Fonction logarithme népérien

Exercices types : 11ère partie - Exercice 2

30 min
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On considère la fonction gg définie sur l'intervalle ]0;+[\left]0;+\infty \right[ par g(x)=2x31+2ln(x)g\left(x\right)=2x^{3} -1+2\ln \left(x\right).
Question 1

Etudier les variations de la fonction gg sur l'intervalle ]0;+[\left]0;+\infty \right[.

Correction
Soit : g(x)=2x31+2ln(x)g\left(x\right)=2x^{3} -1+2\ln \left(x\right).
Calculons sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[ la dérivée de gg.
g(x)=6x2+2xg'\left(x\right)=6x^{2} +\frac{2}{x}

Ici pas besoin de mettre tout au même dénominateur car les deux expressions sont strictement positives.
En effet, comme x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ alors 6x2>06x^{2} >0 et 2x>0\frac{2}{x} >0.
Ainsi sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[ , g(x)>0g'\left(x\right)>0 et donc la fonction gg est strictement croissante sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
Question 2

Justifier qu'il existe un unique réel α]0;+[\alpha \in \left]0;+\infty \right[ tel que g(α)=0g\left(\alpha \right)=0.
Donner une valeur approchée de α\alpha à 10210^{-2} près.

Correction
Commençons par calculer les limites aux bornes du domaine de définition.
 Calculons d’une part :\red{\text{ Calculons d'une part :}} limx0+2x31+2ln(x)\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x^{3} -1+2\ln \left(x\right)
limx0+2x31=1limx0+2ln(x)=}par addition\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x^{3} -1} & {=} & {-1} \\ {\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2\ln \left(x\right)} & {=} & {-\infty } \end{array}\right\}{\text{par addition}}
limx0+2x31+2ln(x)=\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x^{3} -1+2\ln \left(x\right)=-\infty

On en déduit que la courbe admet une asymptote verticale d'équation x=0x=0.
 Calculons d’autre part :\red{\text{ Calculons d'autre part :}} limx+2x31+2ln(x)\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -1+2\ln \left(x\right)
limx+2x31=+limx+2ln(x)=+}par addition\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -1} & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 2\ln \left(x\right)} & {=} & {+\infty } \end{array}\right\}{\text{par addition}}
limx+2x31+2ln(x)=+\lim\limits_{x\to +\infty } 2x^{3} -1+2\ln \left(x\right)=+\infty

Dressons le tableau de variation en intégrant les limites :
Sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[, la fonction gg est continue et strictement croissante.
De plus, limx0+g(x)=\lim\limits_{x\to 0^{+} } g\left(x\right)=-\infty et limx+g(x)=+\lim\limits_{x\to +\infty } g\left(x\right)=+\infty . Or 0];+[0\in \left]-\infty ;+\infty \right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha dans ]0;+[\left]0;+\infty \right[ tel que g(x)=0g\left(x\right)=0.
A la calculatrice, on vérifie que :
g(0,86)0,029g\left(0,86\right)\approx -0,029 et g(0,87)0,038g\left(0,87\right)\approx 0,038 .
Or 0]0,029;0,038]0\in \left]-0,029;0,038\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
0,86α0,870,86\le \alpha \le 0,87
Question 3

En déduire le signe de la fonction gg sur l'intervalle ]0;+[\left]0;+\infty \right[.

Correction
Sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[, la fonction gg est continue et strictement croissante et g(α)=0g\left(\alpha \right)=0.
Donc g(x)0g\left(x\right)\le 0 pour tout x]0;α]x\in \left]0;\alpha \right] et g(x)0g\left(x\right)\ge 0 pour tout x[α;+[x\in \left[\alpha ;+\infty \right[.
On résume cela dans un tableau de signe :
Question 4
On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]0;+[\left]0;+\infty \right[ par f(x)=2xln(x)x2f\left(x\right)=2x-\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } .

Déterminer les limites de la fonction ff en 00 et en ++\infty.

Correction
limx0+ln(x)x2=\lim\limits_{x\to 0^{+} } \frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } =-\infty et limx+ln(x)x2=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } =0
 Calculons d’une part :\red{\text{ Calculons d'une part :}} limx0+2xln(x)x2\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x-\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} }
limx0+2x=0limx0+ln(x)x2=+}par addition\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x} & {=} & {0} \\ {\lim\limits_{x\to 0^{+} } -\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } } & {=} & {+\infty } \end{array}\right\}{\text{par addition}}
limx0+2xln(x)x2=+\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x-\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } =+\infty

On en déduit que la courbe admet une asymptote verticale d'équation x=0x=0.
 Calculons d’autre part :\red{\text{ Calculons d'autre part :}} limx+2xln(x)x2\lim\limits_{x\to +\infty } 2x-\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} }
limx+2x=+limx+ln(x)x2=0}par addition\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 2x} & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } -\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } } & {=} & {0} \end{array}\right\}{\text{par addition}}
limx+2xln(x)x2=+\lim\limits_{x\to +\infty } 2x-\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } =+\infty
Question 5

Justifier que f(x)f'\left(x\right) a le même signe que g(x)g\left(x\right).

Correction
Soit : f(x)=2xln(x)x2f\left(x\right)=2x-\frac{\ln \left(x\right)}{x^{2} } .
On reconnait 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)=x2v\left(x\right)=x^{2} .
Ainsi u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v(x)=2xv'\left(x\right)=2x.
Il vient alors que :
f(x)=21x×(x2)2xln(x)(x2)2f'\left(x\right)=2-\frac{\frac{1}{x} \times \left(x^{2} \right)-2x\ln \left(x\right)}{\left(x^{2} \right)^{2} } équivaut successivement à
f(x)=2x2xln(x)x4f'\left(x\right)=2-\frac{x-2x\ln \left(x\right)}{x^{4} }
f(x)=2x4x4x2xln(x)x4f'(x)=\frac{2x^4}{x^4}-\frac{x-2x\ln \left(x\right)}{x^{4} }
f(x)=2x4(x2xln(x))x4f'\left(x\right)=\frac{2x^{4} -\left(x-2x\ln \left(x\right)\right)}{x^{4} }
f(x)=2x4x+2xln(x)x4f'\left(x\right)=\frac{2x^{4} -x+2x\ln \left(x\right)}{x^{4} }
On factorise maintenant le numérateur par xx, ainsi : f(x)=x(2x31+2ln(x))x4f'\left(x\right)=\frac{x\left(2x^{3} -1+2\ln \left(x\right)\right)}{x^{4} }
f(x)=g(x)x3f'\left(x\right)=\frac{g\left(x\right)}{x^{3} }
Question 6

En déduire le tableau de variation de la fonction ff.

Correction
Comme x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ et que f(x)=g(x)x3f'\left(x\right)=\frac{g\left(x\right)}{x^{3} } alors ff' est du même signe que gg.
On en déduit facilement le tableau de variation de la fonction ff :