La fonction logarithme

Variations - Exercice 1

35 min
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Etudier les variations des fonctions suivantes.
Question 1

f(x)=3ln(x)+2x1f\left(x\right)=3\ln \left(x\right)+2x-1 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=3x+2f'\left(x\right)=\frac{3}{x} +2 . Nous allons tout mettre au même dénominateur .
f(x)=3x+2xxf'\left(x\right)=\frac{3}{x} +\frac{2x}{x}
f(x)=3+2xxf'\left(x\right)=\frac{3+2x}{x}
Comme on travaille sur l'intervalle I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ alors le dénominateur est strictement positif.
Il en résulte que le signe de ff' dépend du numérateur 3+2x3+2x
Résolvons :
3+2x02x3x323+2x\ge 0\Leftrightarrow 2x\ge -3 \Leftrightarrow x\ge\frac{-3}{2}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 3+2x3+2x dès que x32x\ge \frac{-3}{2}
De plus, on ne fera pas apparaitre 32\frac{-3}{2} car il n'appartient au domaine de définition .
Comme nous travaillons sur l'intervalle ]0;+[\left]0;+\infty \right[. Cela signifie donc que ff' est positive sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[ .
On remplit alors le tableau de variation de ff.
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 2

f(x)=ln(x)+x+6f\left(x\right)=-\ln \left(x\right)+x+6 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=1x+1f'\left(x\right)=-\frac{1}{x} +1 (ensuite toujours mettre au même dénominateur)
f(x)=1+xxf'\left(x\right)=\frac{-1+x}{x}
Comme on travaille sur l'intervalle I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ alors le dénominateur est strictement positif.
Il en résulte que le signe de ff' dépend du numérateur 1+x-1+x
Résolvons :
1+x0-1+x\ge 0 ainsi : x1x\ge 1
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 1+x-1+x dès que x1x\ge 1
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 3

f(x)=3ln(x)6x+3f\left(x\right)=3\ln \left(x\right)-6x+3 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=3x6f'\left(x\right)=\frac{3}{x} -6 (ensuite toujours mettre au même dénominateur)
f(x)=36xxf'\left(x\right)=\frac{3-6x}{x}
Comme on travaille sur l'intervalle I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ alors le dénominateur est strictement positif.
Il en résulte que le signe de ff' dépend du numérateur 1+x-1+x
Résolvons :
36x03-6x\ge 0 équivaut successivement à :
6x3-6x\ge -3
ainsi x36x\le \frac{-3}{-6} (ici on change le sens de l'inéquation car on a divisé par un nombre négatif)
d'où x12x\le \frac{1}{2}
Cela signifie que l'on mettra le signe++ pour le signe de 36x3-6x dès que x12x\le \frac{1}{2}
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 4

f(x)=2ln(x)10x+1f\left(x\right)=2\ln \left(x\right)-10x+1 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=2x10f'\left(x\right)=\frac{2}{x} -10 (ensuite toujours mettre au même dénominateur)
f(x)=2x10xxf'\left(x\right)=\frac{2}{x} -\frac{10x}{x}
Ainsi f(x)=210xxf'\left(x\right)=\frac{2-10x}{x}
Comme on travaille sur l'intervalle I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ alors le dénominateur est strictement positif.
Il en résulte que le signe de ff'dépend du numérateur 210x2-10x
Résolvons :
210x02-10x\ge 0 équivaut successivement à :
10x2-10x\ge -2
Ainsi : x210x\le \frac{-2}{-10} (ici on change le sens de l'inéquation car on a divisé par un nombre négatif)
d'où : x15x\le \frac{1}{5}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 210x2-10x dès que x15x\le \frac{1}{5}
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 5

f(x)=4ln(x)2x2+1f\left(x\right)=4\ln \left(x\right)-2x^{2} +1 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=4x4xf'\left(x\right)=\frac{4}{x} -4x (ensuite toujours mettre au même dénominateur)
f(x)=4x4x2xf'\left(x\right)=\frac{4}{x} -\frac{4x^{2} }{x}
Ainsi : f(x)=44x2xf'\left(x\right)=\frac{4-4x^{2} }{x}
Comme on travaille sur l'intervalle I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ alors le dénominateur est strictement positif.
Il en résulte que le signe de ff' dépend du numérateur 44x24-4x^{2} .
44x24-4x^{2} est une équation du second degré, pour étudier son signe on va utiliser le discriminant .
On donnera directement les résultats : Δ=64\Delta =64 ; x1=1x_{1} =-1 et x2=1x_{2} =1 .
Comme a=4<0a=-4<0, la parabole est tournée vers le bas 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.
Pour nous aider on va donner pour le moment le signe de 44x24-4x^{2} sur ];+[\left]-\infty ;+\infty \right[ (vous ne devrez en aucun cas le faire sur votre copie c'est juste pour nous aider)

