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Terminale Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction logarithme

Fiche 1 : propriétés, équations et inéquations

Dix exercices pour maîtriser toutes les manipulations de ln⁡\ln :

  • propriétés algébriques ;
  • ensembles de définition ;
  • équations et inéquations avec ln⁡\ln ;
  • équations exponentielles avec changement de variable ;
  • seuils avec des suites ;
  • démonstrations et vrai/faux.

Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :

  • ensemble de définition écrit en premier ;
  • équivalences justifiées ;
  • solutions vérifiées ;
  • conclusion.

💡 Le modèle de rédaction d'une équation avec ln⁡\ln

« Ensemble de définition : l'équation a un sens pour xx tel que ⋯>0\dots>0, soit x∈…x\in\dots

Résolution : pour xx dans cet ensemble, ln⁡A=ln⁡B  ⟺  A=B\ln A=\ln B\iff A=B, donc …\dots

Vérification : la solution …\dots appartient bien à l'ensemble de définition.

Conclusion : S={… }S=\{\dots\}. »

  • ln⁡A=ln⁡B  ⟺  A=B\ln A=\ln B\iff A=B (avec A,B>0A,B>0)
  • ln⁡A=k  ⟺  A=ek\ln A=k\iff A=e^k
  • Pour une inéquation, ln⁡\ln étant strictement croissante, le sens de l'inégalité est conservé.

⚠️ Les pièges classiques

  • Oublier l'ensemble de définition, puis garder une solution qui n'y est pas.
  • Écrire ln⁡(a+b)=ln⁡a+ln⁡b\ln(a+b)=\ln a+\ln b.
  • Oublier de retourner l'inégalité en divisant par un logarithme négatif (ln⁡q\ln q avec q<1q<1).
  • Poser X=exX=e^x et garder une solution négative ou nulle : X=ex>0X=e^x>0.

😄 Une équation avec ln⁡\ln sans ensemble de définition, c'est un voyage sans passeport : ça passe rarement la frontière.


Exercice 1 (★) : exprimer avec ln⁡2\ln2 et ln⁡3\ln3

On note a=ln⁡2a=\ln2 et b=ln⁡3b=\ln3.

Exprimer en fonction de aa et bb :

ln⁡12\ln12, ln⁡36\ln36, ln⁡23\ln\dfrac23, ln⁡0,75\ln0{,}75, ln⁡6\ln\sqrt6, ln⁡72\ln72.

✏️ Correction de l'exercice 1

Méthode

On décompose chaque nombre en produit de puissances de 22 et de 33. Puis on applique ln⁡(xy)=ln⁡x+ln⁡y\ln(xy)=\ln x+\ln y, ln⁡(xn)=nln⁡x\ln(x^n)=n\ln x et ln⁡xy=ln⁡x−ln⁡y\ln\dfrac xy=\ln x-\ln y (pour x,y>0x,y>0).

ln⁡12=ln⁡(22×3)=2ln⁡2+ln⁡3\ln12=\ln\left(2^2\times3\right)=2\ln2+\ln3

✅ ln⁡12=2a+b\ln12=2a+b

ln⁡36=ln⁡(22×32)\ln36=\ln\left(2^2\times3^2\right)

✅ ln⁡36=2a+2b\ln36=2a+2b

ln⁡23=ln⁡2−ln⁡3\ln\dfrac23=\ln2-\ln3

✅ ln⁡23=a−b\ln\dfrac23=a-b

ln⁡0,75=ln⁡34=ln⁡3−ln⁡22\ln0{,}75=\ln\dfrac34=\ln3-\ln2^2

✅ ln⁡0,75=b−2a\ln0{,}75=b-2a

ln⁡6=12ln⁡6=12(ln⁡2+ln⁡3)\ln\sqrt6=\dfrac12\ln6=\dfrac12(\ln2+\ln3)

✅ ln⁡6=a+b2\ln\sqrt6=\dfrac{a+b}2

ln⁡72=ln⁡(23×32)\ln72=\ln\left(2^3\times3^2\right)

✅ ln⁡72=3a+2b\ln72=3a+2b


Exercice 2 (★) : simplifier

Simplifier :

A=ln⁡(e3)+ln⁡1eA=\ln\left(e^3\right)+\ln\dfrac1e

B=ln⁡(e2e)B=\ln\left(e^2\sqrt e\right)

C=e2ln⁡3C=e^{2\ln3}

D=e−ln⁡2D=e^{-\ln2}

E=ln⁡ee2E=\ln\dfrac{\sqrt e}{e^2}

✏️ Correction de l'exercice 2

Méthode

On utilise ln⁡(ex)=x\ln(e^x)=x, eln⁡x=xe^{\ln x}=x (x>0x>0) et les propriétés algébriques.

