Soit f une fonction définie sur ]0;+∞[ par f(x)=ln(x).
Etudier le signe de f sur ]0;+∞[.
Correction
ln(x)≥0⇔eln(x)≥e0⇔x≥1 Traduisons ci-dessous le tableau de signe de la fonction x↦ln(x).
Question 2
Soit F la fonction définie sur ]0;+∞[ par F(x)=xln(x)−x.
Vérifier que F est une primitive de f sur ]0;+∞[.
Correction
Dans le cas où une primitive F est donnée, il vous suffit de dériver F et d'obtenir comme résultat f. Autrement dit, il faut que : F′(x)=f(x)
F est dérivable sur ]0;+∞[. Ici on reconnaît la forme (uv−w)′=u′v+uv′−w′ avec u(x)=x ; v(x)=ln(x) et w(x)=x Ainsi u′(x)=1 ; v′(x)=x1 et w′(x)=1. Il vient alors que F′(x)=1×ln(x)+x×x1−1
F′(x)=ln(x)=f(x)
Question 3
Déterminer le réel a>1 tel que : ∫1aln(x)dx=1
Correction
∫1aln(x)dx=1 équivaut successivement à : [xln(x)−x]1a=1 aln(a)−a−(1×ln(1)−1)=1 aln(a)−a−(−1)=1 aln(a)−a+1=1 aln(a)−a=0 a(ln(a)−1)=0 Il s'agit d'une équation produit nul : a=0 ou ln(a)−1=0 On rejette la solution a=0 car a>1. Il ne nous reste plus qu'à résoudre ln(a)−1=0 ln(a)−1=0 équivaut successivement à : ln(a)=1 ln(a)=ln(e)
a=e
Le réel a>1 tel que : ∫1aln(x)dx=1 est le réel a=e.
Question 4
Peut-on alors considérer la fonction x↦ln(x) comme une densité de probabilité sur l’intervalle [1;a].
Correction
On appelle densité de probabilité d’une variable aléatoire continue X, toute fonction f vérifiant les conditions suivantes :
f est continue sur [1;a]
f est positive sur [1;a]
∫1af(x)dx=1
Nous savons, ici, que a=e.
D'après la question 1, x↦ln(x) est positive sur l'intervalle [1;a].
De plus, x↦ln(x) est continue, par définition sur ]0;+∞[ et donc est continue en particulier sur [1;a]
D'après la question 3, on a vu que ∫0aln(x)dx=1
Il en résulte donc que la fonction x↦ln(x) est une densité de probabilité sur l’intervalle [1;a] avec a=e.
Question 5
Soit G la fonction définie sur ]0;+∞[ par G(x)=21x2ln(x)−41x2.
Vérifier que G est une primitive de x↦xln(x) sur ]0;+∞[.
Correction
Dans le cas où une primitive F est donnée, il vous suffit de dériver F et d'obtenir comme résultat f. Autrement dit, il faut que : F′(x)=f(x)
G est dérivable sur ]0;+∞[. Ici on reconnaît la forme (uv−w)′=u′v+uv′−w′ avec u(x)=21x2 ; v(x)=ln(x) et w(x)=41x2 Ainsi u′(x)=x ; v′(x)=x1 et w′(x)=21x. Il vient alors que G′(x)=xln(x)+21x2×x1−21x G′(x)=xln(x)+21x−21x
G′(x)=xln(x)
Question 6
Déterminer l'espérance de la fonction x↦ln(x) comme densité de probabilité sur l’intervalle [1;e].
Correction
L'espérance mathématique d'une variable aléatoire continue X, de densité f sur [a,b] est : E(X)=∫abxf(x)dx
Ainsi : E(X)=∫1exf(x)dx équivaut successivement à E(X)=∫1ex×ln(x)dx D'après la question 5, on sait que x↦21x2ln(x)−41x2 est une primitive de x↦xln(x) Finalement : E(X)=∫1ex×ln(x)dx équivaut successivement à : E(X)=[21x2ln(x)−41x2]1e E(X)=(21e2ln(e)−41e2)−(21×12×ln(1)−41×12) E(X)=(21e2−41e2)−(−41)