Fonction logarithme népérien

Exercices types : 11ère partie - Exercice 3

25 min
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On appelle ff la fonction définie sur l'intervalle ]12;+[\left]-\frac{1}{2} ;+\infty \right[par f(x)=ln(1+2x)f\left(x\right)=\ln \left(1+2x\right).
Question 1

Justifier que ff est strictement croissante sur ]12;+[\left]-\frac{1}{2} ;+\infty \right[.

Correction
La fonction ff est définie si et seulement si : 1+2x>02x>1x>121+2x>0\Leftrightarrow 2x>-1\Leftrightarrow x>\frac{-1}{2}
Ainsi le domaine de définition est :
Df=]12;+[D_{f} =\left]\frac{-1}{2} ;+\infty \right[

On calcule la dérivée de ff puis on dresse les variations de ff.
On reconnait la forme (ln(u))=uu\left(\ln \left(u\right)\right)^{'} =\frac{u'}{u}
On a u(x)=1+2xu\left(x\right)=1+2x et u(x)=2u'\left(x\right)=2
Ainsi
f(x)=21+2xf'\left(x\right)=\frac{2}{1+2x}

x]12;+[x\in \left]-\frac{1}{2} ;+\infty \right[, ainsi 1+2x>01+2x>0 et 2>02>0.
Il en résulte que ff' est strictement positive.
Donc ff est strictement croissante sur ]12;+[\left]-\frac{1}{2} ;+\infty \right[.
Question 2

Déterminer la limite de ff aux bornes de son domaine de définition.

Correction
 Calculons d’une part :\red{\text{ Calculons d'une part :}} limx12+ln(1+2x)\lim\limits_{x\to \frac{1}{2} ^{+} } \ln \left(1+2x\right)
limx12+1+2x=0+\lim\limits_{x\to -\frac{1}{2} ^{+} } 1+2x=0^{+} .
On pose X=1+2xX=1+2x, ainsi limX0+ln(X)=\lim\limits_{X\to 0^{+} } \ln \left(X\right)=-\infty .
Par composition
limx12+ln(1+2x)=\lim\limits_{x\to -\frac{1}{2} ^{+} } \ln \left(1+2x\right)=-\infty

On en déduit que la courbe admet une asymptote verticale d'équation x=12x=-\frac{1}{2} .
 Calculons d’autre part :\red{\text{ Calculons d'autre part :}} limx+ln(1+2x)\lim\limits_{x\to +\infty } \ln \left(1+2x\right)
limx+1+2x=+\lim\limits_{x\to +\infty } 1+2x=+\infty .
On pose X=1+2xX=1+2x, ainsi limX+ln(X)=+\lim\limits_{X\to +\infty } \ln \left(X\right)=+\infty .
Par composition
limx+ln(1+2x)=+\lim\limits_{x\to +\infty } \ln \left(1+2x\right)=+\infty

Question 3
Soit gg la fonction définie sur ]12;+[\left]-\frac{1}{2} ;+\infty \right[ par g(x)=f(x)xg\left(x\right)=f\left(x\right)-x

Etudier les variations de gg.
On admet que limx12+g(x)=\lim\limits_{x\to \frac{1}{2} ^{+} } g\left(x\right)=-\infty et limx+g(x)=\lim\limits_{x\to +\infty } g\left(x\right)=-\infty .

