Fonction logarithme népérien

Variations - Exercice 1

35 min
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Etudier les variations des fonctions suivantes
Question 1

f(x)=3ln(x)+2x1f\left(x\right)=3\ln \left(x\right)+2x-1 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
f(x)=3x+2f'\left(x\right)=\frac{3}{x} +2 . Nous allons tout mettre au même dénominateur .
f(x)=3x+2xxf'\left(x\right)=\frac{3}{x} +\frac{2x}{x}
f(x)=3+2xxf'\left(x\right)=\frac{3+2x}{x}
3+2x02x3x323+2x\ge 0\Leftrightarrow 2x\ge -3 \Leftrightarrow x\ge\frac{-3}{2}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 3+2x3+2x dès que x32x\ge \frac{-3}{2} . Or nous travaillons sur l'intervalle ]0;+[\left]0;+\infty \right[. Cela signifie donc que ff' est positive sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[ .
Question 2

f(x)=ln(x)+x+6f\left(x\right)=-\ln \left(x\right)+x+6 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
f(x)=1x+1f'\left(x\right)=-\frac{1}{x} +1 . Nous allons tout mettre au même dénominateur .
f(x)=1x+xxf'\left(x\right)=-\frac{1}{x} +\frac{x}{x}
f(x)=1+xx f'\left(x\right)=\frac{-1+x}{x}
1+x0x1-1+x\ge 0\Leftrightarrow x\ge 1
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 1+x-1+x dès que x1x\ge 1
Question 3

f(x)=4ln(x)2x2+1f\left(x\right)=4\ln \left(x\right)-2x^{2} +1 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=4x4xf'\left(x\right)=\frac{4}{x} -4x (ensuite toujours mettre au même dénominateur)
f(x)=4x4x2xf'\left(x\right)=\frac{4}{x} -\frac{4x^{2} }{x}
Ainsi : f(x)=44x2xf'\left(x\right)=\frac{4-4x^{2} }{x}
Comme on travaille sur l'intervalle I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ alors le dénominateur est strictement positif.
Il en résulte que le signe de ff' dépend du numérateur 44x24-4x^{2} .
44x24-4x^{2} est une équation du second degré, pour étudier son signe on va utiliser le discriminant .
On donnera directement les résultats : Δ=64\Delta =64 ; x1=1x_{1} =-1 et x2=1x_{2} =1 .
Comme a=4<0a=-4<0, la parabole est tournée vers le bas c'est-à-dire que ff est du signe de aa à l'extérieur des racines et du signe opposé à aa entre les racines.
Pour nous aider on va donner pour le moment le signe de 44x24-4x^{2} sur ];+[\left]-\infty ;+\infty \right[ (vous ne devrez en aucun cas le faire sur votre copie c'est juste pour nous aider)
On n'oublie pas que nous devons étudier les variations de ff sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[.
On en déduit maintenant le tableau de variation de ff sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ :
Question 4

f(x)=xln(x)f\left(x\right)=x\ln \left(x\right) sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
On reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=xu\left(x\right)=x et v(x)=ln(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right).
Ainsi u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} .
Il vient alors que :
f(x)=1×ln(x)+x×1xf'\left(x\right)=1\times \ln \left(x\right)+x\times \frac{1}{x}
f(x)=ln(x)+xxf'\left(x\right)= \ln \left(x\right)+ \frac{x}{x}
Ainsi :
f(x)=ln(x)+1f'\left(x\right)=\ln \left(x\right)+1

ln(x)+10ln(x)1ln(x)ln(e1)xe1\ln \left(x\right)+1\ge 0\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge -1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{-1} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{-1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de ln(x)+1\ln \left(x\right)+1 dès que xe1x\ge e^{-1}
Question 5

f(x)=ln(x)2xf\left(x\right)=\frac{\ln \left(x\right)}{2x} sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
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)=2xv\left(x\right)=2x.
Ainsi u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v(x)=2v'\left(x\right)=2.
Il vient alors que :
f(x)=1x×(2x)2ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{\frac{1}{x} \times \left(2x\right)-2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }
f(x)=2xx2ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{\frac{2x}{x} -2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }
Ainsi :
f(x)=22ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{2-2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }

Comme x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ alors (2x)2>0\left(2x\right)^{2}>0 et donc le signe de ff' dépend de 22ln(x)2-2\ln \left(x\right)
22ln(x)02ln(x)2ln(x)22ln(x)1ln(x)ln(e1)xe12-2\ln \left(x\right)\ge 0\Leftrightarrow -2\ln \left(x\right)\ge -2\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \frac{-2}{-2} \Leftrightarrow\ln \left(x\right)\le 1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \ln \left(e^{1} \right)\Leftrightarrow x\le e^{1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 22ln(x)2-2\ln \left(x\right) dès que xe1x\le e^{1}
Question 6

f(x)=3(ln(x))26ln(x)+3f\left(x\right)=3\left(\ln \left(x\right)\right)^{2} -6\ln \left(x\right)+3 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
  • (un)=n×u×un1\left(u^{n} \right)^{'} =n\times u'\times u^{n-1}
  • Pour effectuer la dérivée de (ln(x))2\left(\ln \left(x\right)\right)^{2} , nous allons utiliser le rappel.
    Notons g(x)=(ln(x))2g\left(x\right)=\left(\ln \left(x\right)\right)^{2}, il en résulte donc que : g(x)=2×1x×ln(x)g'\left(x\right)= 2\times \frac{1}{x} \times \ln \left(x\right) .
    Nous allons pouvoir maintenant calculer la dérivée de ff. Ainsi :
    ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
    f(x)=3×2×1x×ln(x)6xf'\left(x\right)=3\times 2\times \frac{1}{x} \times \ln \left(x\right)-\frac{6}{x}
    f(x)=6ln(x)x6xf'\left(x\right)=\frac{6\ln \left(x\right)}{x} -\frac{6}{x}
    f(x)=6ln(x)6xf'\left(x\right)=\frac{6\ln \left(x\right)-6}{x}

    Comme x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ alors x>0x>0 et donc le signe de ff' dépend de 6ln(x)66\ln \left(x\right)-6 .
    6ln(x)606ln(x)6ln(x)66ln(x)1ln(x)ln(e1)xe16\ln \left(x\right)-6\ge 0\Leftrightarrow 6\ln \left(x\right)\ge 6\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \frac{6}{6} \Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge 1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{1} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{1}
    Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 6ln(x)66\ln \left(x\right)-6 dès que xe1x\ge e^{1}
    Question 7

    f(x)=3xln(x)7xf\left(x\right)=3x\ln \left(x\right)-7x sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

    Correction
    ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
    On reconnaît la forme (uv+w)=(uv+uv+w)\left(uv+w\right)'=\left(u'v+uv'+w'\right) avec u(x)=3xu\left(x\right)=3x ; v(x)=ln(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right) et w(x)=7xw\left(x\right)=-7x .
    Ainsi u(x)=3u'\left(x\right)=3 ; v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} et w(x)=7w'\left(x\right)=-7.
    Il vient alors que :
    f(x)=3ln(x)+3x×1x7f'\left(x\right)=3\ln \left(x\right)+3x\times \frac{1}{x} -7
    f(x)=3ln(x)+3xx7f'\left(x\right)=3\ln \left(x\right)+\frac{3x}{x} -7
    f(x)=3ln(x)+37f'\left(x\right)=3\ln \left(x\right)+3-7
    f(x)=3ln(x)4f'\left(x\right)=3\ln \left(x\right)-4

    Le signe de ff' dépend donc de 3ln(x)43\ln \left(x\right)-4 .
    3ln(x)403ln(x)4ln(x)43ln(x)ln(e43)xe433\ln \left(x\right)-4\ge 0\Leftrightarrow 3\ln \left(x\right)\ge 4\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \frac{4}{3}\Leftrightarrow\ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{\frac{4}{3}} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{\frac{4}{3}}
    Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 3ln(x)43\ln \left(x\right)-4 dès que xe43x\ge e^{\frac{4}{3}}
    Question 8

    f(x)=(ln(x)+4)2f\left(x\right)=\left(\ln \left(x\right)+4\right)^{2} sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

    Correction
    ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
  • (un)=n×u×un1\left(u^{n} \right)^{'} =n\times u'\times u^{n-1}
  • On reconnaît ici unu^{n} u(x)=ln(x)+4u\left(x\right)=\ln \left(x\right)+4 et n=2n=2. Ainsi u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x}.
    Il en résulte que :
    f(x)=2×1x×(ln(x)+4)f'\left(x\right)=2\times \frac{1}{x} \times \left(\ln \left(x\right)+4\right)
    Finalement :
    f(x)=2(ln(x)+4)xf'\left(x\right)=\frac{2\left(\ln \left(x\right)+4\right)}{x}

    Pour tout réel x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ , on vérifie aisément que 2>02>0 et x>0x>0. Il en résulte donc que le signe de ff' dépend de ln(x)+4\ln \left(x\right)+4.
    ln(x)+40ln(x)4ln(x)ln(e4)xe4\ln \left(x\right)+4\ge 0\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge -4\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{-4} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{-4}
    Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de ff' dès que xe4x\ge e^{-4} .