On n'oublie que nous devons étudier les variations de ff sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[.
On en déduit maintenant le tableau de variation de ff sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ :
Question 6

f(x)=5xln(x)f\left(x\right)=5x\ln \left(x\right) sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
On reconnait la forme : (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=5xu\left(x\right)=5x et v(x)=ln(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right).
Ainsi : u(x)=5u'\left(x\right)=5 et v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} .
Il vient alors que :
f(x)=5×ln(x)+5x×1xf'\left(x\right)=5\times \ln \left(x\right)+5x\times \frac{1}{x} équivaut successivement à :
f(x)=5ln(x)+5xxf'\left(x\right)=5\ln \left(x\right)+\frac{5x}{x}
f(x)=5ln(x)+5f'\left(x\right)=5\ln \left(x\right)+5

Etudions le signe de 5ln(x)+55\ln \left(x\right)+5 :
5ln(x)+505\ln \left(x\right)+5\ge 0 équivaut successivement à :
5ln(x)55\ln \left(x\right)\ge -5
ln(x)1\ln \left(x\right)\ge -1
ln(x)ln(e1)\ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{-1} \right)
xe1x\ge e^{-1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 5ln(x)+55\ln \left(x\right)+5 dès que xe1x\ge e^{-1}
Question 7

f(x)=xln(x)f\left(x\right)=-x\ln \left(x\right) sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
On reconnait la forme : (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=xu\left(x\right)=-x et v(x)=ln(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right).
Ainsi : u(x)=1u'\left(x\right)=-1 et v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} .
Il vient alors que :
f(x)=1×ln(x)x×1xf'\left(x\right)=-1\times \ln \left(x\right)-x\times \frac{1}{x} équivaut successivement à :
f(x)=ln(x)xxf'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)-\frac{x}{x}
f(x)=ln(x)1f'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)-1

Etudions le signe de ln(x)1-\ln \left(x\right)-1 :
ln(x)10-\ln \left(x\right)-1\ge 0 équivaut successivement à :
ln(x)1-\ln \left(x\right)\ge 1
ln(x)1\ln \left(x\right)\le -1 (on divise par un nombre négatif donc on doit changer le sens de l'inéquation)
ln(x)ln(e1)\ln \left(x\right)\le \ln \left(e^{-1} \right)
xe1x\le e^{-1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de ln(x)1-\ln \left(x\right)-1 dès que xe1x\le e^{-1}
Question 8

f(x)=ln(x)2xf\left(x\right)=\frac{\ln \left(x\right)}{2x} sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
On reconnaît la forme (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=ln(x)u\left(x\right)=\ln \left(x\right) et v(x)=2xv\left(x\right)=2x.
Ainsi u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v(x)=2v'\left(x\right)=2.
Il vient alors que :
f(x)=1x×(2x)2ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{\frac{1}{x} \times \left(2x\right)-2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }
f(x)=2xx2ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{\frac{2x}{x} -2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }
Ainsi :
f(x)=22ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{2-2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }

Comme x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ alors (2x)2>0\left(2x\right)^{2}>0 et donc le signe de ff' dépend de 22ln(x)2-2\ln \left(x\right)
22ln(x)02ln(x)2ln(x)22ln(x)1ln(x)ln(e1)xe12-2\ln \left(x\right)\ge 0\Leftrightarrow -2\ln \left(x\right)\ge -2\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \frac{-2}{-2} \Leftrightarrow\ln \left(x\right)\le 1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \ln \left(e^{1} \right)\Leftrightarrow x\le e^{1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 22ln(x)2-2\ln \left(x\right) dès que xe1x\le e^{1}
Question 9

f(x)=(ln(x)+4)2f\left(x\right)=\left(\ln \left(x\right)+4\right)^{2} sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
Nous allons écrire ff de manière plus simple afin que l'on puisse dériver de manière classique.
f(x)=(ln(x)+4)×(ln(x)+4)f\left(x\right)=\left(\ln \left(x\right)+4\right)\times\left(\ln \left(x\right)+4\right)
On reconnait la forme : (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=ln(x)+4u\left(x\right)=\ln \left(x\right)+4 et v(x)=ln(x)+4v\left(x\right)=\ln \left(x\right)+4.
Ainsi : u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} .
Il vient alors que :
f(x)=1x×(ln(x)+4)+1x×(ln(x)+4)f'\left(x\right)=\frac{1}{x} \times \left(\ln \left(x\right)+4\right)+\frac{1}{x} \times \left(\ln \left(x\right)+4\right)
f(x)=2×1x×(ln(x)+4)f'\left(x\right)=2\times \frac{1}{x} \times \left(\ln \left(x\right)+4\right)
Finalement :
f(x)=2(ln(x)+4)xf'\left(x\right)=\frac{2\left(\ln \left(x\right)+4\right)}{x}

Pour tout réel x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ , on vérifie aisément que 2>02>0 et x>0x>0. Il en résulte donc que le signe de ff' dépend de ln(x)+4\ln \left(x\right)+4.
ln(x)+40ln(x)4ln(x)ln(e4)xe4\ln \left(x\right)+4\ge 0\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge -4\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{-4} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{-4}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de ff' dès que xe4x\ge e^{-4}