L’essentiel

Définitions et propriétés du cours, pour s’y retrouver

ImportantÀ lire avant d’utiliser cette page

Cette page rassemble les énoncés du cours, sans les activités qui leur donnent du sens, sans les justifications, les exemples ni les méthodes vues en classe. Connaître ces énoncés ne suffit pas : l’essentiel, c’est de savoir les utiliser, et cela s’apprend avec les exemples et les exercices.

Sers-t’en pour retrouver un énoncé ou vérifier que tu peux le redire sans regarder, puis retourne au cours (lien « dans le cours » sous chaque encadré) et aux exercices.

Chapitre 1 — Fonctions exponentielles

Croissance exponentielle

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.

Construire une fonction exponentielle

Définition 1.2 — fonction strictement monotone

Une fonction \(f\) est strictement monotone sur son domaine si elle est, soit strictement croissante, soit strictement décroissante.

Définition de la fonction exponentielle

Définition 1.3 — fonction exponentielle de base \(a\)

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). La fonction exponentielle de base \(a\) est l’unique fonction \(f\) qui vérifie les deux conditions suivantes :

  • \(\forall x,x' \in \mathbb{R}, f(x+x')=f(x)f(x')\). Autrement dit \(f\) prolonge les puissances rationnelles de base \(a\) ;
  • \(f\) est strictement monotone.

Son expression analytique est notée \(f(x) = a^{x}\).

Propriété 1.1 — règles de calcul

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Alors, pour tous réels \(m, p\) :

  • \(a^{0} = 1\)

  • \(a^{m + p} = a^{m} \cdot a^{p}\)

  • \(a^{-p} = \frac{1}{a^{p}}\)

  • \((a^{m})^{p} = a^{m p}\)

  • \(\frac{a^{m}}{a^{p}} = a^{m - p}\)

Propriétés et caractéristiques graphiques

Propriété 1.2 — caractéristiques de \(f(x) = a^{x}\)

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\) et \(f(x) = a^{x}\).

  • \(\operatorname{dom} f =\) \(\mathbb{R}\)

  • \(\operatorname{im} f =\) \(\mathbb{R}^{> 0}\)

  • racine(s) : aucune

  • \(G_{f} \cap \text{axe } y\) : \((0, 1)\)

  • \(G_{f} \cap \text{axe } x\) : aucun point

  • points sûrs : \((0, 1)\) et \((1, a)\)

  • concavité : tournée vers le haut

  • asymptote : horizontale \(y = 0\)

si \(a > 1\)

  • \(f\) est strictement croissante
  • \(\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) =\) \(+\infty\)
  • \(\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) =\) \(0\)
  • \(\text{AH}_{-\infty}\) : \(y = 0\)

si \(0 < a < 1\)

  • \(f\) est strictement décroissante
  • \(\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) =\) \(0\)
  • \(\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) =\) \(+\infty\)
  • \(\text{AH}_{+\infty} :\) \(y = 0\)

Propriété 1.3 — symétrie d’axe \(y\)

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Comme \((\frac{1}{a})^{x} = a^{-x}\), le graphique de \(f(x) = (\frac{1}{a})^{x}\) est le symétrique de celui de \(g(x) = a^{x}\) par rapport à l’axe \(y\).

Multiples d’une fonction exponentielle

Définition 1.4 — multiple d’une exponentielle

Un multiple d’une fonction exponentielle est une fonction d’expression

\[ f(x) = k \cdot a^{x}, \quad a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}, \quad k \in \mathbb{R} \setminus \{0\}. \]

Des graphes tous semblables : vers un représentant privilégié

Propriété 1.4 — changement de base

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Il existe un réel \(k\) tel que, pour tout réel \(x\),

\[ a^{x} = 2^{k x}. \]

On peut d’ailleurs remplacer \(2\) par n’importe quelle autre base de \(\mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\).

Le nombre \(e\) et l’exponentielle népérienne

Propriété 1.5 — dérivée d’une exponentielle

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). La fonction \(f(x) = a^{x}\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) tout entier, et

\[ f'(x) = f'(0) \cdot a^{x}. \]

Autrement dit, la dérivée d’une exponentielle est un multiple d’elle-même.

Définition 1.5 — le nombre \(e\)

Le nombre d’Euler, noté \(e\), est défini par

\[ e = \lim\limits_{h \to 0} (1 + h)^{1 / h} = 2{,}718 \, 281 \, 828 \ldots \]

Définition 1.6 — exponentielle népérienne

L’exponentielle népérienne est la fonction exponentielle de base \(e\) ; on la note \(\operatorname{exp}(x) = e^{x}\).

Résoudre des équations exponentielles simples

Propriété 1.6 — égaler les exposants

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Alors pour tous réels \(u, v\),

\[ a^{u} = a^{v} \quad \Longleftrightarrow \quad u = v. \]

En particulier, pour deux fonctions \(f\) et \(g\), \(a^{f(x)} = a^{g(x)} \Longleftrightarrow f(x) = g(x)\).

