Fonction logarithme népérien

Logarithme, primitives et suites - Exercice 2

40 min
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Partie A.
Question 1
Soit ff la fonction définie sur I=[1;+[I=\left[1;+\infty \right[ par : f(x)=1xln(x)f\left(x\right)=\frac{1}{x}\ln \left(x\right). On note CC la courbe représentative de ff dans un repère orthonormé.

Démontrer que la courbe CC admet une asymptote horizontale.

Correction
  • limx+ln(x)x=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{\ln \left(x\right)}{x} =0
  • Il en résulte donc que : limx+f(x)=limx+1xln(x)=limx+ln(x)x=0\lim\limits_{x\to +\infty }f\left(x\right) =\lim\limits_{x\to +\infty }\frac{1}{x}\ln \left(x\right)=\lim\limits_{x\to +\infty }\frac{\ln \left(x\right)}{x}=0.
    La courbe CC admet la droite d’équation y=0y=0 comme asymptote horizontale en ++\infty.
    Question 2

    Déterminer la fonction dérivée ff' de la fonction ff sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.

    Correction
    Soit f(x)=1xln(x)f\left(x\right)=\frac{1}{x}\ln \left(x\right) que nous pouvons également écrire f(x)=ln(x)xf\left(x\right)=\frac{\ln \left(x\right)}{x}
    ff est dérivable sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.
    La fonction ff est définie si et seulement si x>0x>0.
    De plus ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
    Ici on reconnaît 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)=xv\left(x\right)=x.
    Ainsi u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v(x)=1v'\left(x\right)=1.
    Il vient alors que f(x)=1x×xln(x)x2f'\left(x\right)=\frac{\frac{1}{x} \times x-\ln \left(x\right)}{x^{2} } \Leftrightarrow
    f(x)=1ln(x)x2f'\left(x\right)=\frac{1-\ln \left(x\right)}{x^{2} }
    Question 3

    Étudier les variations de la fonction ff sur [1;+[\left[1;+\infty \right[.

    Correction
    Nous savons que : f(x)=1ln(x)x2f'\left(x\right)=\frac{1-\ln \left(x\right)}{x^{2} }
    Pour tout x[1;+[x\in\left[1;+\infty \right[, x2>0x^{2}>0 donc le signe de ff' dépend de 1ln(x)1-\ln \left(x\right).
    1ln(x)0ln(x)1ln(x)1ln(x)ln(e)xe1-\ln \left(x\right)\ge 0\Leftrightarrow -\ln \left(x\right)\ge -1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le 1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \ln \left(e\right) \Leftrightarrow x\le e
    Il en résulte donc que :
    • si x[1;e]x\in\left[1;e\right] alors f(x)0f'\left(x\right)\ge0 et donc ff est croissante sur cet intervalle.
    • si x[e;+[x\in\left[e;+\infty\right[ alors f(x)0f'\left(x\right)\le0 et donc ff est décroissante sur cet intervalle.
    Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
    Question 4
    Partie B.
    On considère la suite (un)\left(u_{n}\right) définie par : un=121xn+1ln(x)dxu_{n} =\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(x\right)dx pour tout entier naturel nn.

    Démontrer que u0=12[ln(2)]2u_{0} =\frac{1}{2} \left[\ln \left(2\right)\right]^{2} . Interpréter graphiquement ce résultat.

    Correction
    Nous allons commencer par calculer une primitive de la fonction f(x)=1xln(x)f\left(x\right)=\frac{1}{x}\ln \left(x\right) . Il vient alors que :
    Ainsi :
    u0=121xln(x)dxu_{0} =\int _{1}^{2}\frac{1}{x } \ln \left(x\right)dx
    u0=[12(ln(x))2]12u_{0} =\left[\frac{1}{2} \left(\ln \left(x\right)\right)^{2} \right]_{1}^{2}
    u0=12(ln(2))212(ln(1))2u_{0} =\frac{1}{2} \left(\ln \left(2\right)\right)^{2} -\frac{1}{2} \left(\ln \left(1\right)\right)^{2}
    u0=12(ln(2))2u_{0} =\frac{1}{2} \left(\ln \left(2\right)\right)^{2}
    Question 5

    Prouver que, pour tout entier naturel nn et pour tout nombre réel xx de l’intervalle [1;2]\left[1;2\right], on a : 01xn+1ln(x)1xn+1ln(2)0\le \frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(x\right)\le \frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(2\right).

    Correction
    Pour tout réel x[1;2]x\in\left[1;2\right], on a :
    1x21\le x\le 2 équivaut successivement à :
    ln(1)ln(x)ln(2)\ln \left(1\right)\le \ln \left(x\right)\le \ln \left(2\right) car la fonction xln(x)x\mapsto \ln \left(x\right) est croissante sur l'intervalle [1;2]\left[1;2\right]
    0ln(x)ln(2)0\le \ln \left(x\right)\le \ln \left(2\right)
    0×1xn+11xn+1×ln(x)1xn+1×ln(2)0\times\frac{1}{x^{n+1} }\le \frac{1}{x^{n+1} }\times\ln \left(x\right)\le \frac{1}{x^{n+1} }\times\ln \left(2\right) car 1xn+1>0\frac{1}{x^{n+1} } >0 sur l'intervalle [1;2]\left[1;2\right]
    Ainsi :
    01xn+1ln(x)1xn+1ln(2)0\le \frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(x\right)\le \frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(2\right)

    Question 6

    En déduire que, pour tout entier naturel nn, on a : 0unln(2)n(112n)0\le u_{n} \le \frac{\ln \left(2\right)}{n} \left(1-\frac{1}{2^{n} } \right).

