Fonction logarithme népérien

Etudes de fonctions - Exercice 3

20 min
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Question 1
Soit ff la fonction définie sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[ par f(x)=3x(2ln(2x))f\left(x\right)=3x\left(2-\ln \left(2x\right)\right) .

Résoudre l'équation f(x)=0f\left(x\right)=0

Correction
f(x)=0f\left(x\right)=0 équivaut successivement à :
3x(2ln(2x))=03x\left(2-\ln \left(2x\right)\right)=0. Il s'agit d'une équation produit nul. D'où :
3x=03x=0 ou 2ln(2x)=02-\ln \left(2x\right)=0
 D’une part :\red{\text{ D'une part :}}
3x=03x=0 donne x=0x=0
 D’autre part :\red{\text{ D'autre part :}}
2ln(2x)=02-\ln \left(2x\right)=0
ln(2x)=2-\ln \left(2x\right)=-2
ln(2x)=2\ln \left(2x\right)=2
ln(2x)=ln(e2)\ln \left(2x\right)= \ln \left(e^{2} \right)
2x=e22x= e^{2}
x=e22x= \frac{e^{2}}{2}
Les solutions de l'équations sont alors :
S={0;e22}S=\left\{0;\frac{e^{2}}{2}\right\}

Question 2

Déterminer la limite de ff en 00.

Correction

limx0+xln(x)=0\lim\limits_{x\to 0^{+} } x\ln \left(x\right)=0
Nous allons commencer par développer l'expression de la fonction ff. On a :
f(x)=3x(2ln(2x))f\left(x\right)=3x\left(2-\ln \left(2x\right)\right) qui peut s'écrire :
f(x)=6x3xln(2x)f\left(x\right)=6x-3x\ln \left(2x\right).
limx0+6x=0limx0+3xln(2x)=0}par addition\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to 0^{+} } 6x} & {=} & {0} \\ {\lim\limits_{x\to 0^{+} } -3x\ln \left(2x\right)} & {=} & {0} \end{array}\right\}{\text{par addition}}
limx0+3x(2ln(2x))=0\lim\limits_{x\to 0^{+} } 3x\left(2-\ln \left(2x\right)\right)=0
.
Question 3

Déterminer la limite de ff en ++\infty.

Correction
Calculons d'une part limx+3x(2ln(2x))\lim\limits_{x\to +\infty } 3x\left(2-\ln \left(2x\right)\right)
limx+3x=+limx+2ln(2x)=}par produit\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 3x} & {=} & {+\infty} \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 2-\ln \left(2x\right)} & {=} & {-\infty} \end{array}\right\}{\text{par produit}}
limx+3x(2ln(2x))=\lim\limits_{x\to +\infty } 3x\left(2-\ln \left(2x\right)\right)=-\infty
Question 4

Etudiez les variations de ff.

Correction
Soit : f(x)=3x(2ln(2x))f\left(x\right)=3x\left(2-\ln \left(2x\right)\right) .
ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
On reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=3xu\left(x\right)=3x et v(x)=2ln(2x)v\left(x\right)=2-\ln \left(2x\right).
Ainsi u(x)=3u'\left(x\right)=3 et v(x)=22xv'\left(x\right)=-\frac{2}{2x} c'est à dire v(x)=1xv'\left(x\right)=-\frac{1}{x}
Il vient alors que :
f(x)=3×(2ln(2x))+3x×(1x)f'\left(x\right)=3\times \left(2-\ln \left(2x\right)\right)+3x\times \left(-\frac{1}{x} \right)
f(x)=63ln(2x)3f'\left(x\right)=6-3\ln \left(2x\right)-3
f(x)=33ln(2x)f'\left(x\right)=3-3\ln \left(2x\right)
Résolvons maintenant : 33ln(2x)03-3\ln \left(2x\right)\ge 0 pour connaître le signe de ff'.
33ln(2x)03-3\ln \left(2x\right)\ge 0 équivaut successivement à :
3ln(2x)3-3\ln \left(2x\right)\ge -3
ln(2x)33\ln \left(2x\right)\le \frac{-3}{-3}
ln(2x)1\ln \left(2x\right)\le 1
ln(2x)ln(e1)\ln \left(2x\right)\le \ln \left(e^{1} \right)
2xe12x\le e^{1}
xe12x\le \frac{e^{1}}{2}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 33ln(2x)3-3\ln \left(2x\right) dès que xe12x\le \frac{e^{1}}{2}. Autrement dit : f(x)0f'\left(x\right)\ge 0 dès que xe12x\le \frac{e^{1}}{2}
Nous traduisons cela dans un tableau de variation :
De plus :
f(e12)=3×e12(2ln(2×e12))f\left(\frac{e^{1}}{2}\right)=3\times \frac{e^{1}}{2}\left(2-\ln \left(2\times \frac{e^{1}}{2}\right)\right)
f(e12)=3e12(2ln(e1))f\left(\frac{e^{1}}{2}\right)=\frac{3e^{1}}{2}\left(2-\ln \left(e^{1}\right)\right)
f(e12)=3e12(21)f\left(\frac{e^{1}}{2}\right)=\frac{3e^{1}}{2}\left(2-1\right)
f(e12)=3e12f\left(\frac{e^{1}}{2}\right)=\frac{3e^{1}}{2}