Pour tout réel k strictement positif. On considère la fonction fk définie sur [0;+∞[ par : fk(x)=ln(ex+kx)−x Soit Ck la courbe représentative de la fonction fk dans le plan muni d'un repère (O;i;j)
Question 1
Partie A : Mise en place d'une inégalité On considère la fonction g définie sur [0;+∞[ par : g(x)=ln(1+x)−x.
Etudier le sens de variation de g .
Correction
La fonction g est dérivable sur [0;+∞[, on a : g′(x)=1+x1−1 g′(x)=1+x1−1+x1+x g′(x)=1+x1−1−x
g′(x)=1+x−x
Comme x∈[0;+∞[ alors 1+x≥1 et −x≤0. Il en résulte que g′(x)≤0. La fonction g est donc décroissante sur [0;+∞[. On traduit cela dans un tableau de variation :
De plus, g(0)=ln(1+0)−0=0. Le maximum de g est donc 0.
Question 2
En déduire que pour tout réel x positif ou nul ln(1+x)≤x.
Correction
Ainsi, pour tout x∈[0;+∞[, le maximum de g est donc 0. Ainsi : g(x)≤0 ou encore ln(1+x)−x≤0. Finalement :
ln(1+x)≤x
Question 3
Partie B : Etude de la fonction f1 définie sur [0;+∞[ par f1(x)=ln(ex+x)−x
Montrer que pour tout réel x appartenant à l'intervalle [0;+∞[, f1(x)=ln(1+exx). En déduire la limite de f1 en +∞.
Correction
f1(x)=ln(ex+x)−x équivaut successivement à f1(x)=ln(ex×(exex+x))−x f1(x)=ln(ex×(exex+exx))−x f1(x)=ln(ex×(1+exx))−x f1(x)=ln(ex)+ln(1+exx)−x f1(x)=x+ln(1+exx)−x
f1(x)=ln(1+exx)
Or x→+∞limexx=0 ainsi x→+∞lim(1+exx)=1. On pose X=1+exx et X→1limln(X)=0 Finalement, par composition x→+∞limln(1+exx)=0 La courbe C1 admet une asymptote horizontale d'équation y=0 au voisinage de plus l'infini.
Question 4
Calculer f1′(x) pour tout réel x appartenant à l'intervalle [0;+∞[ et en déduire le sens de variation de la fonction f1.
Correction
La fonction f1 est dérivable sur [0;+∞[et : f1′(x)=ex+xex+1−1 équivaut successivement à f1′(x)=ex+xex+1−(ex+x) f1′(x)=ex+xex+1−ex−x
f1′(x)=ex+x1−x
Pour tout réel x∈[0;+∞[, le dénominateur ex+x est strictement positif. Le signe de f1′ est alors du signe de 1−x. Or, 1−x≥0⇔x≤1. Il vient alors que : la fonction f1′ est donc positive sur[0;1] et négative sur [1;+∞[. Finalement, la fonction f1 est donc croissante sur[0;1] et décroissante sur [1;+∞[.
Question 5
Dresser le tableau de variation de f1.
Correction
Suite aux informations obtenues à la question 2, on dresse le tableau de variation ci-dessous :
De plus,
f1(0)=ln(1+e00) donc f1(0)=0
f1(1)=ln(1+e11) donc f1(1)=ln(1+e1)
Question 6
Partie C : Etude et propriétés des fonctions fk
Montrer que pour tout réel x appartenant à l'intervalle [0;+∞[, fk(x)=ln(1+kexx). En déduire la limite de fk en +∞.
Correction
fk(x)=ln(ex+kx)−x équivaut successivement à fk(x)=ln(ex×(exex+kx))−x fk(x)=ln(ex×(exex+exkx))−x fk(x)=ln(ex×(1+exkx))−x fk(x)=ln(ex)+ln(1+exkx)−x fk(x)=x+ln(1+exkx)−x
fk(x)=ln(1+exkx)
Or, x→+∞limexkx=0 ainsi : x→+∞lim(1+exkx)=1. On pose X=1+exkx et X→1limln(X)=0 Finalement, par composition : x→+∞limln(1+exkx)=0. Autrement dit : x→+∞limfk(x)=0 La courbe Ck admet une asymptote horizontale d'équation y=0 au voisinage de plus l'infini.
Question 7
Calculer fk′(x) pour tout réel x appartenant à l'intervalle [0;+∞[ et en déduire le sens de variation de la fonction fk.
