deux études de fonctions classiques (xlnx et xlnx) ;
l'inégalité lnx≤x−1 et ses conséquences ;
tangentes ;
nombre de solutions de lnx=mx ;
la limite célèbre de (1+n1)n.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :
domaine ;
dérivabilité justifiée ;
règle nommée à chaque limite ;
tableau complet ;
conclusion.
💡 Les réflexes à avoir en tête
Dérivée :(lnu)′=uu′ avec u>0 ; (xlnx)′=lnx+1.
Limites :xlnx→0 en +∞ ; xlnx→0 en 0+ ; xln(1+x)→1 en 0.
Inégalités :lnx≤x−1 et son jumeau lnx≥1−x1.
Études : domaine, limites, dérivée factorisée, tableau, puis convexité si demandé.
⚠️ Les pièges classiques
Écrire lnu sans avoir vérifié u>0.
Écrire « xlnx=0×(−∞)=0 » sans citer les croissances comparées.
Oublier que lnx→−∞ quand x→0+ (et non 0).
Conclure à un extremum sans le changement de signe de la dérivée.
😄 Le logarithme est lent : il monte, mais plus lentement que n'importe quelle puissance. C'est la tortue du programme, mais elle finit par arriver.
Exercice 1 (★) : dérivées avec ln
Dériver, en précisant l'ensemble de dérivabilité :
1.f(x)=ln(3x+2)
2.g(x)=ln(x2+1)
3.h(x)=xlnx−x
4.k(x)=xlnx
5.m(x)=ln(1+ex)
6.p(x)=lnx
7.q(x)=(lnx)2
✏️ Correction de l'exercice 1
Méthode
On utilise (lnu)′=uu′ pour u dérivable et strictement positive.
Question 1
Pour x>−32, 3x+2>0. f est dérivable sur ]−32;+∞[.
✅ f′(x)=3x+23
Question 2
Pour tout x∈R, x2+1>0 : g est dérivable sur R.
✅ g′(x)=x2+12x
Question 3
h est dérivable sur ]0;+∞[ comme somme et produit. h′(x)=lnx+x×x1−1=lnx+1−1.
✅ h′(x)=lnx
Question 4
k est dérivable sur ]0;+∞[ comme quotient dont le dénominateur ne s'annule pas. k′(x)=x2x1×x−lnx×1.
✅ k′(x)=x21−lnx
Question 5
Pour tout x, 1+ex>0 : m est dérivable sur R.
✅ m′(x)=1+exex
Question 6
La fonction p est définie et dérivable là où lnx>0, c'est-à-dire sur ]1;+∞[. Avec (u)′=2uu′ et u(x)=lnx :
✅ p′(x)=2lnxx1=2xlnx1
Question 7
Avec (u2)′=2u′u et u(x)=lnx, sur ]0;+∞[ :
✅ q′(x)=x2lnx
Exercice 2 (★★) : limites avec ln
Déterminer :
1.x→+∞lim(x−lnx)
2.x→+∞limxlnx
3.x→0+limx2lnx
4.x→1limx−1lnx
5.x→0limxln(1+x)
6.x→+∞limlnx−32x+1
7.x→+∞lim(ln(x+1)−lnx)
8.x→0+limxlnx
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
Forme « +∞−∞ ». Pour x>0 : x−lnx=x(1−xlnx). Par croissances comparées, xlnx→0, donc 1−xlnx→1. Par produit :
✅ lim=+∞
Question 2
Pour x>0 : xlnx=2xlnx. Comme X=x→+∞, par croissances comparées XlnX→0. Par composition et produit :
✅ lim=0
Question 3
Par croissances comparées (n=2) :
✅ x→0+limx2lnx=0
Question 4
C'est le nombre dérivé de ln en 1 : x−1lnx−ln1→ln′(1)=1.
✅ lim=1
Question 5
C'est le nombre dérivé de x↦ln(1+x) en 0 : xln(1+x)−ln1→1+01=1.
✅ lim=1
Question 6
Pour x>3 : x−32x+1=1−x32+x1→2. Comme ln est continue en 2, par composition :
✅ lim=ln2
Question 7
Pour x>0 : ln(x+1)−lnx=lnxx+1=ln(1+x1). Comme 1+x1→1 et ln est continue en 1 :
✅ lim=ln1=0
Question 8
Quand x→0+, lnx→−∞ et x1→+∞. Par produit :
✅ lim=−∞
Exercice 3 (★★) : l'étude de xlnx
Soit f(x)=xlnx sur ]0;+∞[. Déterminer les limites, les variations, le minimum, et étudier la convexité.
✏️ Correction de l'exercice 3
Limites
En 0+ : par croissances comparées :
✅ x→0+limf=0
En +∞ : x→+∞ et lnx→+∞, donc, par produit :
✅ x→+∞limf=+∞
Variations
f est dérivable sur ]0;+∞[ comme produit. f′(x)=lnx+x×x1.
