Aller au contenu

Leçon 7

Résoudre des problèmes

Vidéo 7 : Résoudre des problèmes avec le logarithme · 3 min 20 s · sous-titres en français

Le cours écrit

7.1 Seuils

Le logarithme fait « descendre » un exposant : pour tout réel q>0q > 0 et tout entier nn, ln⁡(qn)=nln⁡q\ln\left(q^n\right) = n\ln q. Pour résoudre qn>Aq^n > A (avec A>0A > 0), on prend le logarithme des deux membres, ce qui garde le sens de l'inégalité car ln⁡\ln est croissante : qn>A  ⟺  nln⁡q>ln⁡A.q^n > A \iff n\ln q > \ln A. Puis on divise par ln⁡q\ln q :

  • si q>1q > 1, ln⁡q>0\ln q > 0 et n>ln⁡Aln⁡qn > \dfrac{\ln A}{\ln q} ;
  • si 0<q<10 < q < 1, ln⁡q<0\ln q < 0 : le sens de l'inégalité change, n<ln⁡Aln⁡qn < \dfrac{\ln A}{\ln q}.

7.2 Retour sur le chapitre 2

Au chapitre 2, les seuils étaient trouvés par un algorithme. Le logarithme donne maintenant le résultat par le calcul.

Exemple 27 (le capital qui double). Un capital de 10001000 € est placé à 3 %3\,\% par an : un=1000×1,03nu_n = 1000 \times 1{,}03^n. Il dépasse 20002000 € quand 1,03n>21{,}03^n > 2, c'est-à-dire nln⁡1,03>ln⁡2n\ln 1{,}03 > \ln 2. Comme ln⁡1,03>0\ln 1{,}03 > 0 : n>ln⁡2ln⁡1,03≈23,45.n > \frac{\ln 2}{\ln 1{,}03} \approx 23{,}45. Le plus petit entier qui convient est n=24n = 24 : c'est le résultat de l'algorithme du chapitre 2.

Exemple 28 (les vélos en libre-service). Au chapitre 2, le nombre d'abonnés au bout de nn mois est un=3000−1000×0,85nu_n = 3000 - 1000 \times 0{,}85^n, et un>2900  ⟺  0,85n<0,1u_n > 2900 \iff 0{,}85^n < 0{,}1. On prend le logarithme : nln⁡0,85<ln⁡0,1n\ln 0{,}85 < \ln 0{,}1. Comme ln⁡0,85<0\ln 0{,}85 < 0, on divise en changeant le sens : n>ln⁡0,1ln⁡0,85≈14,17.n > \frac{\ln 0{,}1}{\ln 0{,}85} \approx 14{,}17. Le plus petit entier est n=15n = 15, comme avec l'algorithme : 1515 mois.

7.3 Temps de doublement

Le résultat de l'exemple 27 ne dépend pas du capital de départ : avec 500500 € ou 10 00010\,000 €, il faut aussi 2424 ans pour doubler. Pour une quantité qui augmente de t %t\,\% par période, le temps de doublement est le plus petit entier nn tel que (1+t100)n≥2\left(1 + \frac{t}{100}\right)^n \geq 2.

Pour un modèle continu f(t)=C ektf(t) = C\,\mathrm{e}^{kt} avec C>0C > 0 et k>0k > 0, la quantité double au bout du temps TT tel que ekT=2\mathrm{e}^{kT} = 2, soit T=ln⁡2k.T = \frac{\ln 2}{k}.

Exemple 29. Dans un laboratoire, une culture de bactéries compte N(t)=500 e0,35tN(t) = 500\,\mathrm{e}^{0{,}35t} bactéries au bout de tt heures. Son temps de doublement est T=ln⁡20,35≈1,98T = \dfrac{\ln 2}{0{,}35} \approx 1{,}98 heure, soit environ 11 h 5959 min.

7.4 Décroissance exponentielle et demi-vie

Une quantité qui suit le modèle N(t)=N0 e−λtN(t) = N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t}, avec N0>0N_0 > 0 et λ>0\lambda > 0, diminue de moitié au bout du temps TT tel que e−λT=12\mathrm{e}^{-\lambda T} = \frac12. On prend le logarithme : −λT=ln⁡(12)=−ln⁡2-\lambda T = \ln\left(\frac12\right) = -\ln 2, donc T=ln⁡2λ.T = \frac{\ln 2}{\lambda}. Ce temps s'appelle la demi-vie. Il ne dépend pas de la quantité de départ : au bout de TT, il reste la moitié ; au bout de 2T2T, le quart ; au bout de nTnT, N02n\dfrac{N_0}{2^n}.

7.5 Dater un objet ancien

Exemple 30 (datation au carbone 14). Un organisme vivant contient du carbone 14, qui disparaît peu à peu après sa mort selon le modèle N(t)=N0 e−λtN(t) = N_0\,\mathrm{e}^{-\lambda t} (tt en années). La demi-vie du carbone 14 est d'environ 57305730 ans.

  • λ=ln⁡25730≈0,000 121\lambda = \dfrac{\ln 2}{5730} \approx 0{,}000\,121 par an.
  • Un morceau de bois trouvé lors de fouilles ne contient plus que 40 %40\,\% de son carbone 14 initial. On cherche tt tel que e−λt=0,4\mathrm{e}^{-\lambda t} = 0{,}4 : −λt=ln⁡0,4-\lambda t = \ln 0{,}4, donc t=−ln⁡0,4λ=5730×ln⁡2,5ln⁡2≈7575.t = -\frac{\ln 0{,}4}{\lambda} = \frac{5730 \times \ln 2{,}5}{\ln 2} \approx 7575. Le bois a environ 76007600 ans.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 13 et 14

  • Exercice 13 : trois seuils
  • Exercice 14 : la pression en montagne

Exercices du chapitre (PDF, 141 Ko)

Corrigés

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

Corrigés du chapitre (PDF, 164 Ko)

Tu es hors connexion. Les chapitres téléchargés restent disponibles dans Hors connexion.