A=3+ln⁡(e−1)=3−1A=3+\ln\left(e^{-1}\right)=3-1

✅ A=2A=2

B=ln⁡(e2)+ln⁡(e1/2)=2+12B=\ln\left(e^2\right)+\ln\left(e^{1/2}\right)=2+\dfrac12

✅ B=52B=\dfrac52

C=eln⁡32=eln⁡9C=e^{\ln3^2}=e^{\ln9}

✅ C=9C=9

D=eln⁡12D=e^{\ln\frac12}

✅ D=12D=\dfrac12

E=ln⁡(e1/2)−ln⁡(e2)=12−2E=\ln\left(e^{1/2}\right)-\ln\left(e^2\right)=\dfrac12-2

✅ E=−32E=-\dfrac32


Exercice 3 (★★) : ensembles de définition

Déterminer l'ensemble de définition de :

1. f(x)=ln⁡(x2−4)f(x)=\ln\left(x^2-4\right)

2. g(x)=ln⁡x−1x+2g(x)=\ln\dfrac{x-1}{x+2}

3. h(x)=ln⁡x+ln⁡(x−2)h(x)=\ln x+\ln(x-2)

4. k(x)=1ln⁡xk(x)=\dfrac1{\ln x}

✏️ Correction de l'exercice 3

Question 1

f(x)f(x) existe si et seulement si x2−4>0x^2-4>0, c'est-à-dire (x−2)(x+2)>0(x-2)(x+2)>0. Ce trinôme est positif à l'extérieur de ses racines −2-2 et 22.

✅ Df=]−∞ ;−2[ ∪ ]2 ;+∞[D_f=]-\infty\,;-2[\,\cup\,]2\,;+\infty[

Question 2

g(x)g(x) existe si et seulement si x≠−2x\neq-2 et x−1x+2>0\dfrac{x-1}{x+2}>0. Par un tableau de signes :

  • le quotient est positif pour x<−2x<-2 (numérateur et dénominateur négatifs) ;
  • positif pour x>1x>1 (tous deux positifs) ;
  • négatif pour −2<x<1-2<x<1.

✅ Dg=]−∞ ;−2[ ∪ ]1 ;+∞[D_g=]-\infty\,;-2[\,\cup\,]1\,;+\infty[

Question 3

h(x)h(x) existe si et seulement si x>0x>0 et x−2>0x-2>0, c'est-à-dire x>2x>2.

✅ Dh=]2 ;+∞[D_h=]2\,;+\infty[

Question 4

k(x)k(x) existe si et seulement si x>0x>0 et ln⁡x≠0\ln x\neq0. Comme ln⁡x=0  ⟺  x=1\ln x=0\iff x=1 :

✅ Dk=]0 ;1[ ∪ ]1 ;+∞[D_k=]0\,;1[\,\cup\,]1\,;+\infty[


Exercice 4 (★★) : équations avec ln⁡\ln

Résoudre dans R\R :

1. ln⁡(2x−1)=3\ln(2x-1)=3

2. ln⁡x+ln⁡(x−1)=ln⁡6\ln x+\ln(x-1)=\ln6

3. ln⁡(x+1)=ln⁡(3−x)\ln(x+1)=\ln(3-x)

4. (ln⁡x)2−ln⁡x−2=0(\ln x)^2-\ln x-2=0

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

Ensemble de définition : 2x−1>0  ⟺  x>122x-1>0\iff x>\dfrac12.

Pour x>12x>\dfrac12 :

ln⁡(2x−1)=3  ⟺  2x−1=e3  ⟺  x=e3+12\ln(2x-1)=3\iff2x-1=e^3\iff x=\dfrac{e^3+1}2

Ce nombre est supérieur à 12\dfrac12.

