Fonction logarithme népérien

Variations - Exercice 1

25 min
40
Etudier les variations des fonctions suivantes.
Question 1

f(x)=3ln(x)+2x1f\left(x\right)=3\ln \left(x\right)+2x-1 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=3x+2f'\left(x\right)=\frac{3}{x} +2 . Nous allons tout mettre au même dénominateur .
f(x)=3x+2xxf'\left(x\right)=\frac{3}{x} +\frac{2x}{x}
f(x)=3+2xxf'\left(x\right)=\frac{3+2x}{x}
3+2x02x3x323+2x\ge 0\Leftrightarrow 2x\ge -3 \Leftrightarrow x\ge\frac{-3}{2}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 3+2x3+2x dès que x32x\ge \frac{-3}{2} . Or nous travaillons sur l'intervalle ]0;+[\left]0;+\infty \right[. Cela signifie donc que ff' est positive sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[ .
Question 2

f(x)=ln(x)+x+6f\left(x\right)=-\ln \left(x\right)+x+6 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=1x+1f(x)=1+xx.f'\left(x\right)=-\frac{1}{x} +1\Leftrightarrow f'\left(x\right)=\frac{-1+x}{x} .
1+x0x1-1+x\ge 0\Leftrightarrow x\ge 1
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 1+x-1+x dès que x1x\ge 1
Question 3

f(x)=4ln(x)2x2+1f\left(x\right)=4\ln \left(x\right)-2x^{2} +1 sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
f(x)=4x4xf'\left(x\right)=\frac{4}{x} -4x (ensuite toujours mettre au même dénominateur)
f(x)=4x4x2xf'\left(x\right)=\frac{4}{x} -\frac{4x^{2} }{x}
Ainsi : f(x)=44x2xf'\left(x\right)=\frac{4-4x^{2} }{x}
Comme on travaille sur l'intervalle I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ alors le dénominateur est strictement positif.
Il en résulte que le signe de ff' dépend du numérateur 44x24-4x^{2} .
44x24-4x^{2} est une équation du second degré, pour étudier son signe on va utiliser le discriminant .
On donnera directement les résultats : Δ=64\Delta =64 ; x1=1x_{1} =-1 et x2=1x_{2} =1 .
Comme a=4<0a=-4<0, la parabole est tournée vers le bas c'est-à-dire que ff est du signe de aa à l'extérieur des racines et du signe opposé à aa entre les racines.
Pour nous aider on va donner pour le moment le signe de 44x24-4x^{2} sur ];+[\left]-\infty ;+\infty \right[ (vous ne devrez en aucun cas le faire sur votre copie c'est juste pour nous aider)

On n'oublie que nous devons étudier les variations de ff sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[.
On en déduit maintenant le tableau de variation de ff sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[ :

Question 4

f(x)=xln(x)f\left(x\right)=x\ln \left(x\right) sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
On reconnait la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=xu\left(x\right)=x et v(x)=ln(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right).
Ainsi u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} .
Il vient alors que f(x)=1×ln(x)+x×1xf'\left(x\right)=1\times \ln \left(x\right)+x\times \frac{1}{x} \Leftrightarrow
f(x)=ln(x)+1f'\left(x\right)=\ln \left(x\right)+1

ln(x)+10ln(x)1ln(x)ln(e1)xe1\ln \left(x\right)+1\ge 0\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge -1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{-1} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{-1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de ln(x)+1\ln \left(x\right)+1 dès que xe1x\ge e^{-1}
Question 5

f(x)=ln(x)2xf\left(x\right)=\frac{\ln \left(x\right)}{2x} sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
ff est dérivable sur ]0;+[\left]0;+\infty \right[.
On reconnaît la forme (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=ln(x)u\left(x\right)=\ln \left(x\right) et v(x)=2xv\left(x\right)=2x.
Ainsi u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v(x)=2v'\left(x\right)=2.
Il vient alors que :
f(x)=1x×(2x)2ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{\frac{1}{x} \times \left(2x\right)-2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }
f(x)=2xx2ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{\frac{2x}{x} -2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }
Ainsi :
f(x)=22ln(x)(2x)2f'\left(x\right)=\frac{2-2\ln \left(x\right)}{\left(2x\right)^{2} }

Comme x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ alors (2x)2>0\left(2x\right)^{2}>0 et donc le signe de ff' dépend de 22ln(x)2-2\ln \left(x\right)
22ln(x)02ln(x)2ln(x)22ln(x)1ln(x)ln(e1)xe12-2\ln \left(x\right)\ge 0\Leftrightarrow -2\ln \left(x\right)\ge -2\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \frac{-2}{-2} \Leftrightarrow\ln \left(x\right)\le 1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\le \ln \left(e^{1} \right)\Leftrightarrow x\le e^{1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 22ln(x)2-2\ln \left(x\right) dès que xe1x\le e^{1}
Question 6

f(x)=(ln(x)+4)2f\left(x\right)=\left(\ln \left(x\right)+4\right)^{2} sur I=]0;+[I=\left]0;+\infty \right[

Correction
Nous allons écrire ff de manière plus simple afin que l'on puisse dériver de manière classique.
f(x)=(ln(x)+4)×(ln(x)+4)f\left(x\right)=\left(\ln \left(x\right)+4\right)\times\left(\ln \left(x\right)+4\right)
On reconnait la forme : (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=ln(x)+4u\left(x\right)=\ln \left(x\right)+4 et v(x)=ln(x)+4v\left(x\right)=\ln \left(x\right)+4.
Ainsi : u(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} .
Il vient alors que :
f(x)=1x×(ln(x)+4)+1x×(ln(x)+4)f'\left(x\right)=\frac{1}{x} \times \left(\ln \left(x\right)+4\right)+\frac{1}{x} \times \left(\ln \left(x\right)+4\right)
f(x)=2×1x×(ln(x)+4)f'\left(x\right)=2\times \frac{1}{x} \times \left(\ln \left(x\right)+4\right)
Finalement :
f(x)=2(ln(x)+4)xf'\left(x\right)=\frac{2\left(\ln \left(x\right)+4\right)}{x}

Pour tout réel x]0;+[x\in \left]0;+\infty \right[ , on vérifie aisément que 2>02>0 et x>0x>0. Il en résulte donc que le signe de ff' dépend de ln(x)+4\ln \left(x\right)+4.
ln(x)+40ln(x)4ln(x)ln(e4)xe4\ln \left(x\right)+4\ge 0\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge -4\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{-4} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{-4}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de ff' dès que xe4x\ge e^{-4}