✅ f′(x)=lnx+1
lnx+1>0⟺lnx>−1⟺x>e−1. Donc f′<0 sur ]0;e1[, f′(e1)=0, f′>0 sur ]e1;+∞[.
✅ f est strictement décroissante sur ]0;e1] (de 0 à f(e1)) et strictement croissante sur [e1;+∞[ (jusqu'à +∞).
Son minimum est f(e1)=e1lne1.
✅ Le minimum est −e1.
Convexité
f′′(x)=x1>0 sur ]0;+∞[.
✅ f est convexe.
Exercice 4 (★★) : l'étude de xlnx
Soit f(x)=xlnx sur ]0;+∞[. Déterminer les limites et les asymptotes, les variations, et étudier la convexité (point d'inflexion).
✏️ Correction de l'exercice 4
Limites
En 0+ : lnx→−∞ et x1→+∞, donc, par produit :
✅ x→0+limf=−∞
La droite x=0 est asymptote verticale.
En +∞ : par croissances comparées :
✅ x→+∞limf=0
La droite y=0 est asymptote horizontale.
Variations
f est dérivable sur ]0;+∞[ comme quotient. f′(x)=x21−lnx. Comme x2>0, f′(x) est du signe de 1−lnx, positif pour x<e.
✅ f est strictement croissante sur ]0;e] (de −∞ à f(e)=e1) et strictement décroissante sur [e;+∞[ (de e1 à 0).
Maximum : f(e)=e1.
Convexité
f′′(x)=x4−x1×x2−(1−lnx)×2x=x4−x−2x+2xlnx
✅ f′′(x)=x32lnx−3
Pour x>0, f′′(x) est du signe de 2lnx−3, positif pour x>e3/2.
✅ f est concave sur ]0;e3/2] et convexe sur [e3/2;+∞[.
✅ La courbe a un point d'inflexion en (e3/2;23e−3/2).
Exercice 5 (★★★) : l'inégalité lnx≤x−1
Soit f(x)=x−lnx sur ]0;+∞[. Étudier f et en déduire que, pour tout x>0, lnx≤x−1.
✏️ Correction de l'exercice 5
Limites
En 0+ : x→0 et −lnx→+∞.
✅ x→0+limf=+∞
En +∞ : f(x)=x(1−xlnx) et xlnx→0 (croissances comparées).
✅ x→+∞limf=+∞
Variations
f est dérivable sur ]0;+∞[ et f′(x)=1−x1=xx−1.
Comme x>0, f′(x) est du signe de x−1. f est strictement décroissante sur ]0;1] et strictement croissante sur [1;+∞[.
Elle admet un minimum en 1, égal à f(1)=1−ln1=1.
Conséquence
Pour tout x>0, f(x)≥1, soit x−lnx≥1.
✅ lnx≤x−1, avec égalité uniquement en x=1.
Exercice 6 (★★★) : nombre de solutions de lnx=mx
1. Discuter, selon le réel m, le nombre de solutions de l'équation lnx=mx sur ]0;+∞[.
2. Comparer eπ et πe.
✏️ Correction de l'exercice 6
Question 1
Pour x>0 : lnx=mx⟺xlnx=m. C'est f(x)=m avec f(x)=xlnx.
D'après l'exercice 4, f est continue, strictement croissante sur ]0;e] de −∞ à e1, et strictement décroissante sur [e;+∞[ de e1 à la limite 0 (non atteinte : f(x)>0 pour x>1).
• Si m>e1 : aucune solution (f≤e1).
• Si m=e1 : une unique solution, x=e.
• Si 0<m<e1 : d'après le corollaire du TVI, une unique solution dans ]0;e[ et une unique solution dans ]e;+∞[.
✅ Deux solutions.
• Si m≤0 : sur ]0;e], m est compris entre −∞ et e1, donc une unique solution (x=1 si m=0) ; sur [e;+∞[, f(x)>0≥m, donc aucune solution.
✅ Une seule solution.
Question 2
Comme e<π et que f est strictement décroissante sur [e;+∞[ : f(π)<f(e), c'est-à-dire πlnπ<e1.
En multipliant par eπ>0 : elnπ<π, soit ln(πe)<ln(eπ), puisque ln(eπ)=π.
Comme ln est strictement croissante :
✅ πe<eπ
Exercice 7 (★★) : tangentes à la courbe de ln
1. Déterminer les tangentes à la courbe de ln aux points d'abscisses 1 et e.
2. Déterminer la tangente à la courbe de ln qui passe par l'origine O.
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
ln est dérivable sur ]0;+∞[ et ln′(x)=x1.
En 1 : ln1=0 et ln′(1)=1, donc y=0+1(x−1).
✅ y=x−1
En e : lne=1 et ln′(e)=e1, donc y=1+e1(x−e).
✅ y=ex
Question 2
La tangente au point d'abscisse a>0 a pour équation :
y=lna+a1(x−a)
Elle passe par O si et seulement si 0=lna−1, soit lna=1, c'est-à-dire a=e.