Correction
Soit g(x)=f(x)xg\left(x\right)=f\left(x\right)-x
Ainsi : g(x)=ln(1+2x)xg\left(x\right)=\ln \left(1+2x\right)-x
On calcule la dérivée de gg.
g(x)=21+2x1g(x)=21+2x1+2x1+2xg(x)=212x1+2xg(x)=12x1+2xg'\left(x\right)=\frac{2}{1+2x} -1\Leftrightarrow g'\left(x\right)=\frac{2}{1+2x} -\frac{1+2x}{1+2x} \Leftrightarrow g'\left(x\right)=\frac{2-1-2x}{1+2x} \Leftrightarrow g'\left(x\right)=\frac{1-2x}{1+2x}
x]12;+[x\in \left]-\frac{1}{2} ;+\infty \right[, ainsi 1+2x>01+2x>0.
Le signe de gg' dépend donc du numérateur 12x1-2x.
12x>02x>1x<12x<121-2x>0\Leftrightarrow -2x>-1\Leftrightarrow x<\frac{-1}{-2} \Leftrightarrow x<\frac{1}{2}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 12x1-2x dès que x<12x<\frac{1}{2}
Or g(12)=ln(1+2×12)12g(12)=ln(2)12g\left(\frac{1}{2} \right)=\ln \left(1+2\times \frac{1}{2} \right)-\frac{1}{2} \Leftrightarrow g\left(\frac{1}{2} \right)=\ln \left(2\right)-\frac{1}{2} et g(12)>0g\left(\frac{1}{2} \right)>0
Question 4

Démontrer que l'équation g(x)=0g\left(x\right)=0 admet deux solutions 00 et β\beta appartenant à [1;2]\left[1;2\right].

Correction
Sur ]12;12[\left]-\frac{1}{2} ;\frac{1}{2} \right[, la fonction gg est continue et strictement croissante.
De plus, limx12+g(x)=\lim\limits_{x\to -\frac{1}{2} ^{+} } g\left(x\right)=-\infty et g(12)=ln(2)12g\left(\frac{1}{2} \right)=\ln \left(2\right)-\frac{1}{2} .
Or 0];ln(2)12[0\in \left]-\infty ;\ln \left(2\right)-\frac{1}{2} \right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha dans ]12;12[\left]-\frac{1}{2} ;\frac{1}{2} \right[ tel que g(x)=0g\left(x\right)=0.
Or g(0)=ln(1+2×0)0g(0)=0g\left(0\right)=\ln \left(1+2\times 0\right)-0\Leftrightarrow g\left(0\right)=0.
Donc 00 est une solution de l'équation g(x)=0g\left(x\right)=0.
Sur ]12;+[\left]\frac{1}{2} ;+\infty \right[, la fonction gg est continue et strictement décroissante.
De plus, g(12)=ln(2)12g\left(\frac{1}{2} \right)=\ln \left(2\right)-\frac{1}{2} et limx+g(x)=\lim\limits_{x\to +\infty } g\left(x\right)=-\infty .
Or 0];ln(2)12[0\in \left]-\infty ;\ln \left(2\right)-\frac{1}{2} \right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution β\beta dans ]12;+[\left]\frac{1}{2} ;+\infty \right[ tel que g(x)=0g\left(x\right)=0.
A la calculatrice, on vérifie que :
g(1,25)0,0027g\left(1,25\right)\approx 0,0027 et g(1,26)0,001g\left(1,26\right)\approx -0,001 .
Or 0]0,001;0,0027]0\in \left]-0,001;0,0027\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
1,25β1,261,25\le \beta \le 1,26
Question 5

En déduire le signe de gg sur ]12;+[\left]-\frac{1}{2} ;+\infty \right[.

Correction
Sur ]12;12]\left]-\frac{1}{2} ;\frac{1}{2} \right], la fonction gg est continue et strictement croissante et g(0)=0g\left(0\right)=0.
Donc g(x)0g\left(x\right)\le 0 pour tout x]12;0]x\in \left]-\frac{1}{2} ;0\right] et g(x)0g\left(x\right)\ge 0 pour tout x[0;12]x\in \left[0;\frac{1}{2} \right].
Sur [12;+[\left[\frac{1}{2} ;+\infty \right[, la fonction gg est continue et strictement décroissante et g(β)=0g\left(\beta \right)=0.
Donc g(x)0g\left(x\right)\ge 0 pour tout x[12;β[x\in \left[\frac{1}{2} ;\beta \right[ et g(x)0g\left(x\right)\le 0 pour tout x[β;+[x\in \left[\beta ;+\infty \right[.
On résume cela dans un tableau de signe :