⚡Fonction exponentielle (approfondissement)

Cours de mathématiques · Terminale

Propriétés algébriques de exp⁡\exp, dérivée (eu)′=u′ eu(e^u)' = u'\,e^u, résolution d'équations et d'inéquations, limites en ±∞\pm\infty, croissances comparées (x/ex→0x/e^x \to 0) et études de fonctions faisant intervenir l'exponentielle.

Ce que tu vas savoir faire

  • ✓Maîtriser les propriétés algébriques de l'exponentielle (ea+b=eaebe^{a+b} = e^a e^b, e−a=1/eae^{-a} = 1/e^a, etc.).
  • ✓Dériver une fonction du type eue^u avec la formule (eu)′=u′ eu(e^u)' = u'\,e^u.
  • ✓Résoudre des équations et des inéquations contenant exe^x.
  • ✓Connaître les limites de référence de exp⁡\exp et les croissances comparées avec les puissances de xx.
  • ✓Étudier une fonction faisant intervenir l'exponentielle (variations, limites, tableau).

Définition et propriétés algébriques

Règle

La fonction exponentielle, notée exp⁡\exp ou x↦exx \mapsto e^x, est l'unique fonction ff dérivable sur R\mathbb{R} telle que f′=ff' = f et f(0)=1f(0) = 1. On a en particulier e0=1e^0 = 1 et e1=e≈2,718e^1 = e \approx 2{,}718.

Pour tous réels aa et bb et tout entier nn :

ea+b=ea×eb,e−a=1ea,ea−b=eaeb,(ea)n=ena.e^{a+b} = e^a \times e^b, \qquad e^{-a} = \dfrac{1}{e^a}, \qquad e^{a-b} = \dfrac{e^a}{e^b}, \qquad \left(e^a\right)^n = e^{na}.

De plus ex>0e^x > 0 pour tout réel xx : l'exponentielle ne s'annule jamais et reste strictement positive. La fonction exp⁡\exp est strictement croissante sur R\mathbb{R}, donc :

ea=eb  ⟺  a=betea<eb  ⟺  a<b.e^a = e^b \iff a = b \qquad \text{et} \qquad e^a < e^b \iff a < b.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Pourquoi exe^x ne devient-il jamais négatif ni nul ? Regarde le produit φ(x)=ex×e−x\varphi(x) = e^x \times e^{-x}. Sa dérivée vaut ex×e−x+ex×(−e−x)=0e^x \times e^{-x} + e^x \times (-e^{-x}) = 0 : ce produit est donc constant, égal à sa valeur en 00, soit e0×e0=1e^0 \times e^0 = 1. On a ainsi ex×e−x=1e^x \times e^{-x} = 1 pour tout xx : un nombre qui multiplie quelque chose pour donner 11 ne peut pas être nul. Et comme exp⁡\exp est continue, partant de e0=1>0e^0 = 1 > 0, elle ne pourrait passer dans le négatif qu'en valant 00 au passage, ce qui est impossible. Conclusion : exe^x reste strictement positif partout.

Méthode

Pour simplifier une expression avec des exponentielles :

  1. Regroupe les facteurs : un produit ea×ebe^a \times e^b devient ea+be^{a+b}.
  2. Transforme un quotient eaeb\dfrac{e^a}{e^b} en ea−be^{a-b}.
  3. Remplace une puissance (ea)n(e^a)^n par enae^{na}.
  4. Termine avec les valeurs connues : e0=1e^0 = 1, e1=ee^1 = e.
Exemple

Simplifions A=e3×e−1e2A = \dfrac{e^{3} \times e^{-1}}{e^{2}}.

Au numérateur : e3×e−1=e3+(−1)=e2e^{3} \times e^{-1} = e^{3 + (-1)} = e^{2}.

Donc A=e2e2=e2−2=e0=1.A = \dfrac{e^{2}}{e^{2}} = e^{2-2} = e^{0} = 1.

Astuce

Retiens que exe^x est toujours strictement positif : tu peux diviser une inéquation par exe^x sans jamais changer le sens de l'inégalité.

Dérivée de $e^u$

Règle

La fonction exp⁡\exp est sa propre dérivée : (ex)′=ex(e^x)' = e^x.

Plus généralement, si uu est une fonction dérivable sur un intervalle II, alors la composée x↦eu(x)x \mapsto e^{u(x)} est dérivable sur II et :

(eu)′=u′ eu.\left(e^{u}\right)' = u' \, e^{u}.

Comme eu>0e^{u} > 0, le signe de la dérivée u′ euu'\,e^{u} est exactement le signe de u′u'. Étudier les variations de eue^{u} revient donc à étudier le signe de u′u'.

