On appelle f la fonction définie sur l'intervalle ]−21;+∞[par f(x)=ln(1+2x).
Question 1
Justifier que f est strictement croissante sur ]−21;+∞[.
Correction
La fonction f est définie si et seulement si : 1+2x>0⇔2x>−1⇔x>2−1 Ainsi le domaine de définition est :
Df=]2−1;+∞[
On calcule la dérivée de f puis on dresse les variations de f. On reconnait la forme (ln(u))′=uu′ On a u(x)=1+2x et u′(x)=2 Ainsi
f′(x)=1+2x2
x∈]−21;+∞[, ainsi 1+2x>0 et 2>0. Il en résulte que f′ est strictement positive. Donc f est strictement croissante sur ]−21;+∞[.
Question 2
Déterminer la limite de f aux bornes de son domaine de définition.
Correction
Calculons d’une part :x→21+limln(1+2x) x→−21+lim1+2x=0+. On pose X=1+2x, ainsi X→0+limln(X)=−∞. Par composition
x→−21+limln(1+2x)=−∞
On en déduit que la courbe admet une asymptote verticale d'équation x=−21. Calculons d’autre part :x→+∞limln(1+2x) x→+∞lim1+2x=+∞. On pose X=1+2x, ainsi X→+∞limln(X)=+∞. Par composition
x→+∞limln(1+2x)=+∞
Question 3
Soit g la fonction définie sur ]−21;+∞[ par g(x)=f(x)−x
Etudier les variations de g. On admet que x→21+limg(x)=−∞ et x→+∞limg(x)=−∞.
Correction
Soit g(x)=f(x)−x Ainsi : g(x)=ln(1+2x)−x On calcule la dérivée de g. g′(x)=1+2x2−1⇔g′(x)=1+2x2−1+2x1+2x⇔g′(x)=1+2x2−1−2x⇔g′(x)=1+2x1−2x x∈]−21;+∞[, ainsi 1+2x>0. Le signe de g′ dépend donc du numérateur 1−2x. 1−2x>0⇔−2x>−1⇔x<−2−1⇔x<21 Cela signifie que l'on mettra le signe + pour le signe de 1−2x dès que x<21
Or g(21)=ln(1+2×21)−21⇔g(21)=ln(2)−21 et g(21)>0
Question 4
Démontrer que l'équation g(x)=0 admet deux solutions 0 et β appartenant à [1;2].
Correction
Sur ]−21;21[, la fonction g est continue et strictement croissante. De plus, x→−21+limg(x)=−∞ et g(21)=ln(2)−21. Or 0∈]−∞;ln(2)−21[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α dans ]−21;21[ tel que g(x)=0. Or g(0)=ln(1+2×0)−0⇔g(0)=0. Donc 0 est une solution de l'équation g(x)=0. Sur ]21;+∞[, la fonction g est continue et strictement décroissante. De plus, g(21)=ln(2)−21et x→+∞limg(x)=−∞ . Or 0∈]−∞;ln(2)−21[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution β dans ]21;+∞[ tel que g(x)=0. A la calculatrice, on vérifie que : g(1,25)≈0,0027 et g(1,26)≈−0,001 . Or 0∈]−0,001;0,0027], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
1,25≤β≤1,26
Question 5
En déduire le signe de g sur ]−21;+∞[.
Correction
Sur ]−21;21], la fonction g est continue et strictement croissante et g(0)=0. Donc g(x)≤0 pour tout x∈]−21;0] et g(x)≥0 pour tout x∈[0;21]. Sur [21;+∞[, la fonction g est continue et strictement décroissante et g(β)=0. Donc g(x)≥0 pour tout x∈[21;β[ et g(x)≤0 pour tout x∈[β;+∞[. On résume cela dans un tableau de signe :
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