Fonction exponentielle

Etude de fonctions - Exercice 2

25 min
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Etudiez les variations des fonctions suivantes sur R\mathbb{R}
Question 1

f(x)=xexf\left(x\right)=xe^{-x}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=xu\left(x\right)=x et v(x)=exv\left(x\right)=e^{-x} .
Ainsi u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=exv'\left(x\right)=-e^{-x} .
Il vient alors que :
f(x)=ex+x(ex)f'\left(x\right)=e^{-x} +x\left(-e^{-x} \right)
f(x)=exxexf'\left(x\right)={\color{blue}{e^{-x}}} -x{\color{blue}{e^{-x}}}
f(x)=ex(1x)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{-x}}} \left(1-x\right)

Pour tout réel xx, on a ex>0e^{-x} >0.
1x0x1x11-x\ge 0\Leftrightarrow -x\ge -1\Leftrightarrow x\le 1
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 2

f(x)=(2x4)e2x+3f\left(x\right)=\left(2x-4\right)e^{2x+3}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=2x4u\left(x\right)=2x-4 et v(x)=e2x+3v\left(x\right)=e^{2x+3} .
Ainsi u(x)=2u'\left(x\right)=2 et v(x)=2e2x+3v'\left(x\right)=2e^{2x+3} .
Il vient alors que :
f(x)=2e2x+3+(2x4)×(2e2x+3)f'\left(x\right)=2e^{2x+3} +\left(2x-4\right)\times \left(2e^{2x+3} \right)
f(x)=2e2x+3+2x×(2e2x+3)+(4)×(2e2x+3)f'\left(x\right)=2e^{2x+3} +2x\times \left(2e^{2x+3} \right)+\left(-4\right)\times \left(2e^{2x+3} \right)
f(x)=2e2x+3+4xe2x+38e2x+3f'\left(x\right)=2e^{2x+3} +4xe^{2x+3} -8e^{2x+3}
f(x)=4xe2x+36e2x+3f'\left(x\right)=4x{\color{blue}{e^{2x+3}}} -6{\color{blue}{e^{2x+3}}}
Ainsi
f(x)=e2x+3(4x6)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{2x+3}}} \left(4x-6\right)

Pour tout réel xx, on a e2x+3>0e^{2x+3} >0.
4x604x6x64x324x-6\ge 0\Leftrightarrow 4x\ge 6\Leftrightarrow x\ge \frac{6}{4} \Leftrightarrow x\ge \frac{3}{2}
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 3

f(x)=(x+3)e5x+4f\left(x\right)=\left(-x+3\right)e^{5x+4}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x+3u\left(x\right)=-x+3 et v(x)=e5x+4v\left(x\right)=e^{5x+4} .
Ainsi u(x)=1u'\left(x\right)=-1 et v(x)=5e5x+4v'\left(x\right)=5e^{5x+4} .
Il vient alors que :
f(x)=(1)e5x+4+(x+3)×(5e5x+4)f'\left(x\right)=\left(-1\right)e^{5x+4} +\left(-x+3\right)\times \left(5e^{5x+4} \right)
f(x)=e5x+4+(x)×5e5x+4+3×5e5x+4f'\left(x\right)=-e^{5x+4} +\left(-x\right)\times 5e^{5x+4} +3\times 5e^{5x+4}
f(x)=e5x+45xe5x+4+15e5x+4f'\left(x\right)=-e^{5x+4} -5xe^{5x+4} +15e^{5x+4}
f(x)=14e5x+45xe5x+4f'\left(x\right)=14{\color{blue}{e^{5x+4}}} -5x{\color{blue}{e^{5x+4}}}
Ainsi
f(x)=e5x+4(5x+14)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{5x+4}}} \left(-5x+14\right)

Pour tout réel xx, on a e5x+4>0e^{5x+4} >0.
5x+1405x14x145x145-5x+14\ge 0\Leftrightarrow -5x\ge -14\Leftrightarrow x\le \frac{-14}{-5} \Leftrightarrow x\le \frac{14}{5}
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 4

f(x)=x2e2x+1f\left(x\right)=x^{2} e^{-2x+1}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x2u\left(x\right)=x^{2} et v(x)=e2x+1v\left(x\right)=e^{-2x+1} .
Ainsi u(x)=2xu'\left(x\right)=2x et v(x)=2e2x+1v'\left(x\right)=-2e^{-2x+1} .
Il vient alors que :
f(x)=2xe2x+1+x2×(2e2x+1)f'\left(x\right)=2xe^{-2x+1} +x^{2} \times \left(-2e^{-2x+1} \right)
f(x)=2xe2x+12x2e2x+1f'\left(x\right)=2x{\color{blue}{e^{-2x+1}}} -2x^{2}{\color{blue}{e^{-2x+1}}}
f(x)=e2x+1(2x2x2)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{-2x+1}}} \left(2x-2x^{2} \right)

Pour tout réel xx, on a e2x+1>0e^{-2x+1} >0.
Pour l'étude de 2x2x22x-2x^{2} , on va utiliser le discriminant.
Nous donnons directement les résultats car le discriminant n'a maintenant plus de secret pour nous. Δ=4\Delta =4 , x1=0x_{1} =0 et x2=1x_{2} =1.
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 5
Pour cette question, nous allons étudier la fonction ff sur l'intervalle [3;8]\left[-3 ; 8\right].

f(x)=(x+3)exf\left(x\right)=\left(x+3\right)e^{-x}.

Correction
ff est dérivable sur [3;8]\left[-3 ; 8\right].
Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x+3u\left(x\right)=x+3 et v(x)=exv\left(x\right)=e^{-x} .
Ainsi u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=exv'\left(x\right)=-e^{-x} .
Il vient alors que :
f(x)=1×ex+(x+3)×(ex)f'\left(x\right)=1\times e^{-x} +\left(x+3\right) \times \left(-e^{-x} \right)
f(x)=ex+x×(ex)+3×(ex)f'\left(x\right)=e^{-x} +x\times \left(-e^{-x} \right)+3\times \left(-e^{-x} \right)
f(x)=exxex3exf'\left(x\right)=e^{-x} -xe^{-x} -3e^{-x}
f(x)=xex2exf'\left(x\right)=-x{\color{blue}{e^{-x}}} -2{\color{blue}{e^{-x}}}
f(x)=ex(x2)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{-x}}} \left(-x-2\right)

Pour tout réel x[3;8]x\in\left[-3 ; 8\right], on vérifie aisément que ex>0e^{-x}>0, donc le signe de ff' dépend de x2-x-2.
Or : x20x2x2-x-2\ge 0\Leftrightarrow -x\ge 2\Leftrightarrow x\le -2
Il en résulte donc que :
  • si x[3;2]x\in\left[-3 ; -2\right] alors f(x)0f'\left(x\right)\ge0
  • si x[2;8]x\in\left[-2 ; 8\right] alors f(x)0f'\left(x\right)\le0
Nous traduisons ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
De plus :
  • f(3)=(3+3)e3f\left(-3\right)=\left(-3+3\right)e^{3} donc f(3)=0f\left(-3\right)=0
  • f(2)=(2+3)e2f\left(-2\right)=\left(-2+3\right)e^{2} donc f(2)=e2f\left(-2\right)=e^{2}
  • f(8)=(8+3)e8f\left(8\right)=\left(8+3\right)e^{-8} donc f(8)=11e8f\left(8\right)=11e^{-8}