La fonction logarithme

Exercice 6 - Exercice 1

1 min
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Pour tout réel kk strictement positif.
On considère la fonction fkf_{k} définie sur [0;+[\left[0;+\infty \right[ par : fk(x)=ln(ex+kx)xf_{k} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} +kx\right)-x
Soit CkC_{k} la courbe représentative de la fonction fkf_{k} dans le plan muni d'un repère (O;i;j)\left(O;\vec{i} ;\vec{j} \right)
Question 1
Partie A : Mise en place d'une inégalité
On considère la fonction gg définie sur [0;+[\left[0;+\infty \right[ par : g(x)=ln(1+x)xg\left(x\right)=\ln \left(1+x\right)-x.

Etudier le sens de variation de gg .

Correction
La fonction gg est dérivable sur [0;+[\left[0;+\infty \right[, on a :
g(x)=11+x1g'\left(x\right)=\frac{1}{1+x} -1
g(x)=11+x1+x1+xg'\left(x\right)=\frac{1}{1+x} -\frac{1+x}{1+x}
g(x)=11x1+xg'\left(x\right)=\frac{1-1-x}{1+x}
g(x)=x1+xg'\left(x\right)=\frac{-x}{1+x}

Comme x[0;+[x\in \left[0;+\infty \right[ alors 1+x11+x\ge 1 et x0-x\le 0.
Il en résulte que g(x)0g'\left(x\right)\le 0.
La fonction gg est donc décroissante sur [0;+[\left[0;+\infty \right[.
On traduit cela dans un tableau de variation :
De plus, g(0)=ln(1+0)0=0g\left(0\right)=\ln \left(1+0\right)-0=0.
Le maximum de gg est donc 00.
Question 2

En déduire que pour tout réel xx positif ou nul ln(1+x)x\ln \left(1+x\right)\le x.

Correction
Ainsi, pour tout x[0;+[x\in \left[0;+\infty \right[, le maximum de gg est donc 00.
Ainsi : g(x)0g\left(x\right)\le 0 ou encore ln(1+x)x0\ln \left(1+x\right)-x\le 0.
Finalement :
ln(1+x)x\ln \left(1+x\right)\le x
Question 3
Partie B : Etude de la fonction
f1f_{1} définie sur [0;+[\left[0;+\infty \right[ par f1(x)=ln(ex+x)xf_{1} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} +x\right)-x

Montrer que pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;+[\left[0;+\infty \right[, f1(x)=ln(1+xex)f_{1} \left(x\right)=\ln \left(1+\frac{x}{e^{x} } \right).
En déduire la limite de f1f_{1} en ++\infty .

Correction
f1(x)=ln(ex+x)xf_{1} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} +x\right)-x équivaut successivement à
f1(x)=ln(ex×(ex+xex))xf_{1} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \times \left(\frac{e^{x} +x}{e^{x} } \right)\right)-x
f1(x)=ln(ex×(exex+xex))xf_{1} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \times \left(\frac{e^{x} }{e^{x} } +\frac{x}{e^{x} } \right)\right)-x
f1(x)=ln(ex×(1+xex))xf_{1} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \times \left(1+\frac{x}{e^{x} } \right)\right)-x
f1(x)=ln(ex)+ln(1+xex)xf_{1} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \right)+\ln \left(1+\frac{x}{e^{x} } \right)-x
f1(x)=x+ln(1+xex)xf_{1} \left(x\right)=x+\ln \left(1+\frac{x}{e^{x} } \right)-x
f1(x)=ln(1+xex)f_{1} \left(x\right)=\ln \left(1+\frac{x}{e^{x} } \right)

Or limx+xex=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x}{e^{x} } =0 ainsi limx+(1+xex)=1\lim\limits_{x\to +\infty } \left(1+\frac{x}{e^{x} } \right)=1.
On pose X=1+xexX=1+\frac{x}{e^{x} } et limX1ln(X)=0\lim\limits_{X\to 1} \ln \left(X\right)=0
Finalement, par composition limx+ln(1+xex)=0\lim\limits_{x\to +\infty } \ln \left(1+\frac{x}{e^{x} } \right)=0
La courbe C1C_{1} admet une asymptote horizontale d'équation y=0y=0 au voisinage de plus l'infini.
Question 4

Calculer f1(x)f_{1}^{'} \left(x\right) pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;+[\left[0;+\infty \right[ et en déduire le sens de variation de la fonction f1f_{1} .

