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Leçon 5

Signe, sens de variation et courbe

Le cours écrit

5.1 Signe

Propriété. Pour tout réel xx, ex>0\mathrm{e}^x > 0.

En effet, ex=(ex2)2\mathrm{e}^x = \left(\mathrm{e}^{\frac{x}{2}}\right)^2 : c'est un carré, donc il est positif ou nul. Et il n'est pas nul, car l'exponentielle ne s'annule jamais.

5.2 Sens de variation

Propriété. La fonction exponentielle est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

En effet, sa dérivée est elle-même, et elle est strictement positive.

xx −∞-\infty 00 11 +∞+\infty
exp⁡′(x)\exp'(x) ++ ++ ++
exp⁡\exp croissante 11 croissante e\mathrm{e} croissante

Les deux extrémités du tableau restent vides : le comportement à l'infini sera étudié en Terminale.

5.3 Courbe

La courbe de la fonction exponentielle :

  • passe par les points (0 ;1)(0\,;1) et (1 ;e)(1\,;\mathrm{e}) ;
  • reste au-dessus de l'axe des abscisses ; à gauche, elle s'en rapproche sans jamais le toucher ;
  • monte de plus en plus vite à droite : e10>20 000\mathrm{e}^{10} > 20\,000 ;
  • a pour tangente y=x+1y = x + 1 au point d'abscisse 00 ;
  • a pour tangente y=e xy = \mathrm{e}\,x au point d'abscisse 11, qui passe par l'origine du repère. En effet, cette tangente a pour équation y=e+e(x−1)=e xy = \mathrm{e} + \mathrm{e}(x - 1) = \mathrm{e}\,x.
xx −2-2 −1-1 00 11 22
ex\mathrm{e}^x (valeur approchée) 0,140{,}14 0,370{,}37 11 2,722{,}72 7,397{,}39

5.4 Comparer deux exponentielles

La fonction étant strictement croissante, pour tous réels aa et bb : ea=eb  ⟺  a=b,ea<eb  ⟺  a<b.\mathrm{e}^a = \mathrm{e}^b \iff a = b, \qquad \mathrm{e}^a < \mathrm{e}^b \iff a < b. En particulier, ex=1  ⟺  x=0\mathrm{e}^x = 1 \iff x = 0, et ex>1  ⟺  x>0\mathrm{e}^x > 1 \iff x > 0.

5.5 Résoudre

Exemple 14. e3x−1=ex+5  ⟺  3x−1=x+5  ⟺  x=3\mathrm{e}^{3x - 1} = \mathrm{e}^{x + 5} \iff 3x - 1 = x + 5 \iff x = 3.

Exemple 15. Comme 1=e01 = \mathrm{e}^0, on a e2x−6≥1  ⟺  2x−6≥0  ⟺  x≥3\mathrm{e}^{2x - 6} \geq 1 \iff 2x - 6 \geq 0 \iff x \geq 3.

Exemple 16. Résolvons e2x+ex−2=0\mathrm{e}^{2x} + \mathrm{e}^x - 2 = 0. On pose X=exX = \mathrm{e}^x, et l'équation devient X2+X−2=0X^2 + X - 2 = 0, de racines 11 et −2-2. L'équation ex=1\mathrm{e}^x = 1 donne x=0x = 0. L'équation ex=−2\mathrm{e}^x = -2 n'a pas de solution, car une exponentielle est strictement positive. La seule solution est 00.

Attention. Une équation comme ex=2\mathrm{e}^x = 2 a bien une solution, mais nos outils ne permettent pas de l'écrire exactement. On utilise alors une valeur approchée donnée (leçon 8).

5.6 Une inégalité à connaitre

Propriété. Pour tout réel xx, ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1. La courbe reste au-dessus de sa tangente au point d'abscisse 00.

Pourquoi ? Soit φ(x)=ex−x−1\varphi(x) = \mathrm{e}^x - x - 1. Alors φ′(x)=ex−1\varphi'(x) = \mathrm{e}^x - 1. La fonction exponentielle est strictement croissante et vaut 11 en 00 : φ′(x)\varphi'(x) est négatif avant 00 et positif après.

xx −∞-\infty 00 +∞+\infty
φ′(x)\varphi'(x) −- 00 ++
φ\varphi décroissante 00 croissante

Le minimum de φ\varphi vaut φ(0)=0\varphi(0) = 0. Donc φ(x)≥0\varphi(x) \geq 0 pour tout réel xx.

5.7 Une étude complète

Exemple 17. Soit f(x)=(x−1)exf(x) = (x - 1)\mathrm{e}^x. C'est un produit : f′(x)=1×ex+(x−1)ex=xex.f'(x) = 1 \times \mathrm{e}^x + (x - 1)\mathrm{e}^x = x\mathrm{e}^x. Comme ex>0\mathrm{e}^x > 0, f′(x)f'(x) a le signe de xx.

xx −∞-\infty 00 +∞+\infty
f′(x)f'(x) −- 00 ++
ff décroissante −1-1 croissante

Le minimum de ff vaut f(0)=−1f(0) = -1.

Automatisme. Dans une dérivée, on met ex\mathrm{e}^x en facteur : ce facteur est strictement positif, et le signe se lit sur ce qui reste.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : équations et inéquations
  • Exercice 10 : études de fonctions

Exercices du chapitre (PDF, 198 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 154 Ko)

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