Neuf exercices pour dériver avec l'exponentielle et étudier des variations :
dérivées de eat et de eax+b ;
dérivées de produits ;
dérivées de quotients ;
variations d'un produit par une exponentielle ;
un maximum à interpréter ;
vrai/faux ;
associer des courbes à ekx ;
Python : approcher e ;
la méthode d'Euler : construire l'exponentielle point par point.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une bonne copie :
la formule de dérivation utilisée est écrite ;
la dérivée est factorisée par l'exponentielle ;
le signe est justifié (l'exponentielle est strictement positive) ;
la conclusion est une phrase.
💡 Le modèle de rédaction d'une étude avec exponentielle
« f est dérivable sur R comme produit de fonctions dérivables. f′(x)=⋯=(x−1)ex.
Pour tout réel x, ex>0 : f′(x) a le signe de x−1.
Donc f est strictement décroissante sur ]−∞;1] et strictement croissante sur [1;+∞[. »
Écrisex>0 : c'est la phrase qui justifie le signe.
Factorise avant d'étudier le signe.
Conclus avec les mots « strictement croissante » et « strictement décroissante ».
⚠️ Les pièges classiques
(e2x)′=e2x : oubli du facteur 2.
(xex)′=ex : oubli de la dérivée du produit.
Étudier le signe de f′ sans factoriser, puis se tromper sur un signe.
Oublier de dire que ex>0.
😄 Un correcteur qui lit « ex>0 » écrit en marge un petit « oui ». C'est gratuit, fais-lui plaisir.
Exercice 1 (★) : dériver eat et eax+b
Dériver sur R :
1.f(x)=e3x ;
2.g(x)=e−2x+1 ;
3.h(x)=5e0,5x ;
4.k(x)=ex+x2.
✏️ Correction de l'exercice 1
Question 1
(eat)′=aeat avec a=3.
✅ f′(x)=3e3x
Question 2
On écrit g(x)=e−2x+1=e×e−2x, puis on dérive e−2x avec a=−2 : g′(x)=e×(−2)e−2x.
✅ g′(x)=−2e−2x+1
Question 3
h(x)=5×e0,5x : on garde le coefficient 5 et on multiplie par 0,5.
✅ h′(x)=2,5e0,5x
Question 4
La dérivée est la somme des dérivées.
✅ k′(x)=ex+2x
Exercice 2 (★★) : dériver des produits
Dériver sur R et factoriser la dérivée :
1.f(x)=(x+1)ex ;
2.g(x)=(2x−3)e−x ;
3.h(x)=x2ex.
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
Avec u=x+1, v=ex : u′=1, v′=ex.
f′(x)=1×ex+(x+1)ex=ex(1+x+1).
✅ f′(x)=(x+2)ex
Question 2
Avec u=2x−3, v=e−x : u′=2, v′=−e−x.
g′(x)=2e−x+(2x−3)×(−e−x)=e−x(2−(2x−3)).
g′(x)=e−x(2−2x+3).
✅ g′(x)=(5−2x)e−x
Question 3
Avec u=x2, v=ex : u′=2x, v′=ex.
h′(x)=2xex+x2ex=ex(2x+x2).
✅ h′(x)=x(x+2)ex
Exercice 3 (★★) : dériver des quotients
Dériver et simplifier :
1.f(x)=xex sur ]0;+∞[ ;
2.g(x)=ex+1ex sur R ;
3.h(x)=exx sur R.
✏️ Correction de l'exercice 3
Question 1
Avec u=ex, v=x : u′=ex, v′=1 et v ne s'annule pas sur ]0;+∞[.
f′(x)=x2ex×x−ex×1=x2ex(x−1).
✅ f′(x)=x2(x−1)ex
Question 2
Avec u=ex, v=ex+1 : u′=ex, v′=ex. Le dénominateur ex+1>0 ne s'annule pas.
g′(x)=(ex+1)2ex(ex+1)−ex×ex=(ex+1)2e2x+ex−e2x.
✅ g′(x)=(ex+1)2ex
Question 3
Avec u=x, v=ex : u′=1, v′=ex.
h′(x)=(ex)21×ex−xex=e2xex(1−x)=(1−x)ex−2x.
✅ h′(x)=(1−x)e−x
Exercice 4 (★★) : variations de (x−2)ex
Soit f(x)=(x−2)ex sur l'intervalle [−3;3].
1. Calculer f′(x) et montrer que f′(x)=(x−1)ex.
2. Étudier le signe de f′(x) et dresser le tableau de variations de f.
3. Donner le minimum et le maximum de f sur [−3;3].
4. Résoudre f(x)=0.
✏️ Correction de l'exercice 4
Question 1
f est dérivable sur [−3;3] comme produit de fonctions dérivables.
Avec u=x−2 et v=ex : f′(x)=1×ex+(x−2)ex=ex(1+x−2).