Correction
La fonction f1f_{1} est dérivable sur [0;+[\left[0;+\infty \right[et :
f1(x)=ex+1ex+x1f_{1}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} +1}{e^{x} +x} -1 équivaut successivement à
f1(x)=ex+1(ex+x)ex+xf_{1}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} +1-\left(e^{x} +x\right)}{e^{x} +x}
f1(x)=ex+1exxex+xf_{1}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} +1-e^{x} -x}{e^{x} +x}
f1(x)=1xex+xf_{1}^{'} \left(x\right)=\frac{1-x}{e^{x} +x}

Pour tout réel x[0;+[x\in \left[0;+\infty \right[, le dénominateur ex+xe^{x} +x est strictement positif.
Le signe de f1f_{1}^{'} est alors du signe de 1x1-x.
Or,
1x0x1.1-x\ge 0\Leftrightarrow x\le 1.
Il vient alors que :
la fonction f1f_{1}^{'} est donc positive sur[0;1]\left[0;1\right] et négative sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.
Finalement, la fonction f1f_{1} est donc croissante sur[0;1]\left[0;1\right] et décroissante sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.
Question 5

Dresser le tableau de variation de f1f_{1} .

Correction
Suite aux informations obtenues à la question 2, on dresse le tableau de variation ci-dessous :

De plus,
  • f1(0)=ln(1+0e0)f_{1} \left(0\right)=\ln \left(1+\frac{0}{e^{0} } \right) donc f1(0)=0f_{1} \left(0\right)=0
  • f1(1)=ln(1+1e1)f_{1} \left(1\right)=\ln \left(1+\frac{1}{e^{1} } \right) donc f1(1)=ln(1+1e)f_{1} \left(1\right)=\ln \left(1+\frac{1}{e} \right)
Question 6
Partie C : Etude et propriétés des fonctions fkf_{k}

Montrer que pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;+[\left[0;+\infty \right[, fk(x)=ln(1+kxex)f_{k} \left(x\right)=\ln \left(1+k\frac{x}{e^{x} } \right).
En déduire la limite de fkf_{k} en ++\infty .

Correction
fk(x)=ln(ex+kx)xf_{k} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} +kx\right)-x équivaut successivement à
fk(x)=ln(ex×(ex+kxex))xf_{k} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \times \left(\frac{e^{x} +kx}{e^{x} } \right)\right)-x
fk(x)=ln(ex×(exex+kxex))xf_{k} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \times \left(\frac{e^{x} }{e^{x} } +\frac{kx}{e^{x} } \right)\right)-x
fk(x)=ln(ex×(1+kxex))xf_{k} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \times \left(1+\frac{kx}{e^{x} } \right)\right)-x
fk(x)=ln(ex)+ln(1+kxex)xf_{k} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} \right)+\ln \left(1+\frac{kx}{e^{x} } \right)-x
fk(x)=x+ln(1+kxex)xf_{k} \left(x\right)=x+\ln \left(1+\frac{kx}{e^{x} } \right)-x
fk(x)=ln(1+kxex)f_{k} \left(x\right)=\ln \left(1+\frac{kx}{e^{x} } \right)

Or, limx+kxex=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{kx}{e^{x} } =0 ainsi : limx+(1+kxex)=1\lim\limits_{x\to +\infty } \left(1+\frac{kx}{e^{x} } \right)=1.
On pose X=1+kxexX=1+\frac{kx}{e^{x} } et limX1ln(X)=0\lim\limits_{X\to 1} \ln \left(X\right)=0
Finalement, par composition : limx+ln(1+kxex)=0\lim\limits_{x\to +\infty } \ln \left(1+\frac{kx}{e^{x} } \right)=0.
Autrement dit : limx+fk(x)=0\lim\limits_{x\to +\infty } f_{k} \left(x\right)=0
La courbe CkC_{k} admet une asymptote horizontale d'équation y=0y=0 au voisinage de plus l'infini.
Question 7

Calculer fk(x)f_{k}^{'} \left(x\right) pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;+[\left[0;+\infty \right[ et en déduire le sens de variation de la fonction fkf_{k} .

