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Première Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction exponentielle

Fonction exponentielle : exercices de synthèse

Trois exercices complets, au format d'un devoir :

  • une fonction (x+2)e−x(x+2)e^{-x} : variations, équation, tangente, Python ;
  • un problème de concentration d'un médicament : maximum, durée d'efficacité ;
  • une fonction quotient avec l'exponentielle : parité, dérivée, tangente, encadrement.

Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie :

  • ex>0e^x>0 écrit chaque fois qu'il justifie un signe ;
  • tableau de variations avec images et comparaison aux bornes ;
  • conclusion en contexte avec l'unité.

Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 25 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.

💡 Comment t'entraîner efficacement

  • Chronomètre-toi et rédige tout, comme en devoir.
  • Pour une étude avec exponentielle : dérive, factorise par l'exponentielle, justifie le signe, dresse le tableau.
  • Si tu bloques sur une question, écris ce que tu sais et passe à la suivante.
  • À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus » : c'est la liste de ce que le correcteur cherche.

Exercice 1 : la fonction (x+2)e−x(x+2)e^{-x}

Soit ff la fonction définie sur [−3 ; 4][-3\,;\,4] par f(x)=(x+2)e−xf(x)=(x+2)e^{-x}.

1. Montrer que f′(x)=−(x+1)e−xf'(x)=-(x+1)e^{-x} et dresser le tableau de variations de ff.

2. Résoudre f(x)=0f(x)=0 puis donner le signe de f(x)f(x) sur [−3 ; 4][-3\,;\,4].

3. Déterminer l'équation réduite de la tangente TT à la courbe au point d'abscisse 00.

4. Justifier que l'équation f(x)=1f(x)=1 a au plus une solution dans [−1 ; 4][-1\,;\,4]. On admet qu'elle en a une, notée β\beta. Avec Python, donner un encadrement de β\beta à 10−210^{-2} près.

✏️ Correction de la question 1

ff est dérivable sur [−3 ; 4][-3\,;\,4] comme produit de fonctions dérivables.

Avec u=x+2u=x+2 et v=e−xv=e^{-x} : u′=1u'=1 et v′=−e−xv'=-e^{-x}.

f′(x)=e−x−(x+2)e−x=e−x (1−x−2)f'(x)=e^{-x}-(x+2)e^{-x}=e^{-x}\,(1-x-2).

✅ f′(x)=−(x+1)e−xf'(x)=-(x+1)e^{-x}

Pour tout xx, e−x>0e^{-x}>0 : f′(x)f'(x) a le signe de −(x+1)-(x+1), donc de −x−1-x-1.

f′(x)>0f'(x)>0 pour x<−1x<-1 et f′(x)<0f'(x)<0 pour x>−1x>-1.

On calcule f(−3)=−e3≈−20,09f(-3)=-e^{3}\approx -20{,}09, f(−1)=e1=e≈2,72f(-1)=e^{1}=e\approx 2{,}72 et f(4)=6e−4≈0,11f(4)=6e^{-4}\approx 0{,}11.

xx−3-3−1-144
f′(x)f'(x) ++ 00 −-
ff −e3-e^{3} ↗ ee ↘ 6e−46e^{-4}

✅ ff est strictement croissante sur [−3 ; −1][-3\,;\,-1] et strictement décroissante sur [−1 ; 4][-1\,;\,4].

✏️ Correction de la question 2

Pour tout xx, e−x≠0e^{-x}\neq 0 : f(x)=0  ⟺  x+2=0  ⟺  x=−2f(x)=0\iff x+2=0\iff x=-2.

Comme e−x>0e^{-x}>0, f(x)f(x) a le signe de x+2x+2.

✅ f(x)=0f(x)=0 pour x=−2x=-2 ; f(x)<0f(x)<0 sur [−3 ; −2[[-3\,;\,-2[ ; f(x)>0f(x)>0 sur ]−2 ; 4]]-2\,;\,4].