✅ S={e3+12}S=\left\{\dfrac{e^3+1}2\right\}

Question 2

Ensemble de définition : x>0x>0 et x−1>0x-1>0, soit x>1x>1.

Pour x>1x>1 : ln⁡x+ln⁡(x−1)=ln⁡(x(x−1))\ln x+\ln(x-1)=\ln\big(x(x-1)\big). L'équation équivaut à x(x−1)=6x(x-1)=6, soit x2−x−6=0x^2-x-6=0. (x−3)(x+2)=0(x-3)(x+2)=0, donc x=3x=3 ou x=−2x=-2. Comme x>1x>1, −2-2 est exclu.

✅ S={3}S=\{3\}

Question 3

Ensemble de définition : x+1>0x+1>0 et 3−x>03-x>0, soit −1<x<3-1<x<3.

Pour xx dans ]−1 ;3[]-1\,;3[ :

ln⁡(x+1)=ln⁡(3−x)  ⟺  x+1=3−x  ⟺  x=1\ln(x+1)=\ln(3-x)\iff x+1=3-x\iff x=1

Ce nombre appartient à ]−1 ;3[]-1\,;3[.

✅ S={1}S=\{1\}

Question 4

Ensemble de définition : x>0x>0.

On pose X=ln⁡xX=\ln x. L'équation devient X2−X−2=0X^2-X-2=0, soit (X−2)(X+1)=0(X-2)(X+1)=0. Donc X=2X=2 ou X=−1X=-1. Donc ln⁡x=2\ln x=2 ou ln⁡x=−1\ln x=-1, soit x=e2x=e^2 ou x=e−1x=e^{-1}. Ces deux nombres sont bien strictement positifs.

✅ S={e−1 ;e2}S=\left\{e^{-1}\,;e^2\right\}


Exercice 5 (★★) : inéquations avec ln⁡\ln

Résoudre dans R\R :

1. ln⁡(x−3)≥0\ln(x-3)\ge0

2. ln⁡(2x+1)<1\ln(2x+1)<1

3. ln⁡x+ln⁡(x−2)≤ln⁡3\ln x+\ln(x-2)\le\ln3

4. (ln⁡x)2−3ln⁡x+2>0(\ln x)^2-3\ln x+2>0

✏️ Correction de l'exercice 5

Question 1

Ensemble de définition : x>3x>3.

Comme ln⁡1=0\ln1=0 et ln⁡\ln est strictement croissante :

ln⁡(x−3)≥0  ⟺  ln⁡(x−3)≥ln⁡1  ⟺  x−3≥1  ⟺  x≥4\ln(x-3)\ge0\iff\ln(x-3)\ge\ln1\iff x-3\ge1\iff x\ge4

✅ S=[4 ;+∞[S=[4\,;+\infty[

Question 2

Ensemble de définition : 2x+1>0  ⟺  x>−122x+1>0\iff x>-\dfrac12.

Comme ln⁡e=1\ln e=1 :

ln⁡(2x+1)<1  ⟺  2x+1<e  ⟺  x<e−12\ln(2x+1)<1\iff2x+1<e\iff x<\dfrac{e-1}2

✅ S=]−12 ;e−12[S=\left]-\dfrac12\,;\dfrac{e-1}2\right[

Question 3

Ensemble de définition : x>0x>0 et x−2>0x-2>0, soit x>2x>2.

Pour x>2x>2 :

ln⁡(x(x−2))≤ln⁡3  ⟺  x(x−2)≤3\ln\big(x(x-2)\big)\le\ln3\iff x(x-2)\le3

  ⟺  x2−2x−3≤0  ⟺  (x−3)(x+1)≤0  ⟺  −1≤x≤3\iff x^2-2x-3\le0\iff(x-3)(x+1)\le0\iff-1\le x\le3

En tenant compte de x>2x>2 :

✅ S=]2 ;3]S=]2\,;3]

Question 4

Ensemble de définition : x>0x>0.

