La fonction logarithme

Exercice 9 - Exercice 1

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Question 1
Soit la fonction ff définie sur [1;6]\left[1;6\right] par : f(x)=x2+10x98ln(x)f\left(x\right)=-x^{2}+10x-9-8\ln \left(x\right). On note CfC_{f} la courbe représentative de la fonction ff.

Calculer f(x)f'\left(x\right) .

Correction
f(x)=2x+108xf'\left(x\right)=-2x+10-\frac{8}{x} . Nous allons maintenant tout mettre au même dénominateur.
f(x)=2x×xx+10×xx8xf'\left(x\right)=\frac{-2x\times x}{x} +\frac{10\times x}{x} -\frac{8}{x}
f(x)=2x2x+10xx8xf'\left(x\right)=\frac{-2x^{2} }{x} +\frac{10x}{x} -\frac{8}{x}
f(x)=2x2+10x8xf'\left(x\right)=\frac{-2x^{2} +10x-8}{x}
Question 2

Etudier le signe de ff' sur l'intervalle [1;6]\left[1;6\right] et dresser le tableau de variation de ff.

Correction
Sur l'intervalle [1;6]\left[1;6\right], x>0x>0 donc f(x)f'(x) est du signe de 2x2+10x8-2x^{2} +10x-8.
On cherche le signe de 2x2+10x8-2x^{2} +10x-8.
On va utiliser le discriminant :
Δ=1024×(2)×(8)\Delta =10^{2} -4\times \left(-2\right)\times \left(-8\right)
Δ=36\Delta =36.
Il existe donc deux solutions que l'on note
Les racines du polynôme sont :
x1=bΔ2a=1064=4x_{1} =\frac{-b-\sqrt{\Delta } }{2a} =\frac{-10-6}{-4} =4
x2=b+Δ2a=10+64=1.x_{2} =\frac{-b+\sqrt{\Delta } }{2a} =\frac{-10+6}{-4} =1.
Comme a=3<0a=-3<0, la parabole est tournée vers le haut c'est-à-dire que ff' est du signe de aa à l'extérieur des racines et du signe opposé à aa entre les racines.
De plus :
  • f(1)=12+10×198ln(1)f\left(1\right)=-1^{2}+10\times1-9-8\ln \left(1\right) d'où : f(1)=0f\left(1\right)=0
  • f(4)=42+10×498ln(4)f\left(4\right)=-4^{2}+10\times4-9-8\ln \left(4\right) d'où : f(4)=158ln(4)f\left(4\right)=15-8\ln \left(4\right)
  • f(6)=62+10×698ln(6)f\left(6\right)=-6^{2}+10\times6-9-8\ln \left(6\right) d'où : f(6)=158ln(6)f\left(6\right)=15-8\ln \left(6\right)
D'où le tableau de variation de la fonction ff :
Question 3
Soit g(x)=xln(x)xg\left(x\right)=x\ln \left(x\right)-x une fonction définie sur [1;6]\left[1;6\right]

Prouver que gg est une primitive de la fonction xln(x)x\mapsto \ln \left(x\right)

Correction
Dans le cas où une primitive est donnée, il vous suffit de dériver la primitive et d'obtenir comme résultat ff.
Autrement dit, dans notre cas, il faut montrer que : g(x)=ln(x)g'\left(x\right)=\ln \left(x\right)
Soit g(x)=xln(x)xg\left(x\right)=x\ln \left(x\right)-x .
Ici on reconnaît la forme : (uv+w)=uv+uv+w\left(uv+w\right)'=u'v+uv'+w' avec u(x)=xu\left(x\right)=x ; v(x)=ln(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right) et w(x)=xw\left(x\right)=-x.
Ainsi : u(x)=1u'\left(x\right)=1 ; v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} et w(x)=1w'\left(x\right)=-1 .
Il vient alors que :
g(x)=1×ln(x)+x×1x1g'\left(x\right)=1\times \ln \left(x\right)+x\times \frac{1}{x} -1 équivaut successivement à :
g(x)=ln(x)+xx1g'\left(x\right)=\ln \left(x\right)+\frac{x}{x}-1
g(x)=ln(x)+11g'\left(x\right)=\ln \left(x\right)+1-1
D'où :
g(x)=ln(x)g'\left(x\right)=\ln \left(x\right)

Nous venons de montrer que xxln(x)xx\mapsto x\ln \left(x\right)-x est une primitive de la fonction xln(x)x\mapsto \ln \left(x\right)
Question 4

En déduire une primitive FF de la fonction ff sur l’intervalle [1;6]\left[1;6\right] .

Correction
Nous rappelons que : f(x)=x2+10x98ln(x)f\left(x\right)=-x^{2}+10x-9-8\ln \left(x\right) et nous savons également que xxln(x)xx\mapsto x\ln \left(x\right)-x est une primitive de la fonction xln(x)x\mapsto \ln \left(x\right) .
Il en résulte donc que :
F(x)=13x3+10×12x29x8×(xln(x)x)F\left(x\right)=-\frac{1}{3}x^{3}+10\times \frac{1}{2}x^{2}-9x-8\times\left(x\ln \left(x\right)-x\right)
F(x)=13x3+5x29x8xln(x)+8xF\left(x\right)=-\frac{1}{3}x^{3}+5x^{2}-9x-8x\ln \left(x\right)+8x
F(x)=13x3+5x2x8xln(x)F\left(x\right)=-\frac{1}{3}x^{3}+5x^{2}-x-8x\ln \left(x\right)
Question 5

Calculer la valeur moyenne de la fonction ff sur l'intervalle [1;6]\left[1;6\right] . Donner la valeur exacte puis une valeur décimale arrondie au dixième.

Correction
ff une fonction continue sur un intervalle [a;b]\left[a;b\right].
La valeur moyenne de la fonction ff sur [a;b]\left[a;b\right] est le réel mm défini par m=1baabf(x)dxm=\frac{1}{b-a} \int _{a}^{b}f\left(x\right) dx
On a :
m=16116f(x)dxm=\frac{1}{6-1} \int _{1}^{6}f\left(x\right)dx
m=1516f(x)dxm=\frac{1}{5} \int _{1}^{6}f\left(x\right)dx
m=15×(F(6)F(1))m=\frac{1}{5} \times \left(F\left(6\right)-F\left(1\right)\right)
m=15×[13×63+5×6268×6ln(6)(13×13+5×1218×1ln(1))]m=\frac{1}{5} \times \left[-\frac{1}{3} \times 6^{3} +5\times 6^{2} -6-8\times 6\ln \left(6\right)-\left(-\frac{1}{3} \times 1^{3} +5\times 1^{2} -1-8\times 1\ln \left(1\right)\right)\right]
m=15×[72+180648ln(6)(13+51)]m=\frac{1}{5} \times \left[-72+180-6-48\ln \left(6\right)-\left(-\frac{1}{3} +5-1\right)\right]
m=15×[10248ln(6)(113)]m=\frac{1}{5} \times \left[102-48\ln \left(6\right)-\left(\frac{11}{3} \right)\right]
m=15×[10248ln(6)113]m=\frac{1}{5} \times \left[102-48\ln \left(6\right)-\frac{11}{3} \right]
m=15×(295348ln(6))m=\frac{1}{5} \times \left(\frac{295}{3} -48\ln \left(6\right)\right)
. Il s'agit de la valeur exacte.
m2,5m\approx2,5
au dixième près.