Chapitre 2 — Fonctions logarithmiques

Du problème \(e^{x} = 3\) au logarithme

Propriété 2.1 — les deux compositions et leur domaine

Les identités suivantes sont vraies:

  • \(\ln(e^{x}) = x\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\);
  • \(e^{\ln(x)} = x\) pour \(x \in \mathbb{R}^{>0}\).

Définition du logarithme de base \(a\)

Définition 2.1 — logarithme de base \(a\)

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Le logarithme de base \(a\), noté \(\log_{a}\), est la fonction réciproque de l’exponentielle de base \(a\) : pour tout \(x \in \mathbb{R}^{>0}\) et pour tout \(y \in \mathbb{R}\),

\[ \log_{a} (x) = y \quad \Longleftrightarrow \quad a^{y} = x. \]

Son domaine est \(\mathbb{R}^{> 0}\) : on ne prend le logarithme que d’un nombre strictement positif.

Propriété 2.2 — réciprocité et valeurs remarquables

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Alors :

  • \(\log_{a} (a^{x}) = x\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\), et \(a^{\log_{a} (x)} = x\) pour tout \(x > 0\) ;
  • \(\log_{a} (1) = 0\) (car \(a^{0} = 1\)) ; \(\log_{a} (a) = 1\) (car \(a^{1} = a\)).

Propriétés graphiques, par déduction

Propriété 2.3 — caractéristiques de \(f(x) = \log_{a} (x)\)

Déduites ci-dessus, on les rassemble. Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\).

  • \(\operatorname{dom} f = \mathbb{R}^{> 0}\), \(\operatorname{im} f = \mathbb{R}\)

  • racine : \(x = 1\) ; \(G_{f} \cap \text{axe } x = (1, 0)\)

  • \(G_{f} \cap \text{axe } y = \emptyset\)

  • points sûrs : \((1, 0)\) et \((a, 1)\)

  • asymptote verticale \(x = 0\) ; pas d’asymptote horizontale

  • pas d’ordonnée à l’origine (\(0 \notin \operatorname{dom} f\)) ; pas de point d’inflexion

si \(a > 1\) : strictement croissante, concave ; \(\lim\limits_{x \to 0} = -\infty\), \(\lim\limits_{x \to +\infty} = +\infty\).

si \(0 < a < 1\) : strictement décroissante, convexe ; \(\lim\limits_{x \to 0} = +\infty\), \(\lim\limits_{x \to +\infty} = -\infty\).

Propriété 2.4 — symétrie d’axe \(x\)

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Comme \((\frac{1}{a})^{y} = x \Longleftrightarrow a^{-y} = x\), on a

\[ \log_{1/a} (x) = - \log_{a} (x). \]

Le graphique de \(\log_{1/a}\) est donc le symétrique de celui de \(\log_{a}\) par rapport à l’axe \(x\).

Propriétés algébriques, à découvrir

Propriété 2.5 — logarithme d’un produit

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\) et \(x, y \in \mathbb{R}^{> 0}\). Alors

\[ \log_{a} (x y) = \log_{a} (x) + \log_{a} (y). \]

(Établie à l’activité ci-dessus.) Le logarithme transforme un produit en une somme — exact miroir de l’exponentielle, qui transforme une somme en un produit.

Propriété 2.6 — logarithme d’un quotient

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\) et \(x, y \in \mathbb{R}^{> 0}\). Alors

\[ \log_{a} (\frac{x}{y}) = \log_{a} (x) - \log_{a} (y). \]

Propriété 2.7 — logarithme d’une puissance

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\), \(x \in \mathbb{R}^{> 0}\) et \(p \in \mathbb{R}\). Alors

\[ \log_{a} (x^{p}) = p \cdot \log_{a} (x). \]

Propriété 2.8 — changement de base

Soit \(a, b \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\) et \(x \in \mathbb{R}^{> 0}\). Alors

\[ \log_{a} (x) = \frac{\log_{b} (x)}{\log_{b} (a)}. \]

En particulier, avec la calculatrice : \(\log_{a} (x) = \frac{\ln x}{\ln a} = \frac{\log x}{\log a}\).

Chapitre 3 — Dérivées et limites

Dériver l’exponentielle

Propriété 3.1 — dérivée de l’exponentielle népérienne

La fonction \(e^{x}\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et égale à sa propre dérivée :

\[ (e^{x})' = e^{x}. \]

C’est la seule fonction (à un facteur multiplicatif près) qui possède cette propriété.

Propriété 3.2 — dérivée d’une exponentielle composée

Si \(u\) est dérivable, alors

\[ (e^{u(x)})' = u'(x) \cdot e^{u(x)}. \]

On dérive l’exposant et on recopie l’exponentielle.

