L'équation exp(x)=t, où t est un réel quelconque strictement positif, admet une solution unique dans R.
Il existe une fonction définie sur ]0;+∞[ qui à tout réel t, t>0, associe l'unique réel x tel que exp(x)=t.
Cette fonction est appelée fonction logarithme népérien et notée ln.
Remarques.
la fonction exp est une bijection de R dans ]0;+∞[.
la fonction ln est aussi une bijection de ]0;+∞[ dans R. On a de plus que:
∀x∈R nous avons: ln(exp(x))=ln(ex)=x. ∀x∈]0;+∞[ nous avons exp(ln(x))=eln(x)=x. ∀x∈R et ∀t∈R⋆+ on a exp(x)=t⇔x=ln(t).
On dit que les fonctions exp et ln sont des fonctions réciproques.
Propriétés sur les courbes des fonction exponentille et logarithme.
Dans un repère orthonormal (0,→i,→j) les courbes C:y=ex et Γ:y=ln(x)
sont symétriques par rapport à la droite Δ:y=x.
Propriétés algébriques de la fonction logarithme népérien.
Théoréme définition:
Pour tous réels x>0 et y>0 on a ln(xy)=ln(x)+ln(y).
Pour tout réel x>0 on a ln(1x)=−ln(x).
Pour tous réels x>0 et y>0 on a ln(xy)=ln(x)−ln(y).
Pour tout réel x>0 et pour tout entier naturel p on a ln(xp)=pln(x).
Pour tout réel x>0 on a ln(√x)=12ln(x).
Démontrons que si x>0 et y>0 alors on a ln(xy)=ln(x)+ln(y).
exp(ln(x)+ln(y))=exp(ln(x))×exp(ln(y))=xy de l'autre coté on a:exp(ln(xy))=xy, donc nous avons exp(ln(x)+ln(y))=exp(ln(xy)) donc ln(xy)=ln(x)+ln(y).
Démontrons que si x>0 alors on a ln(1x)=−ln(x).
ln(1x)+ln(x)=ln(1x×x)=ln(1)=0,doncln(1x)=−ln(x)
Démontrons que si x>0 et y>0 alors on a ln(xy)=ln(x)−ln(y).
exp(ln(x)−ln(y))=exp(ln(x))exp(ln(y))=xy de l'autre coté on a:exp(ln(xy))=xy,
donc nous avons exp(ln(x)−ln(y))=exp(ln(xy)) donc ln(xy)=ln(x)−ln(y).
Démontrons que si x>0 et p∈N alors on a ln(xp)=pln(x).
Faisons une démonstration par récurrence:
si p=0 ln(x0)=ln(1)=0 et 0×ln(x)=0, donc la propriété est vraie au rang 0.
Supposons qu'il existe n∈N tel que ln(xn)=nln(x). ln(xp+1)=ln(xp×x)=ln(xp)+ln(x)=nln(x)+ln(x)=(n+1)ln(x). la propriété est vraie au rang n+1.
Conclusion: pour tout p∈N nous avons ln(xp)=pln(x).
Démontrons que si x>0 alors on a ln(√x)=12ln(x).
Puisque x>0 on a x=(√x)2, donc ln(x)=ln((√x)2)=2×ln(√x), donc ln(√x)=12ln(x).
Transformer une expression.
Sans calculatrice, simplifier les expressions suivantes: A=eln(2), B=eln(2)+ln(5), C=e2ln(9) et D=e3ln(5)−ln(15).
A=2
B=eln(2)+ln(5)=eln(2×5)=10.
C=e2ln(9)=eln(92)=81.
D=e3ln(5)−ln(15)=eln(5315)=253.
Equations, inéquation logarithmique.
Equations du type ef(x)=k.
Résoudre dans R les équations suivantes:
ex=4
e3x=0.2
e−4x+2=2.
ex=4⇔x=ln(4).
e3x=0.2⇔3x=ln(0.2)=−ln(5)⇔x=−ln(5)3.
e−4x+2=2⇔−4x+2=ln(2)⇔−4x=ln(2)−2⇔x=2−ln(2)4;
Inéquation de la forme e(f(x))≤k.
Résoudre dans R les inéquations suivantes:
ex>2
e3x≤1
e−x+1<3.
ex>2⇔x>ln(2). donc S=]ln(2);+∞[.
e3x≤1⇔3x≤ln(1)=0⇔x≤0.
e−x+1<3⇔−x+1<ln(3)⇔x>1−ln(3).
