La fonction exponentielle

Exercices types : 11ère partie - Exercice 3

40 min
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Question 1
Soit gg la fonction définie sur [10;3]\left[-10;3 \right] par g(x)=(x+1)e2x+3g\left(x\right)=\left(-x+1\right)e^{2x} +3

Etudiez les variations de gg.

Correction
gg est dérivable sur [10;3]\left[-10;3 \right].
g(x)=(x+1)e2x+3g\left(x\right)=\left(-x+1\right)e^{2x} +3
Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x+1u\left(x\right)=-x+1 et v(x)=e2xv\left(x\right)=e^{2x} .
On note w(x)=3w\left(x\right)=3
Ainsi : u(x)=1u'\left(x\right)=-1 et v(x)=2e2xv'\left(x\right)=2e^{2x} , enfin w(x)=0w'\left(x\right)=0
Il vient alors que :
g(x)=e2x+(x+1)(2e2x)+0g'\left(x\right)=-e^{2x} +\left(-x+1\right)\left(2e^{2x} \right)+0
g(x)=e2x(1+2(x+1))g'\left(x\right)=e^{2x} \left(-1+2\left(-x+1\right)\right) . Ici on a factorisé par e2xe^{2x}.
Ainsi :
g(x)=e2x(2x+1)g'\left(x\right)=e^{2x} \left(-2x+1\right)

Pour tout réel xx, on a e2x>0e^{2x} >0.
2x+10x12-2x+1\ge 0\Leftrightarrow x\le \frac{1}{2} . Cela signifie que 2x+1-2x+1 est positif dès que x12x\le \frac{1}{2}.
Ensuite : g(12)=12e+3g\left(\frac{1}{2} \right)=\frac{1}{2} e+3
De plus :
g(10)=11e20+3g\left(-10 \right)=11e^{-20}+3 et g(10)3g\left(-10\right)\approx 3
g(3)=2e6+3g\left(3 \right)=-2e^{6}+3 et g(3)803,8g\left(3\right)\approx -803,8
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 2

Démontrez que l'équation g(x)=0g\left(x\right)=0 admet une unique solution α[10;3]\alpha \in \left[-10;3 \right].
Donnez un encadrement de α\alpha à 10210^{-2} près.

Correction
On reprend le tableau de variation fait à la question 11. On fera apparaître dans le tableau la valeur deux que l'on recherche.
Sur [10;12]\left[-10 ;\frac{1}{2} \right], la fonction gg est continue et admet 11e20+311e^{-20}+3 comme minimum.
La fonction gg est strictement positive sur cet intervalle.
Donc l'équation g(x)=0g\left(x\right)=0 n'a pas de solution sur cet intervalle.
Sur [12;10]\left[\frac{1}{2} ;10 \right], la fonction gg est continue et strictement décroissante.
De plus, g(12)=12e+3g\left(\frac{1}{2} \right)=\frac{1}{2} e+3 et g(3)=2e6+3g\left(3 \right)=-2e^{6}+3 et g(3)803,8g\left(3\right)\approx -803,8 .
Or 0[2e6+3;12e+3]0\in \left[-2e^{6}+3 ;\frac{1}{2} e+3\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha dans [10;3]\left[-10;3 \right] tel que g(x)=0g\left(x\right)=0.
A la calculatrice, on vérifie que :
g(1,24)0,134g\left(1,24\right)\approx 0,134 et g(1,25)0,045g\left(1,25\right)\approx -0,045 .
Or 0]0,045;0,134]0\in \left]-0,045;0,134\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
1,24α1,251,24\le \alpha \le 1,25

Question 3

En déduire le signe de gg sur [10;3]\left[-10;3 \right].

Correction
Sur [10;12]\left[-10 ;\frac{1}{2} \right], la fonction gg est continue et admet 11e20+311e^{-20}+3 comme minimum.
La fonction gg est strictement positive.
Sur [12;10]\left[\frac{1}{2} ;10\right], la fonction gg est continue et strictement décroissante et g(α)=0g\left(\alpha \right)=0.
Donc g(x)0g\left(x\right)\ge 0 pour tout x[10;α]x\in \left[-10 ;\alpha \right] et g(x)0g\left(x\right)\le 0 pour tout x[α;3]x\in \left[\alpha ;3\right].
On résume cela dans un tableau de signe :
Question 4
Soit ff la fonction définie sur [10;3]\left[-10;3 \right] par f(x)=(x+32)e2x+6x1f\left(x\right)=\left(-x+\frac{3}{2} \right)e^{2x} +6x-1 .

Démontrer que, pour tout réel xx, f(x)f'\left(x\right) s'exprime en fonction de g(x)g\left(x\right).

Correction
Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x+32u\left(x\right)=-x+\frac{3}{2} et v(x)=e2xv\left(x\right)=e^{2x} .
On note w(x)=6x1w\left(x\right)=6x-1Ainsi u(x)=1u'\left(x\right)=-1 et v(x)=2e2xv'\left(x\right)=2e^{2x} , enfin w(x)=6w'\left(x\right)=6
Il vient alors que :
f(x)=e2x+(x+32)(2e2x)+6f(x)=e2x(1+2(x+32))+6f'\left(x\right)=-e^{2x} +\left(-x+\frac{3}{2} \right)\left(2e^{2x} \right)+6\Leftrightarrow f'\left(x\right)=e^{2x} \left(-1+2\left(-x+\frac{3}{2} \right)\right)+6
Ainsi : f(x)=e2x(2x+2)+6f'\left(x\right)=e^{2x} \left(-2x+2\right)+6.
On va maintenant factoriser ff'par 22.
On obtient :
f(x)=2e2x(x+1)+3×2f(x)=2[e2x(x+1)+3]f'\left(x\right)=2e^{2x} \left(-x+1\right)+3\times 2\Leftrightarrow f'\left(x\right)=2\left[e^{2x} \left(-x+1\right)+3\right]
Il en résulte que :
f(x)=2g(x)f'\left(x\right)=2g\left(x\right)

Question 5

Etudier le sens de variations de la fonction ff.

Correction
Comme f(x)=2g(x)f'\left(x\right)=2g\left(x\right), il en résulte que le signe de ff' est le même que celui de gg.
On en déduit facilement le tableau de variation de la fonction ff :