✏️ Correction de la question 3

Équation de la tangente en a=0a=0 : y=f′(0)(x−0)+f(0)y=f'(0)(x-0)+f(0).

f(0)=2e0=2f(0)=2e^0=2 et f′(0)=−(0+1)e0=−1f'(0)=-(0+1)e^{0}=-1.

y=−1×x+2y=-1\times x+2.

✅ T:y=−x+2T : y=-x+2.

✏️ Correction de la question 4

D'après le tableau, ff est strictement décroissante sur [−1 ; 4][-1\,;\,4], de e≈2,72e\approx2{,}72 à 6e−4≈0,116e^{-4}\approx0{,}11 : deux réels distincts de cet intervalle ne peuvent pas avoir la même image.

✅ L'équation f(x)=1f(x)=1 a au plus une solution dans [−1 ; 4][-1\,;\,4]. Comme 1∈[0,11 ; 2,72]1\in[0{,}11\,;\,2{,}72], on admet qu'elle en a une : β\beta.

Pour la trouver, on balaie [−1 ; 4][-1\,;\,4] avec un pas de 0,010{,}01 :

from math import exp

def f(x):
    return (x + 2) * exp(-x)

x = -1
while f(x) > 1:       # f est décroissante sur [-1 ; 4]
    x = x + 0.01
print(round(x - 0.01, 2), round(x, 2))   # affiche 1.14 1.15

On obtient f(1,14)>1>f(1,15)f(1{,}14)>1>f(1{,}15) (en effet β≈1,1462\beta\approx 1{,}1462).

✅ 1,14<β<1,151{,}14<\beta<1{,}15.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1

• Q1 : dérivée de produit correcte, e−x>0e^{-x}>0 écrit, tableau avec trois images.

• Q2 : produit nul (e−x≠0e^{-x}\neq 0), signe justifié.

• Q3 : formule y=f′(a)(x−a)+f(a)y=f'(a)(x-a)+f(a) appliquée avec les deux valeurs calculées.

• Q4 : raisonnement par monotonie (au plus une solution), encadrement avec le sens de l'inégalité correct.


Exercice 2 : la concentration d'un médicament

Après une injection, la concentration d'un médicament dans le sang (en mg/L) est modélisée, tt heures après l'injection, par C(t)=5t e−0,5tC(t)=5t\,e^{-0{,}5t} pour t∈[0 ; 10]t\in[0\,;\,10].

1. Montrer que C′(t)=5(1−0,5t) e−0,5tC'(t)=5(1-0{,}5t)\,e^{-0{,}5t} et dresser le tableau de variations de CC.

2. À quel instant la concentration est-elle maximale ? Quelle est alors sa valeur (arrondie au centième) ?

3. Le médicament est efficace lorsque la concentration est supérieure ou égale à 33 mg/L. Justifier avec le tableau que l'équation C(t)=3C(t)=3 a au plus une solution dans [0 ; 2][0\,;\,2] et au plus une dans [2 ; 10][2\,;\,10]. On admet qu'elle en a une dans chacun de ces intervalles, notées t1t_1 et t2t_2. Déterminer avec un script des valeurs approchées de t1t_1 et t2t_2 au centième d'heure, puis la durée d'efficacité.

4. Donner la concentration à t=10t=10 et interpréter.

✏️ Correction de la question 1

CC est dérivable sur [0 ; 10][0\,;\,10] comme produit de fonctions dérivables.

Avec u=5tu=5t et v=e−0,5tv=e^{-0{,}5t} : u′=5u'=5 et v′=−0,5e−0,5tv'=-0{,}5e^{-0{,}5t}.

C′(t)=5e−0,5t+5t×(−0,5)e−0,5t=e−0,5t (5−2,5t)C'(t)=5e^{-0{,}5t}+5t\times(-0{,}5)e^{-0{,}5t}=e^{-0{,}5t}\,(5-2{,}5t).

✅ C′(t)=5(1−0,5t) e−0,5tC'(t)=5(1-0{,}5t)\,e^{-0{,}5t}

Pour tout tt, e−0,5t>0e^{-0{,}5t}>0 : C′(t)C'(t) a le signe de 1−0,5t1-0{,}5t.

1−0,5t>0  ⟺  t<21-0{,}5t>0\iff t<2.

