Intégration : en route vers le supérieur

Vers la Prépa (10) - Exercice 1

30 min
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Pour vérifier que vous savez faire les éléments importants
Question 1
On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R}, par :
f(x)=exln(1+ex)f(x) = e^{-x} \ln(1+e^x)
On note par II l'intégrale suivante :
I=0ln2f(x)dxI = \int_0^{\ln 2} f(x) \, dx

Démontrer que, xR,f(x)>0\forall x \in \mathbb{R}, f(x) >0.

Correction
On sait que xR\forall x \in \mathbb{R} :
ex>01+ex>1e^x >0 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, 1+e^x >1
De plus, X>1\forall X >1, on sait que lnX>0\ln X >0. Si on pose X=1+exX = 1+e^x, dans ce cas, on en déduit que xR\forall x \in \mathbb{R} :
ln(1+ex)>0\ln(1+e^x) >0
De plus, l'exponentielle réelle est une fonction toujours strictement positive. Ainsi on en déduit que xR\forall x \in \mathbb{R} :
{ln(1+ex)>0ex>0exln(1+ex)f(x)>0\left\lbrace \begin{array}{l} \ln(1+e^x) >0 \\ e^{-x} >0 \end{array} \right. \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, e^{-x} \ln(1+e^x)\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, f(x)>0
Question 2

En déduire le signe de II.

Correction
L'intégrale II porte sur l'intervalle [0;ln2]R+[0\,;\ln2]\subset \mathbb{R}^{+} est positive. Ainsi, en vertu de la positivité de l'intégrale, on en déduit que I>0I>0
Question 3

Déterminer les deux nombres réels aa et bb tels que : ex1+ex=a+b1+ex\dfrac{e^x}{1+e^x} = a + \dfrac{b}{1+e^x}

Correction
On a :
ex1+ex=a+b1+exex1+ex=a(1+ex)+b1+ex\dfrac{e^x}{1+e^x} = a + \dfrac{b}{1+e^x} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{e^x}{1+e^x} = \dfrac{a(1+e^x) + b}{1+e^x}
Ce qui nous donne :
ex1+ex=a+b+aex1+ex{a+b=0a=1{b=1a=1\dfrac{e^x}{1+e^x} = \dfrac{a+b+ae^x}{1+e^x} \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{l} a+b=0 \\ a=1 \end{array} \right. \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{l} b=-1 \\ a=1 \end{array}\right.
Ce qui nous donne :
ex1+ex=111+ex\dfrac{e^x}{1+e^x} = 1 - \dfrac{1}{1+e^x}
Question 4

Calculer : J=0ln211+exdxJ = \int_0^{\ln 2} \dfrac{1}{1+e^x} \, dx

Correction
On a :
J=0ln211+exdx=0ln2(1ex1+ex)dx=0ln21dx0ln2 ex1+exdxJ = \int_0^{\ln 2} \dfrac{1}{1+e^x} \, dx = \int_0^{\ln 2} \left( 1- \dfrac{e^x}{1+e^x}\right) \, dx = \int_0^{\ln 2} 1 \, dx - \int_0^{\ln 2} \ \dfrac{e^x}{1+e^x} \, dx
Soit encore :
J=[x]0ln2[ln(1+ex)]0ln2=ln2(ln(1+eln2)ln(1+e0))J = [x]_{0}^{\ln 2} - [\ln(1+e^x)]_{0}^{\ln 2} = \ln 2 - \left( \ln(1+e^{\ln 2}) -\ln(1+e^0) \right)
Ce qui nous donne :
J=ln2(ln(1+2)ln(1+1))=ln2ln3+ln2=2ln2ln3=ln22ln3J = \ln 2 - \left( \ln(1+2) -\ln(1+1) \right) = \ln 2 - \ln3 + \ln 2 = 2\ln 2 - \ln 3 = \ln 2^2 - \ln 3
Finalement, on obtient :
J=ln4ln3J=ln43u.a.J = \ln 4 - \ln 3 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, J = \ln \dfrac{4}{3} \,\, u.a.
Question 5

Calculer f(x)+f(x)f(x) + f'(x). Puis, déterminer la valeur de II.

Correction
La fonction ff est le produit de deux fonctions dérivables sur l'ensemble de définition Df=RD_f = \mathbb{R}. Donc, la fonction ff est elle même dérivable sur ce même intervalle. On a alors :
f(x)=(exln(1+ex))=(ex)ln(1+ex)+ex(ln(1+ex))f'(x) = \left( e^{-x} \ln(1+e^x) \right)^{\prime} =(e^{-x})' \ln(1+e^x) + e^{-x}(\ln(1+e^x))'
Ce qui nous permet d'écrire que :
f(x)=exln(1+ex)+ex(1+ex)1+ex=f(x)+exex1+ex=f(x)+11+exf'(x) = - e^{-x} \ln(1+e^x) + e^{-x}\dfrac{(1+e^x)'}{1+e^x} = - f(x) + e^{-x}\dfrac{e^x}{1+e^x} = - f(x) + \dfrac{1}{1+e^x}
Finalement, on obtient :
f(x)+f(x)=11+exf'(x) + f(x) = \dfrac{1}{1+e^x}
De ceci, on en déduit que :
f(x)=11+exf(x)0ln2f(x)dx=0ln211+exdx0ln2f(x)dxf(x) = \dfrac{1}{1+e^x} - f'(x) \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \int_0^{\ln 2} f(x) \, dx = \int_0^{\ln 2} \dfrac{1}{1+e^x} \, dx - \int_0^{\ln 2} f'(x) \, dx
Ce qui s'écrit encore :
I=J[f(x)]0ln2=ln43f(ln2)+f(0)=ln43eln2ln(1+eln2)+e0ln(1+e0)I = J - [f(x)]_{0}^{\ln 2} = \ln \dfrac{4}{3} - f(\ln2) + f(0) = \ln \dfrac{4}{3} - e^{-\ln 2} \ln (1+e^{\ln 2}) + e^{-0} \ln (1+e^0)
Ce qui nous donne :
<br/>I=ln43eln12ln(1+2)+1×ln(1+1)=ln4312ln3+ln2<br />I = \ln \dfrac{4}{3} - e^{\ln \frac{1}{2}} \ln (1+2) + 1 \times \ln (1+1) = \ln \dfrac{4}{3} - \dfrac{1}{2} \ln 3 + \ln 2
Ceci peut encore s'écrire sous la forme :
I=ln4312ln3+22ln2=ln4312ln3+12ln22=ln4312ln3+12ln4I = \ln \dfrac{4}{3} - \dfrac{1}{2} \ln 3 + \dfrac{2}{2}\ln 2 = \ln \dfrac{4}{3} - \dfrac{1}{2} \ln 3 + \dfrac{1}{2}\ln 2^2 = \ln \dfrac{4}{3} - \dfrac{1}{2} \ln 3 + \dfrac{1}{2}\ln 4
D'où :
I=ln43+12(ln4ln3)=ln43+12ln43=(1+12)ln43I = \ln \dfrac{4}{3} + \dfrac{1}{2} ( \ln 4 -\ln 3 ) = \ln \dfrac{4}{3} + \dfrac{1}{2} \ln \dfrac{4}{3} = \left( 1+\dfrac{1}{2} \right) \ln \dfrac{4}{3}
Finalement, on trouve que la valeur de II est :
I=32ln43u.a.I = \dfrac{3}{2} \ln \dfrac{4}{3} \,\, u.a.