Avec X=ln⁡xX=\ln x :

X2−3X+2>0  ⟺  (X−1)(X−2)>0  ⟺  X<1X^2-3X+2>0\iff(X-1)(X-2)>0\iff X<1 ou X>2X>2

Donc ln⁡x<1\ln x<1 ou ln⁡x>2\ln x>2, soit 0<x<e0<x<e ou x>e2x>e^2.

✅ S=]0 ;e[ ∪ ]e2 ;+∞[S=]0\,;e[\,\cup\,]e^2\,;+\infty[


Exercice 6 (★★) : équations exponentielles

Résoudre dans R\R :

1. e2x−3ex+2=0e^{2x}-3e^x+2=0

2. ex+1=5e^{x+1}=5

3. 3e−x=23e^{-x}=2

4. ex−2e−x=1e^x-2e^{-x}=1

✏️ Correction de l'exercice 6

Question 1

On pose X=exX=e^x, avec X>0X>0. L'équation devient X2−3X+2=0X^2-3X+2=0, soit (X−1)(X−2)=0(X-1)(X-2)=0. Donc X=1X=1 ou X=2X=2. Donc ex=1e^x=1 ou ex=2e^x=2, soit x=0x=0 ou x=ln⁡2x=\ln2.

✅ S={0 ;ln⁡2}S=\{0\,;\ln2\}

Question 2

ex+1=5  ⟺  x+1=ln⁡5  ⟺  x=ln⁡5−1e^{x+1}=5\iff x+1=\ln5\iff x=\ln5-1

✅ S={ln⁡5−1}S=\{\ln5-1\}

Question 3

3e−x=2  ⟺  e−x=23  ⟺  −x=ln⁡23  ⟺  x=−ln⁡23=ln⁡323e^{-x}=2\iff e^{-x}=\dfrac23\iff-x=\ln\dfrac23\iff x=-\ln\dfrac23=\ln\dfrac32

✅ S={ln⁡32}S=\left\{\ln\dfrac32\right\}

Question 4

En multipliant par ex>0e^x>0 : e2x−2=exe^{2x}-2=e^x, soit e2x−ex−2=0e^{2x}-e^x-2=0. Avec X=ex>0X=e^x>0 : X2−X−2=0X^2-X-2=0, soit (X−2)(X+1)=0(X-2)(X+1)=0. Donc X=2X=2 ou X=−1X=-1. Comme X>0X>0, X=−1X=-1 est exclu. Donc ex=2e^x=2, soit x=ln⁡2x=\ln2.

✅ S={ln⁡2}S=\{\ln2\}


Exercice 7 (★★) : inéquations exponentielles

Résoudre dans R\R :

1. e3x−1≥2e^{3x-1}\ge2

2. e−x<13e^{-x}<\dfrac13

✏️ Correction de l'exercice 7

Question 1

Les deux membres sont strictement positifs, et ln⁡\ln est strictement croissante :

e3x−1≥2  ⟺  3x−1≥ln⁡2  ⟺  x≥1+ln⁡23e^{3x-1}\ge2\iff3x-1\ge\ln2\iff x\ge\dfrac{1+\ln2}3

✅ S=[1+ln⁡23 ;+∞[S=\left[\dfrac{1+\ln2}3\,;+\infty\right[

Question 2

e−x<13  ⟺  −x<ln⁡13=−ln⁡3  ⟺  x>ln⁡3e^{-x}<\dfrac13\iff-x<\ln\dfrac13=-\ln3\iff x>\ln3

✅ S=]ln⁡3 ;+∞[S=]\ln3\,;+\infty[


Exercice 8 (★★) : seuils avec ln⁡\ln

Déterminer le plus petit entier nn tel que :

1. 1,05n≥21{,}05^n\ge2

2. 500×1,04n≥1 000500\times1{,}04^n\ge1\,000

3. 2×0,8n<0,012\times0{,}8^n<0{,}01

✏️ Correction de l'exercice 8

Question 1

Les deux membres sont strictement positifs, et ln⁡\ln est strictement croissante :

1,05n≥2  ⟺  nln⁡1,05≥ln⁡21{,}05^n\ge2\iff n\ln1{,}05\ge\ln2

Comme 1,05>11{,}05>1, ln⁡1,05>0\ln1{,}05>0 :

n≥ln⁡2ln⁡1,05≈14,2n\ge\dfrac{\ln2}{\ln1{,}05}\approx14{,}2

✅ Le plus petit entier est n=15n=15.