Equations du type ln(f(x))=ln(g(x)).
Résoudre dans R l'équation ln(x2−1)=ln(x+5).
Déterminons le domaine de définition de cette équation:
ln(x2−1) existe si et seulement si x2−1>0⇔(x−1)(x+1)>0↔x∈]−∞;−1[∪]1;+∞[. ln(x+5) existe si et seulement si x+5>0⇔x>−5x∈]−5;+∞[.
Donc pour que cette équation soient définie il faut que x∈]−∞;−1[∪]1;+∞[ et x∈]−5;+∞[.
Donc x∈]−5;−1[∪]1;+∞[.
Pour tout x∈]−5;−1[∪]1;+∞[ nous avons l'équivalence ln(x2−1)=ln(x+5)⇔x2−1=x+5⇔x2−x−6=0.
Résolvons l'équation du second degré: x2−x−6=0. nous avons Δ=(−1)2−4×1×(−6)=25>0.
L équation admet donc deux solutions distinctes x0=1−52=−2 et x1=1+52=3.
−2∈]−5;−1[∪]1;+∞[ et 3∈]−5;−1[∪]1;+∞[. Donc S=\bigg{-2;3\bigg}.
Interprétation graphique de l'équation.
Equations du type ln(f(x))≤ln(g(x)).
Résoudre dans R l'équation ln(3x−3)≥ln(x+5).
Déterminons le domaine de définition de cette équation:
ln(3x−3) existe si et seulement si 3x−3>0⇔x∈]1;+∞[. ln(x+5) existe si et seulement si x+5>0⇔x>−5⇔x∈]−5;+∞[.
Donc pour que cette équation soient définie il faut que x∈]1;+∞[.
Pour tout x∈]1;+∞[ nous avons l'équivalence ln(3x−3)≥ln(x+5)⇔3x−3≥x+5⇔x≥4.
tout réel dans l'intervalle [4;+∞[ appartient au domaine de validité de l'inéquation ]1;+∞[.
Donc S=[4;+∞(.
Interprétation graphique de l'équation.
Dérivée de la fonction ln:x→ln(x), dérivée d'une fonction x→ln∘u(x).
Dérivée de la fonction ln:x→ln(x).
La fonction ln est dérivable sur ]0;+∞[ et ln′(x)=1x.
Soit x∈]0;+∞[ montrons que la fonction ln est dérivable en a>0.
Soit x>0 et a>0 avec x≠a, calculons la fraction ln(x)−ln(a)x−a=ln(x)−ln(a)eln(x)−eln(a) ln(x)−ln(a)eln(x)−eln(a)=1eln(x)−eln(a)ln(x)−ln(a).
Nous savons de plus que la fonction exponentielle est dérivable sur R donc en particulier en ln(a).
donc ,nous avons lim avec a>0. la fonction \ln est continue en a.
donc \displaystyle\lim_{x\to a}\ln(x)=\ln(a), donc \displaystyle\lim{x\to a}\dfrac{e^{\ln(x)}-e^{\ln(a)}}{\ln(x)-\ln(a)}=a. Conclusion: Nous avons \displaystyle\lim_{x\to a}\dfrac{1}{\dfrac{e^{\ln(x)}-e^{\ln(a)}}{\ln(x)-\ln(a)}}=\dfrac{1}{a}
Donc \displaystyle\lim_{x\to a}\dfrac{\ln(x)-\ln(a)}{x-a}=\dfrac{1}{a} pour a>0, la x\to\ln(x) est dérivable en a et \ln^{'}(a)=\dfrac{1}{a}.
Dérivée de la fonction x\to\ln[u(x)].
Soit u une fonction dérivable sur un intervalle I et strictement positive sur I,
alors la fonction x\to\ln[u(x)] est dérivable sur I et pour tout x\in I on a:
(\ln\circ u)^{'}(x)=\dfrac{u^{'}(x)}{u(x)}.
