La fonction exponentielle

Exercices types : 11ère partie - Exercice 2

30 min
50
Question 1
Soit gg la fonction définie sur ];+[\left]-\infty;+\infty\right[ par g(x)=exx+1g\left(x\right)=e^{x}-x+1. On note CgC_{g} sa courbe représentative.

Etudiez les variations de gg. Calculer g(0)g\left(0\right) et en déduire le signe de gg.

Correction
gg est dérivable sur ];+[\left]-\infty;+\infty\right[. On a :
g(x)=ex1g'\left(x\right)=e^{x}-1
Or :
ex10e^{x}-1\ge 0 équivaut successivement à :
ex1e^{x}\ge 1
exe0e^{x}\ge e^{0}
x0x\ge 0 . Cela signifie que ex1e^{x}-1 est positive ou nulle dès que x0x\ge 0.
De plus , g(0)=e00+1g\left(0\right)=e^{0}-0+1 c'est à dire g(0)=2g\left(0\right)=2.
Nous allons pouvoir dresser le tableau de variation de gg. Il vient alors que :
On remarque que le minimum de gg vaut 22 lorsque x=0x=0. Il en résulte alors que gg est positive sur ];+[\left]-\infty;+\infty\right[ ou encore g(x)0g\left(x\right)\ge 0 sur ];+[\left]-\infty;+\infty\right[.
On en déduit alors le signe de gg.
Question 2
On considère maintenant ff la fonction définie sur [1;+[\left[-1;+\infty\right[ par f(x)=x+1+xexf\left(x\right)=x+1+ \frac{x}{e^{x}}. On note CfC_{f} sa courbe représentative.

Montrer que pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [1;+[\left[-1;+\infty\right[, on a : f(x)=g(x)exf'\left(x\right)= \frac{g\left(x\right)}{e^{x}}

Correction
ff est dérivable sur [1;+[\left[-1;+\infty\right[.
Ici on reconnaît la forme : (w+uv)=w+uvuvv2\left(w+\frac{u}{v} \right)^{'} =w'+\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=xu\left(x\right)=x et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x} et w(x)=x+1w\left(x\right)=x+1 .
Ainsi : u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} et w(x)=1w'\left(x\right)=1.
Il vient alors que :
f(x)=1+exxex(ex)2f'\left(x\right)=1+\frac{e^{x} -xe^{x} }{\left(e^{x}\right)^{2} }. Nous allons tout mettre au même dénominateur.
f(x)=(ex)2+exxex(ex)2f'\left(x\right)=\frac{\left(e^{x}\right)^{2}+e^{x} -xe^{x} }{\left(e^{x}\right)^{2} }. Maintenant on factorise par exe^{x}, ce qui donne :
f(x)=ex(ex+1x)(ex)2f'\left(x\right)=\frac{e^{x} \left(e^{x}+1-x \right)}{\left(e^{x} \right)^{2} } . Puis on simplifie le numérateur et le dénominateur par exe^{x}. D'où :
f(x)=ex+1xexf'\left(x\right)=\frac{e^{x}+1-x}{e^{x}}
Ainsi :
f(x)=g(x)exf'\left(x\right)= \frac{g\left(x\right)}{e^{x}}
Question 3

En déduire les variations de la fonction ff.

Correction
Pour tout réel xx appartenant à [1;+[\left[-1;+\infty\right[, on a : f(x)=g(x)exf'\left(x\right)= \frac{g\left(x\right)}{e^{x}}
Nous savons que ex>0e^{x}>0, donc le signe de ff' dépend du signe de gg. Or, d'après la question 11, g(x)0g\left(x\right) \ge 0 pour tout réel xx appartenant à l'intervalle ];+[\left]-\infty;+\infty\right[ donc g(x)0g\left(x\right) \ge 0 pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [1;+[\left[-1;+\infty\right[. Ainsi f(x)0f\left(x\right) \ge 0 pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [1;+[\left[-1;+\infty\right[
Nous avons donc le tableau de variation ci-dessous :
Question 4

Démontrez que l'équation f(x)=0f\left(x\right)=0 admet une unique solution α[1;0]\alpha \in \left[-1;0\right].
Donnez un encadrement de α\alpha à 10210^{-2} près.

Correction
Nous allons reproduire le tableau de variation de ff uniquement sur l'intervalle [1;0]\left[-1;0\right].
On a :
f(1)=1e1f\left(-1\right)=\frac{-1}{e^{-1}} et f(1)=e1<0f\left(-1\right)=-e^{1}<0
f(0)=1>0f\left(0\right)=1>0
On a donc le tableau de variation ci-dessous, et l'on a fait également apparaître le zéro que l'on recherche.

Sur [1;0]\left[-1 ;0 \right], la fonction ff est continue et strictement croissante.
De plus, f(1)=e1<0f\left(-1\right)=-e^{1}<0 et f(0)=1>0f\left(0\right)=1>0.
Or 0[e1;1]0\in \left[-e^{1} ;1\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha dans [1;0]\left[-1;0\right] tel que f(x)=0f\left(x\right)=0.
A la calculatrice, on vérifie que :
f(0,41)0,027f\left(-0,41\right)\approx -0,027 et f(0,4)0,003f\left(-0,4\right)\approx 0,003 .
Or 0]0,027;0,003]0\in \left]-0,027;0,003\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
0,41α0,4-0,41\le \alpha \le -0,4

Question 5

En déduire le signe de ff sur [1;+[\left[-1;+\infty\right[.

Correction
Sur [1;+[\left[-1;+\infty\right[, la fonction ff est continue et strictement croissante et f(α)=0f\left(\alpha \right)=0.
Donc f(x)0f\left(x\right)\le 0 pour tout x[1;α]x\in \left[-1 ;\alpha \right] et f(x)0f\left(x\right)\ge 0 pour tout x[α;+[x\in \left[\alpha ;+\infty\right[.
On résume cela dans un tableau de signe :