✅ La seule tangente passant par l'origine est y=ex, la tangente en e.
Exercice 8 (★★★) : encadrer ln et la série harmonique
On admet que lnx≤x−1 pour tout x>0.
1. Montrer que lnx≥1−x1 pour tout x>0.
2. En déduire que, pour tout entier n≥1, n+11≤ln(1+n1)≤n1.
3. Calculer k=1∑nln(1+k1). En déduire que Hn=1+21+⋯+n1 tend vers +∞.
✏️ Correction de l'exercice 8
Question 1
Soit x>0. Alors x1>0, et l'inégalité admise appliquée à x1 donne lnx1≤x1−1. Or lnx1=−lnx. Donc −lnx≤x1−1.
✅ lnx≥1−x1
Question 2
Soit n≥1 et x=1+n1>0. L'inégalité admise donne ln(1+n1)≤n1. La question 1 donne :
ln(1+n1)≥1−1+n11=1−n+1n=n+11
✅ n+11≤ln(1+n1)≤n1
Question 3
Pour k≥1 : ln(1+k1)=lnkk+1=ln(k+1)−lnk. En sommant de k=1 à n, les termes se simplifient (télescopage) :
✅ k=1∑nln(1+k1)=ln(n+1)−ln1=ln(n+1)
D'après la question 2, k1≥ln(1+k1) pour tout k. En sommant : Hn≥ln(n+1). Comme limln(n+1)=+∞, d'après le théorème de comparaison :
✅ limHn=+∞
Donc la série harmonique diverge.
Exercice 9 (★★★) : la limite de (1+n1)n
1. Montrer que (1+n1)n=enln(1+n1), puis que nln(1+n1) tend vers 1.
2. En déduire lim(1+n1)n.
3. Déterminer de même lim(1+n2)n et lim(1−n1)n.
✏️ Correction de l'exercice 9
Question 1
Pour n≥1 :
(1+n1)n=eln((1+n1)n)=enln(1+n1)
Avec h=n1→0 : nln(1+n1)=hln(1+h). Comme h→0limhln(1+h)=1 :
✅ nln(1+n1)→1
Autre méthode : l'exercice 8 donne n+1n≤nln(1+n1)≤1. Comme n+1n→1, les gendarmes concluent.
Question 2
L'exponentielle est continue en 1. Par composition :
✅ lim(1+n1)n=e1=e
Question 3
(1+n2)n=enln(1+n2). nln(1+n2)=2×hln(1+h) avec h=n2→0, donc nln(1+n2)→2. Par composition :
✅ lim(1+n2)n=e2
De même (1−n1)n=enln(1−n1). nln(1−n1)=−hln(1+h) avec h=−n1→0, donc nln(1−n1)→−1.
✅ lim(1−n1)n=e−1
🎯 Ce qui peut tomber au bac
Des dérivées avec ln et le signe qui en découle (exercice 1).
Des limites avec ln et croissances comparées (exercice 2).
Les études classiques de xlnx, xlnx et x−lnx (exercices 3, 4, 5).
Un nombre de solutions avec le corollaire du TVI (exercice 6).
Un encadrement de ln et des suites (exercices 8 et 9).
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
Quelle est la dérivée de ln(x2+1) ?
(lnu)′=uu′ avec u=x2+1 et u′=2x.
Question 2 sur 10
Quelle est la limite de lnx quand x→+∞ ?
Le logarithme tend vers +∞, mais très lentement.
Question 3 sur 10
Quelle est la limite de lnx quand x→0+ ?
La courbe de ln admet l'axe des ordonnées comme asymptote verticale.
Question 4 sur 10
Quelle est la limite de xlnx quand x→+∞ ?
Par croissances comparées, x l'emporte sur lnx.
Question 5 sur 10
Quelle est la limite de xlnx quand x→0+ ?
Par croissances comparées, xlnx→0 en 0+ (une forme indéterminée 0×(−∞) levée).
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 1, quelle est la dérivée de k(x)=xlnx ?
Quotient : (vu)′=v2u′v−uv′ avec u=lnx, v=x : x2x1×x−lnx×1=x21−lnx.
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 2, quelle est la limite de x2lnx quand x→0+ ?
Par croissances comparées, xnlnx→0 en 0+ (la puissance de x l'emporte sur le logarithme).
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 3, avec f(x)=xlnx, quel est son minimum sur ]0;+∞[ ?
f′(x)=lnx+1 s'annule en e1 : f(e1)=e1lne1=−e1.
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 7, quelle est la seule tangente à la courbe de ln qui passe par l'origine O ?
En cherchant a tel que la tangente en a passe par O, on trouve a=e.
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 9, quelle est la limite de (1+n1)n quand n→+∞ ?
(1+n1)n=enln(1+1/n) et nln(1+n1)→1, donc la limite est e1=e.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.