Question 2

500×1,04n≥1 000  ⟺  1,04n≥2  ⟺  n≥ln⁡2ln⁡1,04≈17,67500\times1{,}04^n\ge1\,000\iff1{,}04^n\ge2\iff n\ge\dfrac{\ln2}{\ln1{,}04}\approx17{,}67

✅ Le plus petit entier est n=18n=18.

Question 3

2×0,8n<0,01  ⟺  0,8n<0,005  ⟺  nln⁡0,8<ln⁡0,0052\times0{,}8^n<0{,}01\iff0{,}8^n<0{,}005\iff n\ln0{,}8<\ln0{,}005

Comme 0,8<10{,}8<1, ln⁡0,8<0\ln0{,}8<0 : on divise en retournant l'inégalité.

n>ln⁡0,005ln⁡0,8≈23,74n>\dfrac{\ln0{,}005}{\ln0{,}8}\approx23{,}74

✅ Le plus petit entier est n=24n=24.


Exercice 9 (★★★) : démontrer les propriétés

On admet que ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\ln(ab)=\ln a+\ln b pour a,b>0a,b>0.

Démontrer que, pour a>0a>0 :

1. ln⁡1a=−ln⁡a\ln\dfrac1a=-\ln a

2. ln⁡(an)=nln⁡a\ln(a^n)=n\ln a pour tout n∈Nn\in\N (par récurrence)

3. ln⁡(a)=12ln⁡a\ln\left(\sqrt a\right)=\dfrac12\ln a

✏️ Correction de l'exercice 9

Question 1

On a a×1a=1a\times\dfrac1a=1, donc ln⁡(a×1a)=ln⁡1=0\ln\left(a\times\dfrac1a\right)=\ln1=0. Or ln⁡(a×1a)=ln⁡a+ln⁡1a\ln\left(a\times\dfrac1a\right)=\ln a+\ln\dfrac1a. Donc ln⁡a+ln⁡1a=0\ln a+\ln\dfrac1a=0.

✅ ln⁡1a=−ln⁡a\ln\dfrac1a=-\ln a

Question 2

Soit P(n)P(n) : « ln⁡(an)=nln⁡a\ln(a^n)=n\ln a ».

Initialisation.

ln⁡(a0)=ln⁡1=0=0×ln⁡a\ln(a^0)=\ln1=0=0\times\ln a : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité.

Soit k∈Nk\in\N fixé tel que ln⁡(ak)=kln⁡a\ln(a^k)=k\ln a. Alors :

ln⁡(ak+1)=ln⁡(ak×a)=ln⁡(ak)+ln⁡a=kln⁡a+ln⁡a=(k+1)ln⁡a\ln\left(a^{k+1}\right)=\ln\left(a^k\times a\right)=\ln\left(a^k\right)+\ln a=k\ln a+\ln a=(k+1)\ln a

P(k+1)P(k+1) est vraie.

Conclusion.

✅ ln⁡(an)=nln⁡a\ln(a^n)=n\ln a pour tout n∈Nn\in\N

Question 3

On a (a)2=a\left(\sqrt a\right)^2=a. D'après la question 2 avec n=2n=2 : ln⁡a=ln⁡((a)2)=2ln⁡a\ln a=\ln\left(\left(\sqrt a\right)^2\right)=2\ln\sqrt a.

✅ ln⁡a=12ln⁡a\ln\sqrt a=\dfrac12\ln a


Exercice 10 (★★) : vrai ou faux

Justifier chaque réponse :

1. Pour tous réels a,b>0a,b>0, ln⁡(a+b)=ln⁡a+ln⁡b\ln(a+b)=\ln a+\ln b.

2. Pour tout réel a≠0a\neq0, ln⁡(a2)=2ln⁡a\ln(a^2)=2\ln a.

3. ln⁡x<0  ⟺  0<x<1\ln x<0\iff0<x<1.

