On considère la fonction g définie sur l'intervalle ]0;+∞[ par g(x)=2x3−1+2ln(x).
Question 1
Etudier les variations de la fonction g sur l'intervalle ]0;+∞[.
Correction
Soit : g(x)=2x3−1+2ln(x). Calculons sur ]0;+∞[ la dérivée de g.
g′(x)=6x2+x2
Ici pas besoin de mettre tout au même dénominateur car les deux expressions sont strictement positives. En effet, comme x∈]0;+∞[ alors 6x2>0 et x2>0. Ainsi sur ]0;+∞[ , g′(x)>0 et donc la fonction g est strictement croissante sur ]0;+∞[.
Question 2
Justifier qu'il existe un unique réel α∈]0;+∞[ tel que g(α)=0. Donner une valeur approchée de α à 10−2 près.
Correction
Commençons par calculer les limites aux bornes du domaine de définition. Calculons d’une part :x→0+lim2x3−1+2ln(x) x→0+lim2x3−1x→0+lim2ln(x)==−1−∞}par addition
x→0+lim2x3−1+2ln(x)=−∞
On en déduit que la courbe admet une asymptote verticale d'équation x=0. Calculons d’autre part :x→+∞lim2x3−1+2ln(x) x→+∞lim2x3−1x→+∞lim2ln(x)==+∞+∞}par addition
x→+∞lim2x3−1+2ln(x)=+∞
Dressons le tableau de variation en intégrant les limites :
Sur ]0;+∞[, la fonction g est continue et strictement croissante. De plus, x→0+limg(x)=−∞ et x→+∞limg(x)=+∞ . Or 0∈]−∞;+∞[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α dans ]0;+∞[ tel que g(x)=0. A la calculatrice, on vérifie que : g(0,86)≈−0,029 et g(0,87)≈0,038 . Or 0∈]−0,029;0,038], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
0,86≤α≤0,87
Question 3
En déduire le signe de la fonction g sur l'intervalle ]0;+∞[.
Correction
Sur ]0;+∞[, la fonction g est continue et strictement croissante et g(α)=0. Donc g(x)≤0 pour tout x∈]0;α] et g(x)≥0 pour tout x∈[α;+∞[. On résume cela dans un tableau de signe :
Question 4
On considère la fonction f définie sur l'intervalle ]0;+∞[ par f(x)=2x−x2ln(x).
Déterminer les limites de la fonction f en 0 et en +∞.
Correction
x→0+limx2ln(x)=−∞ et x→+∞limx2ln(x)=0
Calculons d’une part :x→0+lim2x−x2ln(x) x→0+lim2xx→0+lim−x2ln(x)==0+∞⎭⎬⎫par addition
x→0+lim2x−x2ln(x)=+∞
On en déduit que la courbe admet une asymptote verticale d'équation x=0. Calculons d’autre part :x→+∞lim2x−x2ln(x) x→+∞lim2xx→+∞lim−x2ln(x)==+∞0⎭⎬⎫par addition
x→+∞lim2x−x2ln(x)=+∞
Question 5
Justifier que f′(x) a le même signe que g(x).
Correction
Soit : f(x)=2x−x2ln(x). On reconnait la forme (vu)′=v2u′v−uv′ avec u(x)=ln(x) et v(x)=x2. Ainsi u′(x)=x1 et v′(x)=2x. Il vient alors que : f′(x)=2−(x2)2x1×(x2)−2xln(x)équivaut successivement à f′(x)=2−x4x−2xln(x) f′(x)=x42x4−x4x−2xln(x) f′(x)=x42x4−(x−2xln(x)) f′(x)=x42x4−x+2xln(x) On factorise maintenant le numérateur par x, ainsi : f′(x)=x4x(2x3−1+2ln(x))
f′(x)=x3g(x)
Question 6
En déduire le tableau de variation de la fonction f.
Correction
Comme x∈]0;+∞[ et que f′(x)=x3g(x) alors f′ est du même signe que g. On en déduit facilement le tableau de variation de la fonction f :
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