On calcule C(0)=0C(0)=0, C(2)=10e−1≈3,68C(2)=10e^{-1}\approx 3{,}68 et C(10)=50e−5≈0,34C(10)=50e^{-5}\approx 0{,}34.

xx00221010
C′(t)C'(t) ++ 00 −-
CC 00 ↗ 10e−110e^{-1} ↘ 50e−550e^{-5}

✅ CC est strictement croissante sur [0 ; 2][0\,;\,2] et strictement décroissante sur [2 ; 10][2\,;\,10].

✏️ Correction de la question 2

Le maximum de CC est atteint en t=2t=2 (la fonction croît jusque-là puis décroît).

✅ La concentration est maximale 22 heures après l'injection : C(2)=10e−1≈3,68C(2)=10e^{-1}\approx 3{,}68 mg/L.

✏️ Correction de la question 3

Sur [0 ; 2][0\,;\,2], CC est strictement croissante : elle prend chaque valeur au plus une fois. Sur [2 ; 10][2\,;\,10], elle est strictement décroissante : même conclusion. D'où au plus une solution t1t_1 dans [0 ; 2][0\,;\,2] et au plus une solution t2t_2 dans [2 ; 10][2\,;\,10] (elles existent, car 3∈[0 ; 3,68]3\in[0\,;\,3{,}68] et 3∈[0,34 ; 3,68]3\in[0{,}34\,;\,3{,}68]).

Un balayage avec un pas de 0,010{,}01 heure donne les deux instants :

from math import exp

def C(t):
    return 5 * t * exp(-0.5 * t)

t = 0
while C(t) < 3:
    t = t + 0.01
t1 = t
while C(t) >= 3:
    t = t + 0.01
t2 = t
print(round(t1, 2), round(t2, 2))   # affiche 0.98 3.57

On trouve t1≈0,98t_1\approx 0{,}98 h et t2≈3,57t_2\approx 3{,}57 h (à 0,010{,}01 h près). D'après le tableau, la concentration est ⩾3\geqslant 3 mg/L sur [t1 ; t2][t_1\,;\,t_2].

✅ Durée d'efficacité : t2−t1≈2,59t_2-t_1\approx 2{,}59 heures, soit environ 22 h 3535 min.

✏️ Correction de la question 4

C(10)=50e−5≈0,34C(10)=50e^{-5}\approx 0{,}34 mg/L.

✅ Dix heures après l'injection, il ne reste qu'environ 0,340{,}34 mg/L : le médicament est presque totalement éliminé.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2

• Q1 : dérivée de produit avec le coefficient −0,5-0{,}5, e−0,5t>0e^{-0{,}5t}>0 écrit, tableau avec trois images.

• Q2 : maximum lu dans le tableau, valeur et instant distingués, unité.

• Q3 : monotonie sur deux intervalles, valeurs aux bornes, conclusion en contexte avec la durée.

• Q4 : interprétation en une phrase.


Exercice 3 : une fonction quotient avec l'exponentielle

Soit gg la fonction définie sur R\mathbb{R} par g(x)=exex+1g(x)=\dfrac{e^{x}}{e^{x}+1}.

1. Montrer que, pour tout réel xx, g(x)+g(−x)=1g(x)+g(-x)=1. En déduire que la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par h(x)=g(x)−12h(x)=g(x)-\dfrac12 est impaire.

2. Montrer que g′(x)=ex(ex+1)2g'(x)=\dfrac{e^{x}}{\left(e^{x}+1\right)^{2}} et en déduire le sens de variation de gg.

3. Montrer que, pour tout réel xx, 0<g(x)<10<g(x)<1.

4. Déterminer l'équation de la tangente à la courbe de gg au point d'abscisse 00.

5. Montrer que ex⩾x+1e^{x}\geqslant x+1 pour tout réel xx, puis que g(x)⩾x+1ex+1g(x)\geqslant\dfrac{x+1}{e^{x}+1}.

✏️ Correction de la question 1

Pour tout réel xx : g(−x)=e−xe−x+1g(-x)=\dfrac{e^{-x}}{e^{-x}+1}. On multiplie en haut et en bas par exe^{x} :

g(−x)=ex e−xex (e−x+1)=11+exg(-x)=\dfrac{e^{x}\,e^{-x}}{e^{x}\,(e^{-x}+1)}=\dfrac{1}{1+e^{x}}.

