas une forme indéterminée). L'axe des ordonnées est asymptote verticale. En +∞+\infty : f(x)→0f(x) \to 0 (limite usuelle). L'axe des abscisses est asymptote horizontale.

Dérivée. f′(x)=1x×x−ln⁡x×1x2=1−ln⁡xx2f'(x) = \dfrac{\frac1x \times x - \ln x \times 1}{x^2} = \dfrac{1 - \ln x}{x^2}, du signe de 1−ln⁡x1 - \ln x : positive sur ]0;e[]0;e[, négative sur ]e;+∞[]e;+\infty[.

Variations. ff est croissante sur ]0;e]]0;e], décroissante sur [e;+∞[[e;+\infty[, avec un maximum f(e)=1e≈0,37f(e) = \dfrac1e \approx 0{,}37.

Signe. f(x)f(x) a le signe de ln⁡x\ln x : la courbe coupe l'axe des abscisses au point (1 ;0)(1\,;0).

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 3 et 4

  • Exercice 3 : limites avec ln
  • Exercice 4 : dérivées, primitives et étude d'une fonction

Exercices du chapitre (PDF, 442 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 579 Ko)

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