Correction
La fonction fk est dérivable sur [0;+∞[ et : fk(x)=ln(ex+kx)−x fk′(x)=ex+kxex+k−1 équivaut successivement à fk′(x)=ex+kxex+k−(ex+kx) fk′(x)=ex+kxex+k−ex−kx fk′(x)=ex+kxk−kx
fk′(x)=ex+kxk(1−x)
Pour tout réel k strictement positif et pour tout réel x∈[0;+∞[, le dénominateur ex+kx est strictement positif. Le signe de fk′ est alors du signe de 1−x. Or, 1−x≥0⇔x≤1. Il vient alors que : la fonction fk′ est donc positive sur[0;1] et négative sur [1;+∞[. Finalement, la fonction fk est donc croissante sur[0;1] et décroissante sur [1;+∞[.. On en déduit le tableau de variation de fk. On a ci-dessous :
De plus,
fk(0)=ln(1+e0k0) donc fk(0)=0
fk(1)=ln(1+e1k) donc fk(1)=ln(1+ek)
Question 8
Montrer que pour tout réel x appartenant à l'intervalle [0;+∞[, on a fk(x)≤ek.
Correction
Pour tout réel x appartenant à l'intervalle [0;+∞[, on pose la fonction dk(x)=fk(x)−ek. Ainsi dk est dérivable sur [0;+∞[, il vient alors que : dk′(x)=fk′(x). Donc le signe de dk′ est le même que celui de fk′. On a vu à la question 7, que la fonction fk′ est donc positive sur [0;1] et négative sur [1;+∞[. Ainsi, la fonction dk′ est donc positive sur [0;1] et négative sur [1;+∞[. On en déduit le tableau de variation de dk. On a ci-dessous :
De plus,
dk(0)=fk(0)−ek=−ek car fk(0)=0.
On sait que x→+∞limfk(x)=0 d'où x→+∞limdk(x)=−ek.
Or ek≥0, d'après la question pour tout réel x positif ou nul ln(1+x)≤x. Ainsi : ln(1+ek)≤ek Autrement dit dk(1)≤0. Finalement, pour tout réel x positif ou nul, on peut affirmer que dk(x)≤0. Autrement dit, fk(x)−ek≤0 alors fk(x)≤ek.
Question 9
Déterminer une équation de la tangente Tk à Ck au point O.
Correction
On sait que la formule de l'équation de la tangente au point d'abscisse 0 est : y=fk′(0)(x−0)+fk(0) D'une part : fk(0)=ln(1+e0k0) donc fk(0)=0 D'autre part : fk′(0)=e0+k0k(1−0) alors fk′(0)=k
Ainsi : y=k(x−0)+0 Enfin :
y=kx
Question 10
Soit m et p deux réels strictement positifs tels que p<m . Etudier la position relative de Cp et Cm.
Correction
On sait que p<m. Calculons tout d'abord fm(x)−fp(x). fm(x)−fp(x)=ln(ex+mx)−x−(ln(ex+px)−x) équivaut successivement à fm(x)−fp(x)=ln(ex+mx)−ln(ex+px)
fm(x)−fp(x)=ln(ex+pxex+mx)
Maintenant étudions le signe de fm(x)−fp(x) équivaut successivement à fm(x)−fp(x)≥0 équivaut successivement à ln(ex+pxex+mx)≥0 ln(ex+pxex+mx)≥ln(1) ex+pxex+mx≥1 ex+mx≥ex+px ex+mx−ex−px≥0 mx−px≥0 x(m−p)≥0 . Or p<m donc m−p>0. Ainsi x≥0 Finalement, pour tout réel x∈[0;+∞[, on a montré que fm(x)−fp(x)≥0. Ainsi fm(x)≥fp(x). La courbe Cm est au-dessus de la courbe Cp.
Question 11
Partie D : Majoration d'une intégrale Soit λ un réel strictement positif, on note A(λ) l'aire, en unités d'aire, du domaine délimité par l'axe des abscisses, la courbe Ck et les droites d'équation x=0 et x=λ.
Sans calculer A(λ), montrer que A(λ)≤k∫0λxe−xdx (on pourra utiliser le résultat de la question préliminaire).
Correction
Comme la fonction fk est positive et continue sur [0;λ] alors A(λ)=∫0λfk(x)dx. Pour x∈[0;λ] et que k>0 alors kexx≥0. On peut donc affirmer que ln(1+kexx)≤kexx d'après la question 2. Donc fk(x)≤kexx. De plus , les fonctions fk(x)≤kexx et fk(x)≤kexx sont continues sur [0;λ] et comme fk(x)≤kexx alors ∫0λfk(x)dx≤∫0λkexxdx. Finalement :
A(λ)≤k∫0λxe−xdx
Question 12
On admet que H(x)=−xe−x−e−x est une primitive de la fonction h(x)=xe−x. Calculer alors ∫0λxe−xdx.
On admet que A(λ) admet une limite en +∞. Montrer que λ→+∞limA(λ)≤k .
Correction
Comme A(λ)≤k∫0λxe−xdx alors A(λ)≤k(−λe−λ−e−λ+1) Or λ→+∞lim−λe−λ=λ→+∞lim−eλλ=0 λ→+∞lim−e−λ+1=λ→+∞limeλ−1+1=1 Ainsi λ→+∞limk(−λe−λ−e−λ+1)=k. Nous avons d'une part : A(λ)≤k(−λe−λ−e−λ+1) et d'autre part : λ→+∞limk(−λe−λ−e−λ+1)=k alors λ→+∞limA(λ)≤k
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