Donc g(x)+g(−x)=exex+1+1ex+1=ex+1ex+1=1g(x)+g(-x)=\dfrac{e^x}{e^x+1}+\dfrac{1}{e^x+1}=\dfrac{e^x+1}{e^x+1}=1.

✅ Pour tout réel xx : g(x)+g(−x)=1g(x)+g(-x)=1.

L'ensemble de définition de hh est R\mathbb{R}, symétrique par rapport à 00. Pour tout réel xx : h(−x)=g(−x)−12=1−g(x)−12=12−g(x)=−h(x)h(-x)=g(-x)-\dfrac12=1-g(x)-\dfrac12=\dfrac12-g(x)=-h(x).

✅ hh est impaire : sa courbe est symétrique par rapport à l'origine du repère.

✏️ Correction de la question 2

gg est dérivable sur R\mathbb{R} comme quotient de fonctions dérivables dont le dénominateur ex+1>0e^x+1>0 ne s'annule pas.

Avec u=exu=e^x et v=ex+1v=e^x+1 : u′=v′=exu'=v'=e^x.

g′(x)=ex(ex+1)−ex×ex(ex+1)2=ex(ex+1)2g'(x)=\dfrac{e^x(e^x+1)-e^x\times e^x}{(e^x+1)^2}=\dfrac{e^x}{(e^x+1)^2}.

✅ g′(x)=ex(ex+1)2g'(x)=\dfrac{e^{x}}{(e^{x}+1)^{2}}

Pour tout xx, ex>0e^x>0 et (ex+1)2>0(e^x+1)^2>0 : g′(x)>0g'(x)>0.

✅ gg est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

✏️ Correction de la question 3

Pour tout xx, ex>0e^x>0 et ex+1>0e^x+1>0, donc g(x)>0g(x)>0.

De plus ex+1>exe^x+1>e^x et ex+1>0e^x+1>0 : exex+1<1\dfrac{e^x}{e^x+1}<1.

✅ Pour tout réel xx : 0<g(x)<10<g(x)<1.

✏️ Correction de la question 4

Équation en a=0a=0 : y=g′(0)(x−0)+g(0)y=g'(0)(x-0)+g(0).

g(0)=12g(0)=\dfrac{1}{2} et g′(0)=e0(e0+1)2=14g'(0)=\dfrac{e^0}{(e^0+1)^2}=\dfrac14.

✅ T:y=14x+12T : y=\dfrac{1}{4}x+\dfrac{1}{2}.

✏️ Correction de la question 5

Posons h(x)=ex−x−1h(x)=e^x-x-1. Alors h′(x)=ex−1h'(x)=e^x-1, négative pour x<0x<0 et positive pour x>0x>0 (car e0=1e^0=1 et exp⁡\exp est croissante).

hh admet donc un minimum h(0)=0h(0)=0 : h(x)⩾0h(x)\geqslant 0, soit ex⩾x+1e^x\geqslant x+1.

Comme ex+1>0e^x+1>0, on divise : exex+1⩾x+1ex+1\dfrac{e^x}{e^x+1}\geqslant\dfrac{x+1}{e^x+1}.

✅ Pour tout réel xx : g(x)⩾x+1ex+1g(x)\geqslant\dfrac{x+1}{e^{x}+1}.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3

• Q1 : multiplication par exe^x pour supprimer e−xe^{-x}, puis définition de la parité (h(−x)=−h(x)h(-x)=-h(x)).

• Q2 : dérivée de quotient, dénominateur non nul justifié, signe d'un carré.

• Q3 : deux inégalités justifiées.

• Q4 : formule de la tangente appliquée.

• Q5 : étude de h(x)=ex−x−1h(x)=e^x-x-1 complète, puis division par une quantité strictement positive.

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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