Méthode

Pour dériver eu(x)e^{u(x)} :

  1. Repère l'exposant u(x)u(x).
  2. Calcule sa dérivée u′(x)u'(x).
  3. Écris la dérivée u′(x) eu(x)u'(x)\,e^{u(x)} (on garde l'exponentielle telle quelle, multipliée par u′u').
Exemple

Dérivons f(x)=e2x+1f(x) = e^{2x+1}.

Ici u(x)=2x+1u(x) = 2x + 1, donc u′(x)=2u'(x) = 2.

f′(x)=u′(x) eu(x)=2 e2x+1.f'(x) = u'(x)\,e^{u(x)} = 2\,e^{2x+1}.

Autre exemple : g(x)=e−x2g(x) = e^{-x^2} avec u(x)=−x2u(x) = -x^2 et u′(x)=−2xu'(x) = -2x, donc g′(x)=−2x e−x2g'(x) = -2x\,e^{-x^2}.

Astuce

Erreur classique : oublier le facteur u′u'. La dérivée de e3xe^{3x} n'est pas e3xe^{3x} mais bien 3 e3x3\,e^{3x}.

Équations et inéquations

Règle

Comme exp⁡\exp est strictement croissante, on résout les (in)équations exponentielles en se ramenant aux exposants :

eA=eB  ⟺  A=B,eA⩽eB  ⟺  A⩽B.e^{A} = e^{B} \iff A = B, \qquad e^{A} \leqslant e^{B} \iff A \leqslant B.

Une équation du type ex=ke^{x} = k admet une solution si et seulement si k>0k > 0 (car ex>0e^x > 0) ; cette solution s'écrit alors x=ln⁡kx = \ln k (logarithme népérien, voir chapitre suivant). Pour les expressions du type (ex)2\left(e^x\right)^2, on pose souvent X=exX = e^x (avec la contrainte X>0X > 0) afin de se ramener à une équation du second degré.

Méthode

Pour résoudre une équation exponentielle :

  1. Mets tout sous la forme eA=eBe^{A} = e^{B}, puis résous A=BA = B.
  2. Si une puissance (ex)2\left(e^x\right)^2 apparaît, pose X=exX = e^x avec X>0X > 0.
  3. Résous l'équation en XX, puis reviens à xx en n'oubliant pas de rejeter les valeurs X⩽0X \leqslant 0.
Exemple

Résolvons e2x−3ex+2=0e^{2x} - 3e^{x} + 2 = 0.

On pose X=exX = e^{x} (avec X>0X > 0) ; comme e2x=(ex)2=X2e^{2x} = (e^x)^2 = X^2, l'équation devient X2−3X+2=0X^2 - 3X + 2 = 0.

Le discriminant vaut Δ=9−8=1\Delta = 9 - 8 = 1, d'où X=3±12X = \dfrac{3 \pm 1}{2}, soit X=2X = 2 ou X=1X = 1. Les deux sont strictement positives, donc :

ex=2  ⟺  x=ln⁡2e^{x} = 2 \iff x = \ln 2 et ex=1  ⟺  x=0.e^{x} = 1 \iff x = 0.

Les solutions sont x=0x = 0 et x=ln⁡2x = \ln 2.

Astuce

Après le changement de variable X=exX = e^x, n'oublie jamais la condition X>0X > 0 : une racine négative ou nulle ne donne aucune solution en xx.

Limites de référence

Règle

Les limites de l'exponentielle aux bornes de R\mathbb{R} sont :

lim⁡x→+∞ex=+∞etlim⁡x→−∞ex=0+.\lim_{x \to +\infty} e^{x} = +\infty \qquad \text{et} \qquad \lim_{x \to -\infty} e^{x} = 0^{+}.

En −∞-\infty, la courbe se rapproche de l'axe des abscisses par valeurs positives : la droite d'équation y=0y = 0 est une asymptote horizontale.

Méthode

Pour lever une forme indéterminée du type 0×∞0 \times \infty ou ∞∞\dfrac{\infty}{\infty} avec une exponentielle :

  1. Repère que exe^x « l'emporte » sur toute puissance de xx.
  2. Fais apparaître une croissance comparée connue (section suivante).
  3. Conclus à l'aide des règles sur les limites.
Exemple

Calculons lim⁡x→+∞(ex−x)\displaystyle\lim_{x \to +\infty} \left(e^{x} - x\right).

On factorise par exe^x : ex−x=ex(1−xex)e^x - x = e^x\left(1 - \dfrac{x}{e^x}\right).

Or xex→0\dfrac{x}{e^x} \to 0 (croissance comparée), donc la parenthèse tend vers 11, et ex→+∞e^x \to +\infty. Par produit :

lim⁡x→+∞(ex−x)=+∞.\lim_{x \to +\infty} \left(e^{x} - x\right) = +\infty.

Astuce

En −∞-\infty, l'exponentielle tend vers 00 mais reste positive : on note 0+0^{+}. Elle n'atteint jamais la valeur 00.

