Croissance exponentielle

Une rumeur qui se propage

Activité 1.1 — la propagation d’un secret

Une élève des Ursulines, Laura, connaît un secret le jour \(0\). Le jour \(1\), elle le confie à Diego. Ensuite, chaque jour, chaque personne déjà au courant le confie à une nouvelle personne : le nombre de personnes au courant double d’un jour à l’autre. Notons \(p_{n}\) le nombre de personnes qui connaissent le secret le jour \(n\).

  1. Complète le tableau (au jour \(0\), seule Laura sait : \(p_{0} = 1\)) :
\(n\) \(0\) \(1\) \(2\) \(3\) \(4\) \(5\) \(6\) \(7\) \(8\)
\(p_{n}\) \(1\) \(2\) \(4\) \(8\) \(16\) \(32\) \(64\) \(128\) \(256\)
  1. Pour passer d’un jour au suivant, tu multiplies toujours par le même nombre. Ce nombre est \(2\). On dit que la suite \((p_{n})\) est géométrique.

  2. Écris une formule qui donne \(p_{n}\) directement en fonction de \(n\) : \(p_{n} =\) \(2^{n}\)

  3. Grâce à cette formule, on répond sans tout calculer : il suffit de chercher le plus petit \(n\) tel que \(p_{n} = 2^{n}\) dépasse la population. Complète (à la calculatrice) :

Population Plus petite puissance qui dépasse Jour
École (\(\approx 1 \, 800\)) \(2^{11} = 2 \, 048\) \(11\)
Mons (\(\approx 96 \, 000\)) \(2^{17} = 131 \, 072\) \(17\)
Hainaut (\(\approx 1{,}34\) M) \(2^{21} \approx 2{,}1\) M \(21\)
Belgique (\(\approx 11{,}6\) M) \(2^{24} \approx 16{,}8\) M \(24\)
Terre (\(\approx 8\) milliards) \(2^{33} \approx 8{,}6\) G \(33\)

Remplace le mot « secret » par « virus » et tu comprends pourquoi un confinement, en empêchant chaque personne d’en contaminer d’autres, freine une épidémie : il suffit d’un peu plus d’un mois pour que la Terre entière soit atteinte. Cette suite grandit de plus en plus vite : c’est le comportement typique de la croissance exponentielle.

Représentons les premiers termes dans un repère :

La propagation : chaque terme est le double du précédent.

Faire fructifier un capital : intérêts simples et composés

Tu déposes \(1000\) € sur un compte d’épargne à un taux annuel de \(10 \%\). Il existe deux façons de faire croître cet argent ; elles vont opposer deux comportements très différents.

Activité 1.2 — intérêts simples et intérêts composés

Intérêts simples — l’intérêt est calculé une seule fois, sur le montant de départ : \(10 \%\) de \(1000\) € \(= 100\) € par an. On ajoute donc toujours la même somme. Complète :

année \(0\) \(1\) \(2\) \(3\) \(4\) \(5\)
€ \(1000\) \(1100\) \(1200\) \(1300\) \(1400\) \(1500\)

Formule : \(C_{n} =\) \(1000 + 100 n\)

Intérêts composés — l’intérêt est recalculé chaque année, sur le capital de l’année précédente. Cherchons d’abord un raccourci : augmenter une somme \(C\) de \(10 \%\), c’est calculer \(C + \frac{10}{100} \cdot C = C \cdot (1 + \class{rep}{0{,}1}) = \class{rep}{1{,}1} \cdot C\). Autrement dit, augmenter de \(10 \%\) revient à multiplier par \(1{,}1\). Utilise ce raccourci (montants arrondis à l’euro) :

année \(0\) \(1\) \(2\) \(3\) \(4\) \(5\)
€ \(1000\) \(1100\) \(1210\) \(1331\) \(1464\) \(1611\)

Formule : \(C_{n} =\) \(1000 \cdot 1{,}1^{n}\)

  1. Qu’est-ce qui distingue les deux façons de passer d’une année à la suivante ?

Aux intérêts simples, on ajoute toujours \(+100\) (différence constante). Aux intérêts composés, on multiplie toujours par \(1{,}1\) (rapport constant).