Propriété 3.3 — dérivée d’une exponentielle de base \(a\)

Soit \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\). Alors \(a^{x}\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et

\[ (a^{x})' = a^{x} \cdot \ln a, \quad \text{et plus généralement} \quad (a^{u(x)})' = u'(x) \cdot a^{u(x)} \cdot \ln a. \]

La constante \(\ln a\) mesure exactement la pente \(f'(0)\) laissée en suspens au chapitre 1.

Dériver le logarithme

Propriété 3.4 — dérivée du logarithme népérien

La fonction \(\ln\) est dérivable sur \(\mathbb{R}^{> 0}\) et

\[ (\ln x)' = \frac{1}{x}. \]

Propriété 3.5 — logarithme composé, et base quelconque

Si \(u\) est dérivable et strictement positive,

\[ (\ln(u(x)))' = \frac{u'(x)}{u(x)}. \]

Pour une base \(a \in \mathbb{R}^{> 0} \setminus \{1\}\), le changement de base \(\log_{a} (x) = \frac{\ln x}{\ln a}\) donne aussitôt

\[ (\log_{a} (x))' = \frac{1}{x \ln a}. \]

Limites de base

Propriété 3.6 — limites de référence

Exponentielle, \(a > 1\) : \(\lim\limits_{x \to +\infty} a^{x} = +\infty\), \(\lim\limits_{x \to -\infty} a^{x} = 0\). Logarithme, \(a > 1\) : \(\lim\limits_{x \to 0^{+}} \log_{a} x = -\infty\), \(\lim\limits_{x \to +\infty} \log_{a} x = +\infty\).

Exponentielle, \(0 < a < 1\) : \(\lim\limits_{x \to +\infty} a^{x} = 0\), \(\lim\limits_{x \to -\infty} a^{x} = +\infty\). Logarithme, \(0 < a < 1\) : \(\lim\limits_{x \to 0^{+}} \log_{a} x = +\infty\), \(\lim\limits_{x \to +\infty} \log_{a} x = -\infty\).

Croissance comparée et théorème de l’Hospital

Propriété 3.7 — théorème de l’Hospital

Soit \(f\) et \(g\) deux fonctions dérivables et \(a \in \mathbb{R} \cup \{+\infty, -\infty\}\). On suppose que \(f / g\) présente en \(a\) une forme indéterminée, c’est-à-dire :

  • soit \(\lim\limits_{x \to a} f(x) = 0\) et \(\lim\limits_{x \to a} g(x) = 0\) (forme \(\frac{0}{0}\)) ;
  • soit \(\lim\limits_{x \to a} g(x) = \pm \infty\) (forme \(\frac{\infty}{\infty}\)).

On suppose de plus que \(g'\) ne s’annule qu’en un nombre fini de points au voisinage de \(a\) — de sorte que le quotient \(f' / g'\) ait bien un sens près de \(a\). Alors, à condition que la limite de droite existe,

\[ \lim\limits_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim\limits_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)}. \]

Chapitre 4 — Échelles logarithmiques

Repère semi-logarithmique : la signature de l’exponentielle

Propriété 4.1 — semi-log : droite \(\Longleftrightarrow\) exponentielle

Soit \(y = C \cdot a^{x}\) avec \(C > 0\) et \(a > 0\). En prenant le logarithme décimal des deux membres :

\[ \log y = \log(C \cdot a^{x}) = \log C + \log(a^{x}) = \underbrace{(\log a)}_{\text{pente}} \cdot x + \underbrace{(\log C)}_{\text{ord. à l'origine}}. \]

La quantité \(\log y\) est donc une fonction affine de \(x\). Sur un repère semi-logarithmique (où l’axe vertical porte \(\log y\)), le graphique de \(y = C \cdot a^{x}\) est une droite :

  • sa pente vaut \(\log a\) (on en déduit la base \(a = 10^{\text{pente}}\)) ;
  • son ordonnée à l’origine vaut \(\log C\) (on en déduit \(C = 10^{\text{ord.}}\)).

Réciproquement, si des données s’alignent sur un repère semi-log, elles suivent un modèle exponentiel.

Repère log-log : la signature d’une puissance

Propriété 4.2 — log-log : droite \(\Longleftrightarrow\) puissance

Soit \(y = C \cdot x^{p}\) avec \(C > 0\) et \(x > 0\). En prenant le logarithme décimal des deux membres :

\[ \log y = \log(C \cdot x^{p}) = \log C + p \log x. \]

En posant \(Y = \log y\) et \(X = \log x\) (les positions sur les deux axes), on obtient

\[ Y = \underbrace{p}_{\text{pente}} \cdot X + \underbrace{(\log C)}_{\text{ord. à l'origine}} : \]

une relation affine entre \(\log x\) et \(\log y\). Sur un repère log-log, le graphique de \(y = C \cdot x^{p}\) est donc une droite :

  • sa pente vaut l’exposant \(p\) lui-même ;
  • son ordonnée à l’origine (position à \(x = 1\), car \(\log 1 = 0\)) vaut \(\log C\).

Réciproquement, des données alignées sur un repère log-log suivent une loi de puissance.