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Logarithme népérien en Terminale : cours, exemples et exercices
Le logarithme népérien en Terminale : la réciproque de l’exponentielle, des règles qui transforment les produits en sommes, des équations à résoudre et une fonction à étudier. Voici le cours, deux exemples résolus et cinq exercices corrigés.
Programme de Terminale
Ce que tu dois savoir faire en Terminale
La fonction logarithme népérien est l’une des grandes nouveautés de l’analyse en Terminale. Le programme de spécialité l’introduit comme la fonction réciproque de l’exponentielle vue en Première, en s’appuyant sur les deux courbes, symétriques l’une de l’autre.
Il demande de connaître ses propriétés algébriques, sa dérivée, ses variations, ses limites en et en , et la croissance comparée de et de . Tu dois savoir utiliser ces propriétés pour transformer une écriture, résoudre une équation ou une inéquation, et t’en servir dans des problèmes. Deux démonstrations sont au programme : le calcul de la dérivée de et la limite de en .
Dans Mathflow, le chapitre compte six compétences, chacune en trois niveaux.
Les 6 compétences du chapitre
- Comprendre la définition de la fonction logarithme népérien
- Utiliser les propriétés algébriques du logarithme
- Résoudre des équations et inéquations logarithmiques
- Étudier une fonction comportant des logarithmes
- Étudier la concavité d’une fonction logarithmique
- Comparer la croissance du logarithme à celle d’autres fonctions
Cours
L’essentiel du cours
La définition, les règles de calcul, l’étude de la fonction et la méthode pour les équations : l’ordre logique du chapitre.
La réciproque de l’exponentielle
- car , et car .
- Pour tout réel , ; pour tout réel , .
- est l’exposant qu’il faut donner à pour obtenir : comme et , on a .
Dans un repère orthonormé, les courbes de et de sont symétriques par rapport à la droite d’équation . Comme une exponentielle est toujours strictement positive, n’existe pas pour .
Les propriétés algébriques
| Règle | Exemple |
|---|---|
Ces règles viennent de la relation . Attention : il n’existe aucune règle pour .
Étude de la fonction
- L’axe des ordonnées (la droite ) est asymptote verticale à la courbe.
- Signe : sur , et sur .
- Si est dérivable et strictement positive sur un intervalle , alors est dérivable sur et .
- : la fonction est concave, sa courbe est sous ses tangentes. Avec la tangente en , on obtient pour tout .
Croissances comparées : tend vers , mais beaucoup moins vite que n’importe quelle puissance de . Pour tout entier :
Résoudre une équation ou une inéquation
Comme est strictement croissante sur , pour tous réels et :
- Chercher les valeurs de pour lesquelles chaque logarithme existe : ce qui est dans un doit être strictement positif.
- Se ramener à , ou , en regroupant avec les propriétés algébriques.
- Supprimer les logarithmes : et .
- Ne garder que les solutions qui appartiennent à l’ensemble trouvé à la première étape.
Dans l’autre sens, pour un réel , . Si , l’équation n’a pas de solution.
Exemples résolus
Deux exemples résolus
Exemple 1
Une équation avec deux logarithmes
Résous dans l’équation .
Solution
Ensemble de validité : il faut et , soit . On cherche donc les solutions dans .
Sur cet intervalle, . L’équation devient , soit .
n’est pas dans : on l’écarte. Vérification : . L’unique solution est .
Exemple 2
Étudier
Soit la fonction définie sur par . Étudie ses variations et ses limites, puis donne son minimum.
Solution
Sur , et : a le signe de . La fonction est décroissante sur et croissante sur . Son minimum est .
En : tend vers et vers , donc tend vers .
En : on factorise, . Par croissance comparée, tend vers , donc tend vers .
Exercices corrigés
Cinq exercices corrigés
Cherche d’abord sur une feuille, puis ouvre le corrigé. Chaque résultat a été vérifié.
Exercice 1
Revenir à la définition
Résous chaque équation et donne la valeur exacte de la solution.