Correction
La fonction fkf_{k} est dérivable sur [0;+[\left[0;+\infty \right[ et : fk(x)=ln(ex+kx)xf_{k} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} +kx\right)-x
fk(x)=ex+kex+kx1f_{k}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} +k}{e^{x} +kx} -1 équivaut successivement à
fk(x)=ex+k(ex+kx)ex+kxf_{k}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} +k-\left(e^{x} +kx\right)}{e^{x} +kx}
fk(x)=ex+kexkxex+kxf_{k}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} +k-e^{x} -kx}{e^{x} +kx}
fk(x)=kkxex+kxf_{k}^{'} \left(x\right)=\frac{k-kx}{e^{x} +kx}
fk(x)=k(1x)ex+kxf_{k}^{'} \left(x\right)=\frac{k\left(1-x\right)}{e^{x} +kx}

Pour tout réel kk strictement positif et pour tout réel x[0;+[x\in \left[0;+\infty \right[, le dénominateur ex+kxe^{x} +kx est strictement positif.
Le signe de fkf_{k}^{'} est alors du signe de 1x1-x.
Or,
1x0x1.1-x\ge 0\Leftrightarrow x\le 1.
Il vient alors que :
la fonction fkf_{k}^{'} est donc positive sur[0;1]\left[0;1\right] et négative sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.
Finalement, la fonction fkf_{k} est donc croissante sur[0;1]\left[0;1\right] et décroissante sur [1;+[\left[1;+\infty \right[..
On en déduit le tableau de variation de fkf_{k} .
On a ci-dessous :

De plus,
  • fk(0)=ln(1+k0e0)f_{k} \left(0\right)=\ln \left(1+\frac{k0}{e^{0} } \right) donc fk(0)=0f_{k} \left(0\right)=0
  • fk(1)=ln(1+ke1)f_{k} \left(1\right)=\ln \left(1+\frac{k}{e^{1} } \right) donc fk(1)=ln(1+ke)f_{k} \left(1\right)=\ln \left(1+\frac{k}{e} \right)
Question 8

Montrer que pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;+[\left[0;+\infty \right[, on a fk(x)kef_{k} \left(x\right)\le \frac{k}{e} .

Correction
Pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [0;+[\left[0;+\infty \right[, on pose la fonction dk(x)=fk(x)ked_{k} \left(x\right)=f_{k} \left(x\right)-\frac{k}{e} .
Ainsi dkd_{k} est dérivable sur [0;+[\left[0;+\infty \right[, il vient alors que :
dk(x)=fk(x)d_{k}^{'} \left(x\right)=f_{k}^{'} \left(x\right). Donc le signe de dkd_{k}^{'} est le même que celui de fkf_{k}^{'} .
On a vu à la question 77, que la fonction fkf_{k}^{'} est donc positive sur [0;1]\left[0;1\right] et négative sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.
Ainsi, la fonction dkd_{k}^{'} est donc positive sur [0;1]\left[0;1\right] et négative sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.
On en déduit le tableau de variation de dkd_{k} .
On a ci-dessous :

De plus,
  • dk(0)=fk(0)ke=ked_{k} \left(0\right)=f_{k} \left(0\right)-\frac{k}{e} =-\frac{k}{e} car fk(0)=0f_{k} \left(0\right)=0.
  • On sait que limx+fk(x)=0\lim\limits_{x\to +\infty } f_{k} \left(x\right)=0 d'où limx+dk(x)=ke\lim\limits_{x\to +\infty } d_{k} \left(x\right)=-\frac{k}{e} .

dk(1)=fk(1)ked_{k} \left(1\right)=f_{k} \left(1\right)-\frac{k}{e}
dk(1)=ln(e1+k)1ked_{k} \left(1\right)=\ln \left(e^{1} +k\right)-1-\frac{k}{e}
dk(1)=ln(e×(e+ke))1ked_{k} \left(1\right)=\ln \left(e\times \left(\frac{e+k}{e} \right)\right)-1-\frac{k}{e}
dk(1)=ln(e)+ln(e+ke)1ked_{k} \left(1\right)=\ln \left(e\right)+\ln \left(\frac{e+k}{e} \right)-1-\frac{k}{e}
dk(1)=1+ln(ee+ke)1ked_{k} \left(1\right)=1+\ln \left(\frac{e}{e} +\frac{k}{e} \right)-1-\frac{k}{e}
dk(1)=ln(1+ke)ke.d_{k} \left(1\right)=\ln \left(1+\frac{k}{e} \right)-\frac{k}{e} .