✅ f′(x)=(x−1)ex
Question 2
Pour tout x, ex>0 : f′(x) a le signe de x−1.
f′(x)<0 sur [−3;1[, f′(1)=0 et f′(x)>0 sur ]1;3].
On calcule f(−3)=−5e−3≈−0,25, f(1)=−e≈−2,72 et f(3)=e3≈20,09.
x
−3
1
3
f′(x)
−
0
+
f
−5e−3
↘
−e
↗
e3
✅ f est strictement décroissante sur [−3;1] et strictement croissante sur [1;3].
Question 3
Le minimum est atteint en x=1. Le maximum est atteint à une borne : f(3)≈20,09 est supérieur à f(−3)≈−0,25.
✅ Le minimum de f sur [−3;3] est −e (en 1) et son maximum est e3 (en 3).
Question 4
Un produit est nul si et seulement si l'un de ses facteurs est nul. Or ex=0.
Donc f(x)=0⟺x−2=0⟺x=2.
On vérifie : 2∈[−3;3].
✅ L'équation f(x)=0 a une unique solution : x=2.
Exercice 5 (★★★) : un maximum à interpréter
Un capteur mesure la concentration d'un produit dans le sang, en mg/L, x heures après une prise : f(x)=xe−x pour x∈[0;5].
1. Montrer que f′(x)=(1−x)e−x.
2. Dresser le tableau de variations de f.
3. Interpréter le maximum : à quel instant la concentration est-elle maximale, et quelle est sa valeur (arrondie au centième) ?
4. L'équation f(x)=0,5 a-t-elle des solutions sur [0;5] ? Justifier.
5. Compléter le script pour qu'il affiche le premier instant (au centième d'heure) où la concentration atteint 0,1 mg/L :
from math import exp
x = 0
while ......:
x = round(x + 0.01, 2)
print(x)
✏️ Correction de l'exercice 5
Question 1
f est dérivable sur [0;5]. Avec u=x et v=e−x : u′=1, v′=−e−x.
f′(x)=1×e−x+x×(−e−x)=e−x(1−x).
✅ f′(x)=(1−x)e−x
Question 2
Pour tout x, e−x>0 : f′(x) a le signe de 1−x.
f′(x)>0 sur [0;1[, f′(1)=0 et f′(x)<0 sur ]1;5].
On calcule f(0)=0, f(1)=e−1≈0,37 et f(5)=5e−5≈0,034.
x
0
1
5
f′(x)
+
0
−
f
0
↗
e−1
↘
5e−5
✅ f est strictement croissante sur [0;1] et strictement décroissante sur [1;5].
Question 3
Le maximum de f est atteint en x=1 et vaut f(1)=e−1≈0,37.
✅ La concentration est maximale 1 heure après la prise : environ 0,37 mg/L.
Question 4
D'après le tableau, pour tout x∈[0;5], f(x)⩽f(1)=e−1≈0,37<0,5.
✅ L'équation f(x)=0,5 n'a aucune solution sur [0;5] : la concentration n'atteint jamais 0,5 mg/L.
Question 5
On continue tant que la concentration est strictement inférieure à 0,1 :
while x * exp(-x) < 0.1:
On a f(0,11)≈0,0985<0,1 et f(0,12)≈0,1064⩾0,1.
✅ Le script affiche 0,12 : la concentration atteint 0,1 mg/L environ 0,12 h (soit 7 minutes) après la prise.
Exercice 6 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. La dérivée de x↦e2x est x↦e2x.
2. La dérivée de x↦xex est x↦ex.
3. La fonction x↦e−x est strictement décroissante sur R.
4. La fonction f(x)=(x2+1)ex est strictement croissante sur R.
✏️ Correction de l'exercice 6
Affirmation 1
(e2x)′=2e2x, et 2e2x=e2x (en 0 : 2=1).
❌ Faux.
Affirmation 2
Dérivée d'un produit : (xex)′=ex+xex=(x+1)ex. En x=1 : 2e=e.
❌ Faux.
Affirmation 3
(e−x)′=−e−x<0 pour tout réel x.
✅ Vrai.
Affirmation 4
f′(x)=2xex+(x2+1)ex=ex(x2+2x+1)=(x+1)2ex.
Pour tout x, f′(x)⩾0, et f′(x)=0 seulement en x=−1 (un seul point).
Une dérivée positive qui ne s'annule qu'en un point isolé donne une fonction strictement croissante.
✅ Vrai.
Exercice 7 (★★) : associer des courbes à ekx
Les quatre courbes ci-dessous représentent les fonctions x↦ex, e2x, e−x et e−2x (dans un ordre à trouver).
Quatre courbes de la forme y = e^(kx), avec k = 1, 2, -1 ou -2
1. Quel point commun ont toutes ces courbes ?
2. Associer chaque courbe à sa fonction en justifiant par le signe et la valeur de la pente en 0.
3. Comparer e2x et ex pour x>0 puis pour x<0.
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
ek×0=e0=1 pour tout k.