Voir le corrigé
- , donc .
- , qui est bien strictement positif.
- Il faut , soit . Ensuite, équivaut à , soit , qui convient.
- , donc .
Exercice 2
Tout écrire avec et
Écris chaque nombre en fonction de et de .
Voir le corrigé
- .
- .
- , donc .
- et , donc .
Exercice 3
Deux inéquations
- Résous l’inéquation .
- Résous l’inéquation .
Voir le corrigé
- existe pour . Comme et que est strictement croissante, . Ensemble des solutions : , avec .
- Il faut et , soit . Sur , l’inéquation équivaut à , soit . Ensemble des solutions : .
Exercice 4
Étude complète de
Soit la fonction définie sur par .
- Calcule et donne les variations de .
- Donne les limites de en et en .
- Calcule , puis montre que pour tout .
Voir le corrigé
- Dérivée d’un produit : . Et . Donc est décroissante sur et croissante sur , avec pour minimum .
- En , tend vers (limite démontrée en cours). En , et tendent vers , donc tend vers .
- : est convexe sur . Sa tangente en a pour équation , soit . Une courbe convexe est au-dessus de ses tangentes, donc pour tout .
Exercice 5
Un médicament qui s’élimine
Un patient reçoit mg d’un médicament. Chaque heure, la quantité présente dans son sang diminue de . On note la quantité, en mg, au bout de heures.
- Exprime en fonction de .
- Au bout de combien d’heures entières reste-t-il moins de mg ?
Voir le corrigé
- Diminuer de revient à multiplier par : la suite est géométrique de raison et .
- équivaut à , puis à , car est strictement croissante. Comme , diviser par change le sens : . Il reste moins de mg à partir de heures : et .
Erreurs fréquentes
Les pièges à éviter
La plupart des erreurs viennent d’une règle inventée ou d’un ensemble de validité oublié.
Inventer une règle pour
ne se simplifie pas. Par exemple , alors que .
Oublier l’ensemble de validité
Pour , le calcul donne et , mais rend les logarithmes impossibles. Cherche toujours d’abord où l’équation a un sens.
Confondre et
pour , mais est le carré du nombre : pour , alors que .
Diviser par un logarithme négatif
: dans , diviser par change le sens de l’inégalité.
Dériver en
La dérivée de est : pour , on trouve , et non .
Croire que
n’existe pas, car aucune puissance de ne vaut . C’est qui vaut .
Dans Mathflow
Ce chapitre dans Mathflow
Six séries, une par compétence, et chacune en trois niveaux : tu manipules, tu expliques, puis tu raisonnes.
Dans les séries, le logarithme se manipule : tu places les points de la courbe de par symétrie avec celle de , tu fais glisser la réglette d’une règle à calcul, tu empiles des blocs . Au niveau 2, tu tranches des débats « Qui a raison ? » et tu cherches la première ligne fausse d’une copie. Au niveau 3, tu calcules, tu résous et tu étudies des fonctions, avec Alphi, le coach IA, quand un indice t’aide à repartir.
1Comprendre la définition de la fonction logarithme népérien
- Niveau 1 · Manipuler
Tu places un point dont le symétrique par rapport à tombe sur l’axe des abscisses, tu places sur l’axe, tu encadres et tu cherches l’année où un capital dépasse €.
- Niveau 2 · Expliquer
Tu complètes la définition, tu départages deux élèves au sujet de et tu trouves la première ligne fausse d’une résolution de .
- Niveau 3 · Raisonner
Tu calcules , tu résous ou , et tu modélises une population ou la concentration d’un médicament.
- Niveau 1 · Manipuler
2Utiliser les propriétés algébriques du logarithme
- Niveau 1 · Manipuler
Tu fais glisser une réglette pour multiplier, tu empiles des blocs jusqu’à et tu règles pour que recouvre .
- Niveau 2 · Expliquer
Tu complètes la démonstration de la règle du quotient, tu repères l’erreur de qui écrit et tu associes des expressions à un seul logarithme.