Exercice:
Calculer la fonction dérivée des fonctions suivantes, on indiquera aussi l'intervalle de dérivation. f(x)=\ln(2x+6), g(x)=\ln(4-x^2) et h(x)=\ln(x(x-1)).
f(x)=\ln(2x+6)=\ln(u(x)) avec u(x)=2x+6, pour que f soit dérivable il faut que u(x)>0.
u(x)>0\Leftrightarrow 2x+6>0\Leftrightarrow x>-3, donc pour tout x\in]-3;+\infty[ on a: f^{'}(x)=\dfrac{u^{'}(x)}{u(x)}=\dfrac{2}{2x+6}=\dfrac{1}{x+3}.
g(x)=\ln(4-x^2)=\ln(u(x)) avec u(x)=4-x^2, pour que g soit dérivable il faut que u(x)>0.
u(x)>0\Leftrightarrow 4-x^2>0\Leftrightarrow (2-x)(2+x)>0, en dressant le tableau de signes de (2-x)(2+x), on obtient que x\in]-2;2[.
Donc pour tout x\in]-2;2[ on a g^{'}(x)=\dfrac{u^{'}(x)}{u(x)}=\dfrac{-2x}{4-x^2}=\dfrac{2x}{x^2-4}=\dfrac{2x}{(x-2)(x+2)}.
Calculs des limites du logarithme en 0 et +\infty.
Théoréme.
\displaystyle\lim_{x\to +\infty}\ln(x)=+\infty
\displaystyle\lim_{x\to 0^+}\ln(x)=-\infty
Démontrons que: \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\ln(x)=+\infty.
D'après la définition de la limite égale à +\infty en +\infty: pour tout réel A strictement positf (aussi grand que l'on veut), nous devons montrer l'existence
d'un réel a tel que si x>a alors \ln(x)>A.
Nous savons que \ln(x)>A\Leftrightarrowx>e^A. Donc dès que x>a=e^A alors nous avons \ln(x)>A, donc \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\ln(x)=+\infty.
Démontrons que: \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\ln(x)=-\infty.
On remarque que \ln(x)=-\ln(\dfrac{1}{x}) pour tout x>0. Donc \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\ln(x)=\displaystyle\lim_{x\to 0^+}-\ln(\dfrac{1}{x}).
\displaystyle\lim_{x\to 0^+}\dfrac{1}{x}=+\infty, donc par composition des limites, nous avons \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\ln(\dfrac{1}{x})=+\infty.
Donc \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\ln(x)=\displaystyle\lim_{x\to 0^+}\bigg(-\ln(\dfrac{1}{x})\bigg)=-\infty.
Montrons que \displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}=0.
Pour tout x\in\mathbb{R}, on a: \dfrac{\ln(x)}{x}=\dfrac{\ln(x)}{e^{\ln(x)}}=\dfrac{1}{\dfrac{e^{\ln(x)}}{\ln(x)}}. Posons X=ln(x).
Nous avons \displaystyle\lim_{x\to+\infty}\ln(x)=+\infty, donc X\to+\infty.
Par composition des limites, nous avons \displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}=\displaystyle\lim_{X\to+\infty}\Bigg(\dfrac{1}{\dfrac{e^{X}}{X}}\Bigg).
Nous savons que \displaystyle\lim_{X\to+\infty}\dfrac{e^X}{X}=+\infty, donc \displaystyle\lim_{X\to+\infty}\Bigg(\dfrac{1}{\dfrac{e^{X}}{X}}\Bigg)=0. Conclusion:\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}=0.
Montrons que \displaystyle\lim_{x\to 0^+}x\ln(x)=0.
Posons X=\dfrac{1}{x}\Leftrightarrowx=\dfrac{1}{X}. Pour tout x>0, nous avons x\ln(x)=\dfrac{1}{X}\ln(\dfrac{1}{X})=-\dfrac{\ln(X)}{X}, donc \displaystyle\lim_{x\to 0^+}x\ln(x)=\displaystyle\lim_{X\to +\infty}\bigg(-\dfrac{\ln(X)}{X}\bigg)=0.
Montrons que \displaystyle\lim_{x\to 1}\dfrac{\ln(x)}{x-1}=1.
Remarquons que \dfrac{\ln(x)}{x-1}=\dfrac{\ln(x)-\ln(1)}{x-1}, pour tout x>0 et x\not=1. Nous savons que la fonction f(x)=ln(x) est dérivable sur ]0;+\infty[.
Donc en particulier en 1. Si nous réécrivons la définition du nombre dérivé f'(1), on a: f'(1)=\displaystyle\lim_{x\to 1}\dfrac{f(x)-f(1))}{x-1}=\displaystyle\lim_{x\to 1}\dfrac{\ln(x)}{x-1}=f'(1). Or nous savons que f'(x)=\dfrac{1}{x} , donc f'(1)=1. Conclusion:\displaystyle\lim_{x\to 1}\dfrac{\ln(x)}{x-1}=1.
