Physique-chimie et mathématiquesChapitre 5

Fonctions exponentielle et logarithme népérien

L'essentiel en 30 secondes

La fonction exponentielle $x \mapsto e^x$ (avec $e \approx 2{,}718$, nombre d'Euler) est LA fonction égale à sa propre dérivée : $(e^x)' = e^x$, et plus généralement $(e^{kx})' = k\,e^{kx}$. Strictement positive et strictement croissante sur $\mathbb{R}$, elle transforme les sommes en produits : $e^{a+b} = e^a \times e^b$. Ses limites : $0$ en $-\infty$, $+\infty$ en $+\infty$, et elle l'emporte sur toute puissance de $x$ (croissances comparées). Le logarithme népérien est sa réciproque : $\ln a$ est l'unique solution de $e^x = a$ (pour $a$ strictement positif). Il transforme les produits en…

Les notions à connaître

Le nombre e et la fonction exponentielle
Le nombre d'Euler e≈2,718e \approx 2{,}718 est la valeur de aa pour laquelle la courbe de x↦axx \mapsto a^x a une tangente de pente 11 en 00. La fonction x↦exx \mapsto e^x est définie, strictement positive et strictement croissante sur R\mathbb{R}. Exemple : e0=1e^0 = 1, e1≈2,72e^1 \approx 2{,}72, e−1≈0,37e^{-1} \approx 0{,}37.
Propriétés algébriques de l'exponentielle
L'exponentielle transforme les sommes en produits : ea+b=ea×ebe^{a+b} = e^a \times e^b, ea−b=eaebe^{a-b} = \dfrac{e^a}{e^b}, e−a=1eae^{-a} = \dfrac{1}{e^a} et (ea)n=ena(e^a)^n = e^{na}. Exemple : e3×e−1=e3−1=e2≈7,39e^3 \times e^{-1} = e^{3-1} = e^2 \approx 7{,}39.
Dérivées de exe^x et de e^(kx)
L'exponentielle est égale à sa dérivée : (ex)′=ex(e^x)' = e^x ; pour kk réel, (ekx)′=k ekx(e^{kx})' = k\,e^{kx} (dérivation de f(ax+b)f(ax+b) vue en première). Le signe de kk donne le sens de variation de x↦ekxx \mapsto e^{kx}. Exemple : f(x)=e−0,5xf(x) = e^{-0{,}5x} a pour dérivée f′(x)=−0,5 e−0,5xf'(x) = -0{,}5\,e^{-0{,}5x}, toujours négative : ff est strictement décroissante.
Limites et croissances comparées
lim⁡x→−∞ex=0\lim\limits_{x \to -\infty} e^x = 0 (axe des abscisses asymptote) et lim⁡x→+∞ex=+∞\lim\limits_{x \to +\infty} e^x = +\infty. En +∞+\infty, l'exponentielle l'emporte sur toute puissance : lim⁡x→+∞exxn=+∞\lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{e^x}{x^n} = +\infty et lim⁡x→+∞xne−x=0\lim\limits_{x \to +\infty} x^n e^{-x} = 0. Exemple : exx2\dfrac{e^x}{x^2} vaut déjà environ 5454 pour x=10x = 10 et environ 4,9×1054{,}9 \times 10^5 pour x=20x = 20.
Définition du logarithme népérien
Pour aa strictement positif, ln⁡a\ln a est l'UNIQUE solution de l'équation ex=ae^x = a : les fonctions exp et ln sont réciproques, ln⁡(ex)=x\ln(e^x) = x pour tout xx et eln⁡a=ae^{\ln a} = a pour aa strictement positif. La fonction ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Exemple : ln⁡1=0\ln 1 = 0, ln⁡e=1\ln e = 1, ln⁡10≈2,30\ln 10 \approx 2{,}30.
Propriétés algébriques du logarithme
Le logarithme transforme les produits en sommes : ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\ln(ab) = \ln a + \ln b, ln⁡(ab)=ln⁡a−ln⁡b\ln\left(\dfrac{a}{b}\right) = \ln a - \ln b, ln⁡(an)=nln⁡a\ln(a^n) = n\ln a et ln⁡a=12ln⁡a\ln\sqrt{a} = \dfrac{1}{2}\ln a (aa et bb strictement positifs). Exemple : ln⁡8=ln⁡(23)=3ln⁡2≈3×0,693=2,08\ln 8 = \ln(2^3) = 3\ln 2 \approx 3 \times 0{,}693 = 2{,}08.
Équations et inéquations avec exp et ln
Grâce à la stricte croissance des deux fonctions : eax=be^{ax} = b (avec bb strictement positif) équivaut à ax=ln⁡bax = \ln b ; ln⁡x=b\ln x = b équivaut à x=ebx = e^b ; les inéquations se résolvent de même en conservant le sens (attention au signe de aa en divisant). Exemple : e2x=5e^{2x} = 5 donne x=ln⁡52≈0,80x = \dfrac{\ln 5}{2} \approx 0{,}80.
Lien avec le logarithme décimal
Le logarithme décimal, défini par log⁡(10n)=n\log(10^n) = n, est proportionnel au logarithme népérien : log⁡x=ln⁡xln⁡10\log x = \dfrac{\ln x}{\ln 10}. Il sert aux échelles logarithmiques de la physique : pH, niveau sonore en décibels. Exemple : log⁡1000=3\log 1000 = 3 et ln⁡1000=3ln⁡10≈6,91\ln 1000 = 3\ln 10 \approx 6{,}91.

Les erreurs à éviter en physique-chimie et mathématiques

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

  1. Quelle égalité est vraie pour tous réels aa et bb ?
  2. Que vaut ln⁡(e5)\ln\left(e^5\right) ?
  3. Quelle est la dérivée de f(x)=e3xf(x) = e^{3x} ?
  4. Quelle est la solution de l'équation e2x=7e^{2x} = 7 ?
  5. Quelle est la solution de l'équation ln⁡x=−1\ln x = -1 ?

Et maintenant ?

Lire ne suffit pas : c'est en cherchant qu'on retient.

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