- Niveau 3 · Raisonner
Tu écris sous la forme , tu trouves et tels que et tu approches sans la touche .
- Niveau 1 · Manipuler
3Résoudre des équations et inéquations logarithmiques
- Niveau 1 · Manipuler
Tu construis l’ensemble où existe, tu places la solution de et tu construis l’ensemble des solutions de .
- Niveau 2 · Expliquer
Tu complètes la méthode pour , tu tranches des débats et tu trouves la première ligne fausse d’une copie.
- Niveau 3 · Raisonner
Tu résous des équations comme , tu cherches le plus petit entier tel que et tu calcules quand un arbre atteint m.
- Niveau 1 · Manipuler
4Étudier une fonction comportant des logarithmes
- Niveau 1 · Manipuler
Tu places le point de la courbe de où la tangente a pour pente , tu règles pour que atteigne son minimum en et tu complètes un tableau de signes.
- Niveau 2 · Expliquer
Tu départages deux élèves sur l’ensemble de définition de ou la dérivée de , puis tu trouves l’erreur d’une étude de variations.
- Niveau 3 · Raisonner
Tu calcules ou , tu trouves une asymptote verticale et tu dresses le tableau de variations complet de .
- Niveau 1 · Manipuler
5Étudier la concavité d’une fonction logarithmique
- Niveau 1 · Manipuler
Tu touches les fonctions concaves, tu places une droite qui ne passe jamais au-dessus de la courbe de et tu trouves le point d’inflexion de .
- Niveau 2 · Expliquer
Tu complètes le calcul de pour , tu départages deux élèves sur la convexité de et tu interprètes un rendement agricole dont la dérivée seconde est négative.
- Niveau 3 · Raisonner
Tu calcules des dérivées secondes, tu cherches où est concave et tu trouves le point d’inflexion de la courbe de .
- Niveau 1 · Manipuler
6Comparer la croissance du logarithme à celle d’autres fonctions
- Niveau 1 · Manipuler
Tu multiplies par jusqu’à ce que passe sous , tu ranges des fonctions selon leur vitesse de croissance et tu places la limite de en .
- Niveau 2 · Expliquer
Tu complètes l’énoncé des croissances comparées, tu remets dans l’ordre une démonstration et tu tranches entre et pour très grand.
- Niveau 3 · Raisonner
Tu lèves des formes indéterminées comme ou et tu compares deux algorithmes qui font et opérations.
- Niveau 1 · Manipuler
Questions fréquentes
C’est quoi le logarithme népérien ?
Pour un réel , est le nombre tel que : c’est l’exposant qu’il faut donner à pour obtenir . La fonction est la réciproque de la fonction exponentielle.
Pourquoi ln n’est-il défini que pour les nombres strictement positifs ?
Parce que est toujours strictement positif : il n’existe aucun réel tel que ou . On ne peut donc calculer que pour .
Comment résoudre une équation avec des ln ?
On cherche d’abord les valeurs de pour lesquelles chaque logarithme existe. On se ramène ensuite à ou à , puis on utilise ou . On ne garde que les solutions de l’ensemble de départ.
Quelle est la dérivée de ln(u) ?
Si est dérivable et strictement positive sur un intervalle, . Par exemple, la dérivée de est .
Quelle est la limite de ln(x)/x en plus l’infini ?
Elle vaut : c’est une croissance comparée du cours. tend vers , mais beaucoup moins vite que . De même, tend vers quand tend vers .
Pour aller plus loin
Le logarithme s’appuie sur la fonction exponentielle de Première : revois-la si la relation n’est plus automatique. Ses limites complètent la page limites de fonctions en Terminale, et sa concavité s’étudie avec les outils de la page convexité en Terminale. Il sert aussi à calculer des intégrales, puisque est une primitive de pour : voir le calcul intégral. Tous les chapitres sont sur la page maths de la 6e à la Terminale.