Montrons que \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\dfrac{\ln(x+1)}{x}=1.
Pour démontrer cette limite, if suffit de remarquer que: \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\dfrac{\ln(x+1)}{x}=\displaystyle\lim_{u\to 1}\dfrac{\ln(u)}{u-1}, il suffit de poser u=x+1.
Comme \displaystyle\lim_{u\to 1}\dfrac{\ln(u)}{u-1}=1 (voir la limites précédente dans le tableau). Donc \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\dfrac{\ln(x+1)}{x}=1.
Calculons \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\dfrac{2x+1}{\ln(x)}. \displaystyle\lim_{x\to 0^+}2x+1=1. \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\ln(x)=-\infty. Donc d'après les règles opératoires sur les limites, nous avons: \displaystyle\lim_{x\to 0^+}\dfrac{2x+1}{\ln(x)}=0.
Nous sommes en présence d'une forme indéterminée du type \infty-\infty.
Pour tout x>0 on a: \ln(x)-x=x(\dfrac{\ln(x)}{x}-1). Nous savons d'après le cours que \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}=0.
Donc \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}-1=-1. Donc \displaystyle\lim_{x\to +\infty}x(\dfrac{\ln(x)}{x}-1)=-\infty.
Nous sommes en présence d'une forme indéterminée du type \dfrac{\infty}{\infty}.
Pour tout x>0 on a: \dfrac{\ln(x)+x}{x}=\dfrac{\ln(x)}{x}+1. Donc \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}+1=1.
Nous sommes en présence d'une forme indéterminée du type \dfrac{\infty}{\infty}.
Pour tout x>0 nous avons, \dfrac{\ln(x)}{3x+2}=\dfrac{\dfrac{\ln(x)}{x}}{3+\dfrac{2}{x}}. Nous avons que \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}=0 et
\displaystyle\lim_{x\to +\infty}3+\dfrac{2}{x}=3, donc par conséquent nous avons \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\dfrac{\dfrac{\ln(x)}{x}}{3+\dfrac{2}{x}}=0.
Donc \displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\ln(x)}{\ln(x)+x}=0.
Nous sommes en présence d'une forme indéterminée du type \dfrac{\infty}{\infty}.
Pour tout x>0 nous avons \dfrac{\ln(x)}{\ln(x)+x}=\dfrac{\dfrac{\ln(x)}{x}}{\dfrac{\ln(x)}{x}+1},
or \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\Bigg(\dfrac{\dfrac{\ln(x)}{x}}{\dfrac{\ln(x)}{x}+1}\Bigg)=0.
Donc, \displaystyle\lim_{x\to +\infty}\dfrac{\ln(x)}{\ln(x)+x}.
Transformons l'écriture de e^{x^2\ln(2x)}.
Pour tout x>0, e^{x^2\ln(2x)}=e^{x^2(\ln(x)+\ln(2)}
Etude des fonctions comportant la fonction logarithme.
Exercices.
Etudier les variations des fonctions f suivantes. Calculer les limites de $f aux bornes du domaine.
Soit f la fonction définie sur ]0;+\infty[ par f(x)=2x-4-7\ln(x).
Soit f la fonction définie sur ]0;+\infty[ par f(x)=x(\ln(x)-3).
Logarithme décimal, utilisation en physique-chimie.
Définition.
On appelle fonction logarithme décimal la fonction notée \log définie sur ]0;+\infty[ par:
\log(x)=\dfrac{\ln(x)}{\ln(10)}.
Proposition.
\log(10)=1 et \log(1)=0.
La fonction \log est continue et dérivable sur ]0;+\infty[.
La fonction \log est strictement croissante sur ]0;+\infty[.
Pour tout a,b\in]0;+\infty[ on a:
\log(a\times b)=\log(a)+\log(b).
\log\bigg(\dfrac{a}{b}\bigg)=\log(a)-\log(b).
\log(a^n)=n\log(a).
Pour tout x\in]0;+\infty[ on a \log^{'}=\dfrac{1}{\ln(10)}\times\dfrac{1}{x}.
Remarque.
Par exemple en chimie on a la formule suivante, reliant le PH et la concentration en ion H_3O^+ exprimée en mol.l^{-1}: PH=-\log([H_3O^+]).