Or ke0\frac{k}{e} \ge 0, d'après la question pour tout réel xx positif ou nul ln(1+x)x\ln \left(1+x\right)\le x.
Ainsi : ln(1+ke)ke\ln \left(1+\frac{k}{e} \right)\le \frac{k}{e}
Autrement dit dk(1)0d_{k} \left(1\right)\le 0.
Finalement, pour tout réel xx positif ou nul, on peut affirmer que dk(x)0d_{k} \left(x\right)\le 0.
Autrement dit, fk(x)ke0f_{k} \left(x\right)-\frac{k}{e} \le 0 alors fk(x)kef_{k} \left(x\right)\le \frac{k}{e} .
Question 9

Déterminer une équation de la tangente TkT_{k} à CkC_{k} au point O.

Correction
On sait que la formule de l'équation de la tangente au point d'abscisse 0 est : y=fk(0)(x0)+fk(0)y=f_{k}^{'} \left(0\right)\left(x-0\right)+f_{k} \left(0\right)
D'une part :
fk(0)=ln(1+k0e0)f_{k} \left(0\right)=\ln \left(1+\frac{k0}{e^{0} } \right) donc fk(0)=0f_{k} \left(0\right)=0
D'autre part :
fk(0)=k(10)e0+k0f_{k}^{'} \left(0\right)=\frac{k\left(1-0\right)}{e^{0} +k0} alors fk(0)=kf_{k}^{'} \left(0\right)=k

Ainsi : y=k(x0)+0y=k\left(x-0\right)+0
Enfin :
y=kxy=kx
Question 10

Soit mm et pp deux réels strictement positifs tels que p<mp<m .
Etudier la position relative de CpC_{p} et CmC_{m} .

Correction
On sait que p<mp<m.
Calculons tout d'abord fm(x)fp(x)f_{m} \left(x\right)-f_{p} \left(x\right).
fm(x)fp(x)=ln(ex+mx)x(ln(ex+px)x)f_{m} \left(x\right)-f_{p} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} +mx\right)-x-\left(\ln \left(e^{x} +px\right)-x\right) équivaut successivement à
fm(x)fp(x)=ln(ex+mx)ln(ex+px)f_{m} \left(x\right)-f_{p} \left(x\right)=\ln \left(e^{x} +mx\right)-\ln \left(e^{x} +px\right)
fm(x)fp(x)=ln(ex+mxex+px)f_{m} \left(x\right)-f_{p} \left(x\right)=\ln \left(\frac{e^{x} +mx}{e^{x} +px} \right)

Maintenant étudions le signe de fm(x)fp(x)f_{m} \left(x\right)-f_{p} \left(x\right) équivaut successivement à
fm(x)fp(x)0f_{m} \left(x\right)-f_{p} \left(x\right)\ge 0 équivaut successivement à
ln(ex+mxex+px)0\ln \left(\frac{e^{x} +mx}{e^{x} +px} \right)\ge 0
ln(ex+mxex+px)ln(1)\ln \left(\frac{e^{x} +mx}{e^{x} +px} \right)\ge \ln \left(1\right)
ex+mxex+px1\frac{e^{x} +mx}{e^{x} +px} \ge 1
ex+mxex+pxe^{x} +mx\ge e^{x} +px
ex+mxexpx0e^{x} +mx-e^{x} -px\ge 0
mxpx0mx-px\ge 0
x(mp)0x\left(m-p\right)\ge 0 . Or p<mp<m donc mp>0m-p>0. Ainsi
x0x\ge 0
Finalement, pour tout réel x[0;+[x\in \left[0;+\infty \right[, on a montré que fm(x)fp(x)0f_{m} \left(x\right)-f_{p} \left(x\right)\ge 0. Ainsi fm(x)fp(x)f_{m} \left(x\right)\ge f_{p} \left(x\right).
La courbe CmC_{m} est au-dessus de la courbe CpC_{p} .
Question 11
Partie D : Majoration d'une intégrale
Soit λ\lambda un réel strictement positif, on note A(λ)A\left(\lambda \right) l'aire, en unités d'aire, du domaine délimité par l'axe des abscisses, la courbe CkC_{k} et les droites d'équation x=0x=0 et x=λx=\lambda .