Croissances comparées

Règle

L'exponentielle croît plus vite que n'importe quelle puissance de xx. Les résultats à connaître sont :

lim⁡x→+∞exx=+∞,lim⁡x→+∞xex=0,lim⁡x→−∞x ex=0.\lim_{x \to +\infty} \dfrac{e^{x}}{x} = +\infty, \qquad \lim_{x \to +\infty} \dfrac{x}{e^{x}} = 0, \qquad \lim_{x \to -\infty} x\,e^{x} = 0.

Plus généralement, pour tout entier n⩾1n \geqslant 1 : exxn→+∞\dfrac{e^x}{x^n} \to +\infty en +∞+\infty. On résume par « l'exponentielle l'emporte ».

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? L'exponentielle écrase xx parce qu'elle dépasse même x2x^2. Pose g(x)=ex−x22g(x) = e^x - \dfrac{x^2}{2} sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ : alors g′′(x)=ex−1⩾0g''(x) = e^x - 1 \geqslant 0, donc g′(x)=ex−xg'(x) = e^x - x est croissante, et comme g′(0)=1>0g'(0) = 1 > 0 on a g′>0g' > 0, donc gg croît à partir de g(0)=1>0g(0) = 1 > 0. Ainsi ex>x22e^x > \dfrac{x^2}{2} pour tout x⩾0x \geqslant 0, d'où exx>x2\dfrac{e^x}{x} > \dfrac{x}{2}, qui file vers +∞+\infty. L'exponentielle bat xx tout simplement parce qu'elle bat déjà x2x^2.

Méthode

Pour utiliser une croissance comparée :

  1. Identifie la forme indéterminée (∞∞\frac{\infty}{\infty} ou 0×∞0 \times \infty).
  2. Fais apparaître un quotient de référence, par exemple xex\dfrac{x}{e^x} ou exx\dfrac{e^x}{x}.
  3. Remplace ce quotient par sa limite connue, puis conclus.
Exemple

Calculons lim⁡x→−∞x ex\displaystyle\lim_{x \to -\infty} x\,e^{x}.

C'est une forme indéterminée (−∞)×0(-\infty) \times 0. On utilise directement le résultat de référence :

lim⁡x→−∞x ex=0.\lim_{x \to -\infty} x\,e^{x} = 0.

Intuition : quand x→−∞x \to -\infty, exe^x tend vers 00 bien plus vite que xx ne tend vers −∞-\infty ; c'est donc 00 qui l'emporte.

Astuce

Moyen mnémotechnique : « en cas de duel exponentielle / puissance, c'est toujours l'exponentielle qui gagne ».

Étude d'une fonction avec exponentielle

Règle

Pour étudier f(x)=(ax+b) exf(x) = (ax + b)\,e^{x} ou un quotient analogue, on combine les outils précédents : on dérive avec (eu)′=u′eu(e^u)' = u'e^u ou la règle du produit, on factorise par ex>0e^x > 0 pour déterminer le signe de f′f', et on calcule les limites aux bornes grâce aux croissances comparées. On dresse ensuite le tableau de variations.

Méthode

Pour étudier f(x)=(x−1)exf(x) = (x-1)e^x :

  1. Dérive : f′(x)=1⋅ex+(x−1)ex=x exf'(x) = 1 \cdot e^x + (x-1)e^x = x\,e^x (règle du produit).
  2. Comme ex>0e^x > 0, le signe de f′(x)f'(x) est celui de xx.
  3. f′(x)<0f'(x) < 0 pour x<0x < 0 et f′(x)>0f'(x) > 0 pour x>0x > 0 : ff admet un minimum en 00.
  4. Calcule les limites aux bornes pour compléter le tableau.
Exemple

Avec f(x)=(x−1)exf(x) = (x - 1)e^x, on a vu f′(x)=x exf'(x) = x\,e^x.

Le minimum est atteint en x=0x = 0 : f(0)=(0−1)e0=−1×1=−1f(0) = (0-1)e^0 = -1 \times 1 = -1.

Limites : en +∞+\infty, f(x)→+∞f(x) \to +\infty (produit de deux facteurs qui tendent vers +∞+\infty). En −∞-\infty, f(x)=(x−1)ex=xex−ex→0−0=0f(x) = (x-1)e^x = x e^x - e^x \to 0 - 0 = 0 (croissance comparée pour xexx e^x, et ex→0e^x \to 0).

xx−∞-\infty00+∞+\infty
f′(x)f'(x)−-00++
f(x)f(x)00↘\searrow−1-1↗\nearrow+∞+\infty
Astuce

Factorise toujours la dérivée par exe^x. Comme ex>0e^x > 0, le signe de f′f' ne dépend plus que du facteur restant : l'étude de signe devient beaucoup plus simple.

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