Exercices types : 22ème partie - Exercice 4

25 min
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Question 1
On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[ par f(x)=1+2ln⁡(x)xf\left(x\right)=\frac{1+2\ln \left(x\right)}{x}.

On note f′f' la dérivée de ff. Calculer f′(x)f'\left(x\right).

Correction
ff est dérivable sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[.
On reconnaît la forme : (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=1+2ln⁡(x)u\left(x\right)=1+2\ln \left(x\right) et v(x)=xv\left(x\right)=x.
Ainsi u′(x)=2xu'\left(x\right)=\frac{2}{x} et v′(x)=1v'\left(x\right)=1.
Il vient alors que :
f′(x)=2x×x−(1+2ln⁡(x))×1x2f'\left(x\right)=\frac{\frac{2}{x} \times x-\left(1+2\ln \left(x\right)\right)\times 1 }{x^{2} } équivaut successivement à :
f′(x)=2−1−2ln⁡(x)x2f'\left(x\right)=\frac{2-1-2\ln \left(x\right) }{x^{2} }
f′(x)=1−2ln⁡(x)x2f'\left(x\right)=\frac{1-2\ln \left(x\right)}{x^{2} }
Question 2

Donner la valeur exacte de f′(1e)f'\left(\frac{1}{e} \right).

Correction
f′(1e)=1−2ln⁡(1e)1ef'\left(\frac{1}{e} \right)=\frac{1-2\ln \left(\frac{1}{e} \right)}{\frac{1}{e} }
f′(1e)=1−(−2ln⁡(e))1ef'\left(\frac{1}{e} \right)=\frac{1-\left(-2\ln \left(e\right)\right)}{\frac{1}{e} }
f′(1e)=1+2ln⁡(e)1ef'\left(\frac{1}{e} \right)=\frac{1+2\ln \left(e\right)}{\frac{1}{e} }
f′(1e)=1+21ef'\left(\frac{1}{e} \right)=\frac{1+2}{\frac{1}{e} }
f′(1e)=3(1e)f'\left(\frac{1}{e} \right)=\frac{3}{\left(\frac{1}{e} \right)}
f′(1e)=3×e1f'\left(\frac{1}{e} \right)=3\times \frac{e}{1}
Ainsi :
f′(1e)=3ef'\left(\frac{1}{e} \right)=3e

Question 3

Etudier les variations de ff.

Correction
Il nous faut maintenant étudier le signe de f′f'.
Or, nous savons que : f′(x)=1−2ln⁡(x)x2f'\left(x\right)=\frac{1-2\ln \left(x\right)}{x^{2} }
Pour tout x∈]0;+∞[x\in\left]0;+\infty \right[, on vérifie aisément que x2>0x^{2}>0. Le signe de f′f' dépend alors de 1−2ln⁡(x)1-2\ln \left(x\right).
1−2ln⁡(x)≥0⇔−2ln⁡(x)≥−1⇔ln⁡(x)≤12⇔x≤e121-2\ln \left(x\right)\ge 0\Leftrightarrow -2\ln \left(x\right)\ge -1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \frac{1}{2} \Leftrightarrow x\le e^{\frac{1}{2} }
Le tableau de variation de ff est donnée ci-dessous :
Question 4

Montrer que pout tout réel strictement positif, on a : f′′(x)=4ln⁡(x)−4x3f''\left(x\right)=\frac{4\ln \left(x\right)-4}{x^{3} }.

Correction
f′f' est dérivable sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[.
On reconnaît la forme : (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=1−2ln⁡(x)u\left(x\right)=1-2\ln \left(x\right) et v(x)=x2v\left(x\right)=x^{2}.
Ainsi u′(x)=−2xu'\left(x\right)=-\frac{2}{x} et v′(x)=2xv'\left(x\right)=2x.
Il vient alors que :
f′′(x)=−2x×x2−(1−2ln⁡(x))×2x(x2)2f''\left(x\right)=\frac{-\frac{2}{x} \times x^{2} -\left(1-2\ln \left(x\right)\right)\times 2x}{\left(x^{2} \right)^{2} }
f′′(x)=−2x−(2x−4xln⁡(x))x4f''\left(x\right)=\frac{-2x-\left(2x-4x\ln \left(x\right)\right)}{x^{4} }
f′′(x)=−2x−2x+4xln⁡(x)x4f''\left(x\right)=\frac{-2x-2x+4x\ln \left(x\right)}{x^{4} }
f′′(x)=−4x+4xln⁡(x)x4f''\left(x\right)=\frac{-4x+4x\ln \left(x\right)}{x^{4} }
f′′(x)=x×(−4+4ln⁡(x))x×x3f''\left(x\right)=\frac{x\times \left(-4+4\ln \left(x\right)\right)}{x\times x^{3} }
Ainsi :
f′′(x)=−4+4ln⁡(x)x3f''\left(x\right)=\frac{-4+4\ln \left(x\right)}{x^{3} }

Question 5

Justifier que la courbe CfC_{f} admet un point d'inflexion dont on précisera les coordonnées.

Correction
  • ff possède un point d'inflexion lorsque sa dérivée seconde s'annule et change de signe en ce point.
Nous savons que f′′(x)=−4+4ln⁡(x)x3f''\left(x\right)=\frac{-4+4\ln \left(x\right)}{x^{3} }, il nous faut donc résoudre f′′(x)=0f''\left(x\right)=0.
Pour tout réel xx strictement positif, on a alors :
−4+4ln⁡(x)x3=0\frac{-4+4\ln \left(x\right)}{x^{3} }=0 équivaut successivement à :
−4+4ln⁡(x)=0-4+4\ln \left(x\right)=0
4ln⁡(x)=44\ln \left(x\right)=4
ln⁡(x)=1\ln \left(x\right)=1
ln⁡(x)=ln⁡(e)\ln \left(x\right)=\ln \left(e\right)
x=ex=e. Nous avons maintenant l'abscisse du point d'inflexion. Pour calculer son ordonnée, il nous reste à calculer f(e)f\left(e\right).
f(e)=1+2ln⁡(e)ef\left(e\right)=\frac{1+2\ln \left(e\right)}{e}
f(e)=1+2ef\left(e\right)=\frac{1+2}{e}
f(e)=3ef\left(e\right)=\frac{3}{e}
Finalement, les coordonnées du point d'inflexion sont alors (e;3e)\left(e;\frac{3}{e} \right).
Question 6

Etudier la convexité de ff.

Correction
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.
Pour tout x∈]0;+∞[x\in\left]0;+\infty \right[, on vérifie aisément que x3>0x^{3}>0.
Le signe de f′f' dépend alors de −4+4ln⁡(x)-4+4\ln \left(x\right).
−4+4ln⁡(x)≥0⇔4ln⁡(x)≥4⇔ln⁡(x)≥1⇔x≥e-4+4\ln \left(x\right)\ge 0\Leftrightarrow 4\ln \left(x\right)\ge 4\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge 1 \Leftrightarrow x\ge e
Il vient alors que :

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