Sans calculer A(λ)A\left(\lambda \right), montrer que A(λ)k0λxexdxA\left(\lambda \right)\le k\int _{0}^{\lambda }xe^{-x} dx (on pourra utiliser le résultat de la question préliminaire).

Correction
Comme la fonction fkf_{k} est positive et continue sur [0;λ]\left[0;\lambda \right] alors A(λ)=0λfk(x)dxA\left(\lambda \right)=\int _{0}^{\lambda }f_{k} \left(x\right)dx .
Pour x[0;λ]x\in \left[0;\lambda \right] et que k>0k>0 alors kxex0k\frac{x}{e^{x} } \ge 0.
On peut donc affirmer que ln(1+kxex)kxex\ln \left(1+k\frac{x}{e^{x} } \right)\le k\frac{x}{e^{x} } d'après la question 2.
Donc fk(x)kxexf_{k} \left(x\right)\le k\frac{x}{e^{x} } .
De plus , les fonctions fk(x)kxexf_{k} \left(x\right)\le k\frac{x}{e^{x} } et fk(x)kxexf_{k} \left(x\right)\le k\frac{x}{e^{x} } sont continues sur [0;λ]\left[0;\lambda \right] et comme fk(x)kxexf_{k} \left(x\right)\le k\frac{x}{e^{x} } alors 0λfk(x)dx0λkxexdx\int _{0}^{\lambda }f_{k} \left(x\right) dx\le \int _{0}^{\lambda }k\frac{x}{e^{x} } dx.
Finalement :
A(λ)k0λxexdxA\left(\lambda \right)\le k\int _{0}^{\lambda }xe^{-x} dx
Question 12

On admet que H(x)=xexexH\left(x\right)=-xe^{-x} -e^{-x} est une primitive de la fonction h(x)=xexh\left(x\right)=xe^{-x} .
Calculer alors 0λxexdx\int _{0}^{\lambda }xe^{-x} dx .

Correction
0λxexdx=[xexex]0λ\int _{0}^{\lambda }xe^{-x} dx =\left[-xe^{-x} -e^{-x} \right]_{0}^{\lambda }
0λxexdx=λeλeλ(0×e0e0)\int _{0}^{\lambda }xe^{-x} dx =-\lambda e^{-\lambda } -e^{-\lambda } -\left(-0\times e^{-0} -e^{-0} \right)
0λxexdx=λeλeλ+1\int _{0}^{\lambda }xe^{-x} dx =-\lambda e^{-\lambda } -e^{-\lambda } +1
Question 13

On admet que A(λ)A\left(\lambda \right) admet une limite en ++\infty .
Montrer que limλ+A(λ)k\lim\limits_{\lambda \to +\infty } A\left(\lambda \right)\le k .

Correction
Comme A(λ)k0λxexdxA\left(\lambda \right)\le k\int _{0}^{\lambda }xe^{-x} dx alors A(λ)k(λeλeλ+1)A\left(\lambda \right)\le k\left(-\lambda e^{-\lambda } -e^{-\lambda } +1\right)
Or
limλ+λeλ=limλ+λeλ=0\lim\limits_{\lambda \to +\infty } -\lambda e^{-\lambda } =\lim\limits_{\lambda \to +\infty } -\frac{\lambda }{e^{\lambda } } =0
limλ+eλ+1=limλ+1eλ+1=1\lim\limits_{\lambda \to +\infty } -e^{-\lambda } +1=\lim\limits_{\lambda \to +\infty } \frac{-1}{e^{\lambda } } +1=1
Ainsi limλ+k(λeλeλ+1)=k\lim\limits_{\lambda \to +\infty } k\left(-\lambda e^{-\lambda } -e^{-\lambda } +1\right)=k.
Nous avons d'une part : A(λ)k(λeλeλ+1)A\left(\lambda \right)\le k\left(-\lambda e^{-\lambda } -e^{-\lambda } +1\right) et d'autre part : limλ+k(λeλeλ+1)=k\lim\limits_{\lambda \to +\infty } k\left(-\lambda e^{-\lambda } -e^{-\lambda } +1\right)=k alors limλ+A(λ)k\lim\limits_{\lambda \to +\infty } A\left(\lambda \right)\le k