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La fonction logarithme népérien
Le cours écrit
1.1 Une équation sans outil
Résolvons . La fonction exponentielle est continue (elle est dérivable, chapitre 7) et strictement croissante sur . Comme et , le théorème des valeurs intermédiaires (cas des fonctions continues strictement monotones, chapitre 7) donne une unique solution, comprise entre et . La calculatrice donne environ . Mais aucune des fonctions connues ne donne la valeur exacte : il faut une nouvelle fonction.
1.2 Définition
Propriété. Pour tout réel , l'équation admet une unique solution dans . Pour , elle n'en admet aucune.
Pourquoi. La fonction exponentielle est continue et strictement croissante sur , avec et (chapitre 4). Si , il existe donc un réel tel que et un réel tel que ; le théorème des valeurs intermédiaires appliqué sur donne une solution, et la stricte croissance empêche qu'il y en ait deux. Si , il n'y a pas de solution, car pour tout réel .
Définition. Pour tout réel , le logarithme népérien de , noté ou , est l'unique réel dont l'exponentielle vaut . La fonction est définie sur .
Le logarithme d'un nombre négatif ou nul n'existe pas.
1.3 Une fonction réciproque
La définition se traduit par une équivalence : pour tout réel et tout réel ,
On dit que la fonction est la fonction réciproque de la fonction exponentielle. L'exponentielle associe à chaque réel un nombre strictement positif, et chaque nombre strictement positif est atteint exactement une fois : c'est une bijection de sur . Le logarithme fait le chemin inverse, de vers .
1.4 Premières valeurs
| Exponentielle | Logarithme |
|---|---|
Pour les autres nombres, on utilise la touche « ln » de la calculatrice : , , .
1.5 Deux formules
Elles découlent directement de la définition :
- pour tout réel , ;
- pour tout réel , .
Appliquer l'une des deux fonctions puis l'autre ramène au point de départ. La première formule n'a de sens que pour .
1.6 Exemples
Exemple 1. ; ; , car .
Exemple 2. Résoudre . Comme , l'unique solution est . L'équation n'a aucune solution ; l'équation a pour solution .
Exemple 3. Résoudre , pour . Par l'équivalence de 1.3, . De même, .
Exemple 4. Résoudre . Comme : , donc .
Exercices 1 et 2
- Exercice 1 : premières valeurs, premières équations
- Exercice 2 : une vidéo qui circule
Corrigés
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