    Correction
    Positivité de l'intégrale. Soient ff, gg et hh trois fonctions continues sur un intervalle [a;b]\left[a;b\right]
  • Si f(x)g(x)f\left(x\right)\ge g\left(x\right) alors abf(x)dxabg(x)dx\int _{a}^{b}f\left(x\right) dx\ge \int _{a}^{b}g\left(x\right) dx
  • Si f(x)g(x)f\left(x\right)\le g\left(x\right) alors abf(x)dxabg(x)dx\int _{a}^{b}f\left(x\right) dx\le \int _{a}^{b}g\left(x\right) dx
  • Si h(x)f(x)g(x)h\left(x\right)\le f\left(x\right)\le g\left(x\right) alors abh(x)dxabf(x)dxabg(x)dx\int _{a}^{b}h\left(x\right) dx \le\int _{a}^{b}f\left(x\right) dx\le \int _{a}^{b}g\left(x\right) dx
  • Si h(x)f(x)g(x)h\left(x\right)\ge f\left(x\right)\ge g\left(x\right) alors abh(x)dxabf(x)dxabg(x)dx\int _{a}^{b}h\left(x\right) dx \ge\int _{a}^{b}f\left(x\right) dx\ge \int _{a}^{b}g\left(x\right) dx
  • Pour tout réel x[1;2]x\in\left[1;2\right], d'après la question 55, on a : 01xn+1ln(x)1xn+1ln(2)0\le \frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(x\right)\le \frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(2\right).
    D'après la positivité de l'intégrale, on a :
    120dx121xn+1ln(x)dx121xn+1ln(2)dx\int _{1}^{2}0dx \le \int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(x\right)dx \le \int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(2\right)dx
    0un121xn+1ln(2)dx0\le u_{n} \le \int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(2\right)dx
    Il nous faut donc calculer : 121xn+1ln(2)dx\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(2\right)dx
    Ainsi :
    121xn+1ln(2)dx=ln(2)121xn+1dx\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } \ln \left(2\right)dx =\ln \left(2\right)\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } dx
    Pour tout entier naturel nn, la fonction x1xn+1x\mapsto \frac{1}{x^{n+1} } a pour primitive la fonction x1nxnx\mapsto -\frac{1}{nx^{n} }.
    Il en résulte donc que :
    ln(2)121xn+1dx=ln(2)×[1nxn]12\ln \left(2\right)\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } dx =\ln \left(2\right)\times \left[-\frac{1}{nx^{n} } \right]_{1}^{2}
    ln(2)121xn+1dx=ln(2)×(1n×2n(1n×1n))\ln \left(2\right)\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } dx =\ln \left(2\right)\times \left(-\frac{1}{n\times 2^{n} } -\left(-\frac{1}{n\times 1^{n} } \right)\right)
    ln(2)121xn+1dx=ln(2)×(1n×2n+1n)\ln \left(2\right)\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } dx =\ln \left(2\right)\times \left(-\frac{1}{n\times 2^{n} } +\frac{1}{n} \right) Nous allons factoriser maintenant l'expression par 1n\frac{1}{n} .
    ln(2)121xn+1dx=ln(2)×1n×(112n)\ln \left(2\right)\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } dx =\ln \left(2\right)\times \frac{1}{n} \times \left(1-\frac{1}{2^{n} } \right)
    ln(2)121xn+1dx=ln(2)n×(112n)\ln \left(2\right)\int _{1}^{2}\frac{1}{x^{n+1} } dx =\frac{\ln \left(2\right)}{n} \times \left(1-\frac{1}{2^{n} } \right)
    Finalement :
    pour tout entier naturel nn, on a :
    0unln(2)n(112n)0\le u_{n} \le \frac{\ln \left(2\right)}{n} \left(1-\frac{1}{2^{n} } \right)
    Question 7

    Déterminer la limite de la suite (un)\left(u_{n}\right).

    Correction
    limn+ln(2)n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\ln \left(2\right)}{n}=0
    limn+2n=+\lim\limits_{n\to +\infty } 2^{n}=+\infty et donc limn+112n=1\lim\limits_{n\to +\infty } 1-\frac{1}{2^{n} }=1
    Par produit :
    limn+ln(2)n(112n)=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\ln \left(2\right)}{n} \left(1-\frac{1}{2^{n} } \right)=0

    Pour tout entier naturel nn, on a : 0unln(2)n(112n)0\le u_{n} \le \frac{\ln \left(2\right)}{n} \left(1-\frac{1}{2^{n} } \right) et limn+ln(2)n(112n)=0\lim\limits_{n\to +\infty } \frac{\ln \left(2\right)}{n} \left(1-\frac{1}{2^{n} } \right)=0
    D’après le théorème des gendarmes, que la suite (un)\left(u_{n}\right) est convergente et a pour limite 00.