Représentons les deux capitaux :

Intérêts simples : points alignés.

Intérêts composés : la courbe s’incurve vers le haut.

Ces deux situations opposent les deux comportements fondamentaux :

Différence constante. On passe d’un terme au suivant en ajoutant toujours le même nombre (\(+100\)). Croissance régulière, « comme une droite » : c’est une croissance affine.

Rapport constant. On passe d’un terme au suivant en multipliant toujours par le même nombre (\(\times 1{,}1\)). Croissance qui s’emballe : c’est une croissance exponentielle.

Traduire un pourcentage en coefficient multiplicateur. Ce raccourci est essentiel pour tout le chapitre. Complète :

Variation Coefficient multiplicateur
augmentation de \(20 \%\) \(\times 1{,}20\)
augmentation de \(5 \%\) \(\times 1{,}05\)
diminution de \(15 \%\) \(\times 0{,}85\)
diminution de \(3 \%\) \(\times 0{,}97\)

L’invariant d’une croissance exponentielle

Nos situations — le secret, les intérêts composés, bientôt la batterie — ont toutes le même moteur : d’un pas au suivant, on multiplie par un nombre fixe. Cherchons la propriété qui capture ce comportement, celle qu’on gardera plus tard comme définition.

Qu’est-ce qu’un invariant ? En mathématiques, un invariant est une quantité ou une relation qui reste la même quand une autre grandeur change.

Reprenons le secret, où \(p_{n} = 2^{n}\). Regardons ce qui se passe quand on avance de \(m\) jours à partir du jour \(n\).

Activité 1.3 — le rapport ne dépend que de l’écart

On travaille avec \(p_{n} = 2^{n}\). Complète le tableau des rapports \(p_{n+m} / p_{n}\) pour différents jours de départ \(n\) et différents écarts \(m\) :

départ \(n = 1\) départ \(n = 3\) départ \(n = 5\) ce rapport…
écart \(m = 1\) : \(p_{n+1} / p_{n}\) \(2\) \(2\) \(2\) \(= 2^{1}\)
écart \(m = 2\) : \(p_{n+2} / p_{n}\) \(4\) \(4\) \(4\) \(= 2^{2}\)
écart \(m = 3\) : \(p_{n+3} / p_{n}\) \(8\) \(8\) \(8\) \(= 2^{3}\)
  1. Pour un écart \(m\) fixé, le rapport \(p_{n+m} / p_{n}\) dépend-il du jour de départ \(n\) ? Non, il ne dépend que de l’écart \(m\).

  2. Quelle valeur prend ce rapport ? \(p_{n+m} / p_{n} =\) \(2^{m}\), autrement dit \(p_{n+m} = p_{n} \cdot \class{rep}{2^{m} = p_{m}}\).

Voilà l’invariant : le rapport entre deux valeurs ne dépend que de l’écart entre les positions, jamais de l’endroit où l’on part. Pour une fonction \(f\) à croissance exponentielle, on l’écrit

\[ f(x + y) = f(x) \cdot f(y). \]

Cette relation dit qu’une telle fonction transforme une somme en un produit : la somme \(x + y\) des positions devient le produit \(f(x) \cdot f(y)\) des valeurs. Ce n’est rien d’autre que la règle des exposants \(a^{x+x'} = a^{x} \cdot a^{x'}\) — que tu connais pour les entiers. Une fonction exponentielle sera une fonction qui va garder cette propriété des exposants entiers.

Définition 1.1 — croissance exponentielle

Une fonction \(f\) a une croissance exponentielle lorsqu’elle vérifie:

\[ \forall x,x' \in \mathbb{R}, f(x + x') = f(x) \cdot f(x'). \]

Autrement dit : elle transforme une somme en un produit.

Remarque 1.1

Autre façon de le dire : quand les positions avancent par pas égaux (suite arithmétique), les valeurs sont multipliées par un facteur constant (suite géométrique).