✅ Toutes passent par le point (0;1).
Question 2
Si f(x)=ekx, alors f′(x)=kekx et f′(0)=k : la pente en 0 vaut k.
k>0 : la courbe est croissante ; k<0 : elle est décroissante.
Plus ∣k∣ est grand, plus la pente en 0 est forte.
✅ A : e2x ; B : ex ; C : e−x ; D : e−2x.
Question 3
Pour x>0 : 2x>x donc e2x>ex (la fonction exponentielle est croissante).
✅ Pour x<0 : 2x<x donc e2x<ex. Les courbes se coupent en x=0.
Exercice 8 (★★) : Python : approcher e
1. Écrire un programme qui affiche (1+n1)n pour n=1, 10, 100, 1000 et 106.
2. Que remarque-t-on ? Que dire d'un lien avec le nombre e≈2,71828 ?
✏️ Correction de l'exercice 8
Question 1
for n in [1, 10, 100, 1000, 10**6]:
print(n, (1 + 1 / n) ** n)
On obtient environ 2 ; 2,5937 ; 2,7048 ; 2,7169 ; 2,71828.
Question 2
✅ Les valeurs augmentent et semblent se rapprocher de e≈2,71828. On admet que (1+n1)n tend vers e quand n tend vers l'infini.
La convergence est lente : il faut 106 pour obtenir cinq décimales.
Exercice 9 (★★★) : la méthode d'Euler : construire l'exponentielle
On approche la fonction exp sur [0;2] par la méthode d'Euler : x0=0, y0=1 et, pour un pas h donné, xk+1=xk+h et yk+1=yk+hyk.
1. Justifier la formule yk+1=yk+hyk à l'aide de la tangente à la courbe de exp au point d'abscisse xk.
2. Avec h=0,5, calculer y1, y2, y3 et y4, puis comparer y4 à e2≈7,389.
3. Montrer que la suite (yk) est géométrique et exprimer yk en fonction de k et de h. Calculer y20 pour h=0,1.
4. Écrire une fonction euler(h, n) qui renvoie la liste [y0;y1;…;yn], puis afficher le dernier terme pour n=4, n=20 et n=200 (pas h=n2). Que constate-t-on ?
✏️ Correction de l'exercice 9
Question 1
La fonction exp vérifie exp′=exp : la tangente en (xk;yk) a pour coefficient directeur exp′(xk)=exp(xk)≈yk.
Pour h petit, la courbe est proche de sa tangente : exp(xk+h)≈exp(xk)+exp′(xk)h≈yk+hyk.
✅ On avance d'un pas h le long de la tangente : yk+1=yk+hyk.
Le point d'abscisse x4=2 est donc (2;5,0625), alors que e2≈7,389.
✅ y4=5,0625 : l'écart avec e2 est d'environ 2,33, soit 31%. Le pas 0,5 est trop grand.
Question 3
yk+1=yk+hyk=(1+h)yk : la suite est géométrique de raison 1+h et de premier terme y0=1.
Donc yk=(1+h)k. Pour h=0,1 : y20=1,120≈6,7275.
✅ yk=(1+h)k et y20≈6,7275 pour h=0,1.
Question 4
def euler(h, n):
Y = [1]
for k in range(n):
Y.append(Y[-1] + h * Y[-1])
return Y
for n in (4, 20, 200):
Y = euler(2 / n, n)
print(n, Y[-1])
On obtient environ 5,0625 ; 6,7275 ; 7,3160.
✅ Plus le pas est petit, plus yn se rapproche de e2≈7,389 : la ligne brisée d'Euler suit de mieux en mieux la courbe de l'exponentielle, mais la convergence est lente.
🎯 Ce qui peut tomber en contrôle
Dérivereat, un produit, un quotient (exercices 1 à 3).
Factoriser la dérivée par l'exponentielle (exercices 2, 4 et 5).
Dresser un tableau de variations avec images et conclure (exercices 4 et 5).
Interpréter un maximum en contexte (exercice 5).
Un vrai/faux sur les dérivées (exercice 6).
Reconnaître les courbes de ekx (exercice 7).
Construire l'exponentielle par la méthode d'Euler avec Python (exercice 9).
QCM : vérifie tes acquis
5 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.
Question 1 sur 5
La dérivée de f(x)=e5x est :
(eax)′=aeax avec a=5.
Question 2 sur 5
La dérivée de f(x)=xex est :
(uv)′=u′v+uv′=ex+xex=(x+1)ex.
Question 3 sur 5
La dérivée de f(x)=e−x est :
a=−1 : (e−x)′=−e−x.
Question 4 sur 5
Si f′(x)=(x−3)ex, alors f est :
ex>0 : f′ a le signe de x−3. Négatif avant 3, positif après.
Question 5 sur 5
Sur R, la fonction x↦e−2x est :
Sa dérivée −2e−2x est strictement négative.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.