Etudes de fonctions - Exercice 4

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Question 1
Soit ff la fonction définie sur ]0;10]\left]0 ;10\right] par f(x)=−xln⁡x+2x+1f\left(x\right)=-x\ln x+2x+1.
La courbe CC est la représentation graphique de la fonction ff sur l’intervalle ]0;10]\left]0 ;10\right].

Calculer f′(x)f'\left(x\right).

Correction
ff est dérivable sur ]0;10]\left]0 ;10\right]
On reconnaît la forme : (uv+w)′=u′v+uv′+w′\left(uv+w\right)'=u'v+uv'+w' avec u(x)=−xu\left(x\right)=-x ; v(x)=ln⁡(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right) et w(x)=2x+1w\left(x\right)=2x+1.
Ainsi : u′(x)=−1u'\left(x\right)=-1 ; v′(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} et w′(x)=2w'\left(x\right)=2 .
Il vient alors que :
f′(x)=−ln⁡(x)−x×1x+2f'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)-x\times \frac{1}{x} +2
f′(x)=−ln⁡(x)−1+2f'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)-1+2
f′(x)=−ln⁡(x)+1f'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)+1

Question 2

Etudiez les variations de ff sur ]0;10]\left]0 ;10\right]. Donner la valeur exacte de son extremum.

Correction
D'après la question 11, nous savons que :
f′(x)=−ln⁡(x)+1f'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)+1

Etudions le signe de f′f'.
−ln⁡(x)+1≥0-\ln \left(x\right)+1\ge 0 équivaut successivement :
−ln⁡(x)≥−1-\ln \left(x\right)\ge -1
ln⁡(x)≤1\ln \left(x\right)\le 1
ln⁡(x)≤ln⁡(e1)\ln \left(x\right)\le \ln \left(e^{1} \right)
x≤e1x\le e^{1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de −ln⁡(x)+1-\ln \left(x\right)+1 dès que x≤ex\le e .
De plus, ff admet donc un maximum lorsque x=ex=e
On a alors :
f(e)=−eln⁡e+2e+1f\left(e\right)=-e\ln e+2e+1
f(e)=−e+2e+1f\left(e\right)=-e+2e+1
f(e)=e+1f\left(e\right)=e+1

Nous allons maintenant donner ci-dessous le tableau de variation de ff.
Question 3

Montrer que la courbe CC est entièrement située en dessous de chacune de ses tangentes sur l’intervalle ]0;10]\left]0 ;10\right].

Correction
Ici, on nous demande d'étudier la convexité de la fonction ff.
Pour étudier la convexité de la fonction ff, il faut étudier le signe de f′′f''.
  • Lorsque f′′(x)≥0f''\left(x\right)\ge 0 sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est convexe.
  • Lorsque f′′(x)≤0f''\left(x\right)\le 0 sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est concave.
  • Lorsque les tangentes sont situées au-dessus de la courbe sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est concave sur [a,b]\left[a,b\right].
  • Lorsque les tangentes sont situées en dessous de la courbe sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est convexe sur [a,b]\left[a,b\right].
Nous savons que f′(x)=−ln⁡(x)+1f'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)+1.
Il en résulte donc que : f′′(x)=−1xf''\left(x\right)=-\frac{1}{x}
Comme x∈]0;10]x\in\left]0 ;10\right] alors x>0x>0 ce qui signifie que −1x<0-\frac{1}{x}<0 et de ce fait f′′(x)<0f''\left(x\right)<0.
Il en résulte donc que la fonction ff est concave sur l'intervalle ]0;10]\left]0 ;10\right] donc les tangentes sont situées au-dessus de la courbe et de ce fait la courbe CC est entièrement située en dessous de chacune de ses tangentes sur l’intervalle ]0;10]\left]0 ;10\right]
Question 4
On admet que la fonction FF définie par F(x)=−x22ln⁡(x)+54x2+x−7F\left(x\right)=-\frac{x^{2} }{2} \ln \left(x\right)+\frac{5}{4} x^{2} +x-7 est une primitive de la fonction ff sur l’intervalle ]0;10]\left]0 ;10\right].

Calculer la valeur exacte de I=∫12f(x)dxI=\int _{1}^{2}f\left(x\right) dx.

Correction
Comment calculer l'intégrale I=∫abf(x)dxI=\int _{a}^{b}f\left(x\right) dx ?
1ère étape : on calcule une primitive de ff notée FF.
2ème étape : I=F(b)−F(a)I=F\left(b\right)-F\left(a\right) et on effectue le calcul numérique.
Soit f(x)=−xln⁡x+2x+1f\left(x\right)=-x\ln x+2x+1 alors F(x)=−x22ln⁡(x)+54x2+x−7F\left(x\right)=-\frac{x^{2} }{2} \ln \left(x\right)+\frac{5}{4} x^{2} +x-7.
Il vient alors que :
I=∫12f(x)dxI=\int _{1}^{2}f\left(x\right) dx équivaut successivement à :
I=F(2)−F(1)I=F\left(2\right)-F\left(1\right)
I=−222ln⁡(2)+54×22+2−7−(−122ln⁡(1)+54×12+1−7)I=-\frac{2^{2} }{2} \ln \left(2\right)+\frac{5}{4} \times 2^{2} +2-7-\left(-\frac{1^{2} }{2} \ln \left(1\right)+\frac{5}{4} \times 1^{2} +1-7\right)
I=−2ln⁡(2)+5+2−7−(−122×0+54+1−7)I=-2\ln \left(2\right)+5+2-7-\left(-\frac{1^{2} }{2} \times 0+\frac{5}{4} +1-7\right)
I=−2ln⁡(2)−(−194)I=-2\ln \left(2\right)-\left(-\frac{19}{4} \right)
I=−2ln⁡(2)+194I=-2\ln \left(2\right)+\frac{19}{4}
Finalement :
I=−2ln⁡(2)+194I=-2\ln \left(2\right)+\frac{19}{4}
Question 5

En déduire la valeur moyenne de ff sur l'intervalle [1;2]\left[1 ;2\right].

Correction
ff une fonction continue sur un intervalle [a;b]\left[a;b\right].
La valeur moyenne de la fonction ff sur [a;b]\left[a;b\right] est le réel mm défini par m=1b−a∫abf(x)dxm=\frac{1}{b-a} \int _{a}^{b}f\left(x\right) dx
Dans notre situation, nous avons donc :
m=12−1∫12f(x)dxm=\frac{1}{2-1} \int _{1}^{2}f\left(x\right) dx
Ainsi :
m=11×(−2ln⁡(2)+194)m=\frac{1}{1} \times\left(-2\ln \left(2\right)+\frac{19}{4}\right)
qui correspond à la valeur exacte.
m≈3,36m\approx3,36
qui correspond à un arrondi à 10−210^{-2} près.

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