4. Pour x,y>0x,y>0, ln⁡xln⁡y=ln⁡xy\dfrac{\ln x}{\ln y}=\ln\dfrac xy (avec y≠1y\neq1).

5. Pour tout réel xx, eln⁡x=xe^{\ln x}=x.

6. Pour tout réel xx, ln⁡(ex)=x\ln(e^x)=x.

✏️ Correction de l'exercice 10

Affirmation 1

Contre-exemple : a=b=1a=b=1. ln⁡(1+1)=ln⁡2≠0=ln⁡1+ln⁡1\ln(1+1)=\ln2\neq0=\ln1+\ln1. C'est ln⁡(ab)\ln(ab) qui vaut ln⁡a+ln⁡b\ln a+\ln b.

❌ Faux.

Affirmation 2

Pour a<0a<0, ln⁡a\ln a n'existe pas. Pour a=−1a=-1, ln⁡(a2)=ln⁡1=0\ln(a^2)=\ln1=0, mais 2ln⁡(−1)2\ln(-1) n'a pas de sens. La bonne formule est ln⁡(a2)=2ln⁡∣a∣\ln(a^2)=2\ln|a|.

❌ Faux.

Affirmation 3

ln⁡\ln est strictement croissante avec ln⁡1=0\ln1=0. ln⁡x<0  ⟺  ln⁡x<ln⁡1  ⟺  x<1\ln x<0\iff\ln x<\ln1\iff x<1, et x>0x>0 pour que ln⁡x\ln x existe.

✅ Vrai.

Affirmation 4

Contre-exemple : x=e2x=e^2 et y=ey=e. ln⁡xln⁡y=21=2\dfrac{\ln x}{\ln y}=\dfrac21=2, alors que ln⁡xy=ln⁡e=1\ln\dfrac xy=\ln e=1. C'est ln⁡x−ln⁡y\ln x-\ln y qui vaut ln⁡xy\ln\dfrac xy.

❌ Faux.

Affirmation 5

eln⁡x=xe^{\ln x}=x n'a de sens que pour x>0x>0. Pour x≤0x\le0, ln⁡x\ln x n'existe pas.

❌ Faux.

Affirmation 6

Pour tout réel xx, ex>0e^x>0 et ln⁡\ln est la réciproque de l'exponentielle.

✅ Vrai.


🎯 Ce qui peut tomber au bac

  • Des équations et inéquations avec ln⁡\ln, avec leur ensemble de définition (exercices 3, 4, 5).
  • Des équations exponentielles avec changement de variable X=exX=e^x (exercice 6).
  • Des seuils de suites avec ln⁡\ln, en retournant l'inégalité si nécessaire (exercice 8).
  • Des démonstrations de propriétés et des vrai/faux (exercices 9 et 10).

QCM : vérifie tes acquis

10 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 10

Pour tous réels a>0a>0 et b>0b>0, ln⁡(ab)\ln(ab) vaut :

Question 2 sur 10

Que vaut ln⁡(e3)\ln\left(e^3\right) ?

Question 3 sur 10

Quelle est la solution de ln⁡x=2\ln x=2 ?

Question 4 sur 10

Quel est l'ensemble solution de ln⁡(2x−1)≥0\ln(2x-1)\ge0 ?

Question 5 sur 10

Quel est l'ensemble de définition de x↦ln⁡(3−x)x\mapsto\ln(3-x) ?

Question 6 sur 10

Dans l'exercice 1, avec a=ln⁡2a=\ln2 et b=ln⁡3b=\ln3, comment s'exprime ln⁡12\ln12 ?

Question 7 sur 10

Dans l'exercice 2, que vaut C=e2ln⁡3C=e^{2\ln3} ?

Question 8 sur 10

Dans l'exercice 3, quel est l'ensemble de définition de h(x)=ln⁡x+ln⁡(x−2)h(x)=\ln x+\ln(x-2) ?

Question 9 sur 10

Dans l'exercice 4, quelle est la solution de ln⁡x+ln⁡(x−1)=ln⁡6\ln x+\ln(x-1)=\ln6 ?

Question 10 sur 10

Dans l'exercice 8, quel est le plus petit entier nn tel que 1,05n≥21{,}05^n\ge2 ?

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

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