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Terminale Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction logarithme

Fiche 3 : études de fonctions avec ln

Huit exercices pour traiter toutes les études de fonctions avec ln⁡\ln que l'on rencontre au bac :

  • carré du logarithme ;
  • fonction avec ln⁡\ln en facteur ;
  • logarithme d'une expression paire ou impaire ;
  • quotient ;
  • fonctions avec puissances de xx ;
  • une application de la concavité de ln⁡\ln.

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

  • domaine ;
  • limites justifiées ;
  • dérivée factorisée ;
  • signe justifié ;
  • tableau complet ;
  • convexité et points d'inflexion avec leurs deux coordonnées.

💡 Le plan d'une étude avec ln⁡\ln

  1. Domaine de définition (chaque expression dans ln⁡\ln est strictement positive).
  2. Limites aux bornes : croissances comparées, ln⁡x→−∞\ln x\to-\infty en 0+0^+.
  3. Dérivée avec (ln⁡u)′=u′u(\ln u)'=\dfrac{u'}u, factorisée ; signe justifié (x>0x>0, x2>0x^2>0, ln⁡x\ln x du signe de x−1x-1…).
  4. Tableau de variations avec limites et valeurs (souvent en 11, en ee, en 1e\dfrac1e).
  5. Convexité, tangentes, équation selon les questions.

⚠️ Les pièges classiques

  • Oublier le domaine (]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ n'est pas toujours celui de la fonction).
  • Calculer une limite en 0+0^+ avec un ln⁡\ln sans citer les croissances comparées.
  • Confondre le signe de ln⁡x\ln x (négatif avant 11, positif après) avec celui de x−1x-1 (même signe, mais ce ne sont pas les mêmes fonctions).
  • Un tableau sans limites.

😄 Avec ln⁡\ln, le nombre 11 est le point de bascule : avant lui, tout est négatif ; après, tout est positif. Il ne faut pas le rater.


Exercice 1 (★★) : le carré du logarithme

Soit f(x)=(ln⁡x)2f(x)=(\ln x)^2 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Étudier ff : limites, variations, convexité et point d'inflexion.

✏️ Correction de l'exercice 1

Limites

En 0+0^+ : ln⁡x→−∞\ln x\to-\infty, donc (ln⁡x)2→+∞(\ln x)^2\to+\infty. En +∞+\infty : ln⁡x→+∞\ln x\to+\infty, donc (ln⁡x)2→+∞(\ln x)^2\to+\infty.

✅ lim⁡f=+∞\lim f=+\infty aux deux bornes (par composition avec la fonction carré).

Variations

ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et f′(x)=2ln⁡xxf'(x)=\dfrac{2\ln x}x. Comme x>0x>0, f′(x)f'(x) est du signe de ln⁡x\ln x : négatif sur ]0 ;1[]0\,;1[, positif sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

✅ ff est strictement décroissante sur ]0 ;1]]0\,;1] (de +∞+\infty à f(1)=0f(1)=0) et strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Minimum : f(1)=0f(1)=0.

Convexité

f′′(x)=2[1x×x−ln⁡x×1]x2f''(x)=\dfrac{2\left[\frac1x\times x-\ln x\times1\right]}{x^2}

✅ f′′(x)=2(1−ln⁡x)x2f''(x)=\dfrac{2(1-\ln x)}{x^2}

Du signe de 1−ln⁡x1-\ln x : positif pour x<ex<e.

✅ ff est convexe sur ]0 ;e]]0\,;e] et concave sur [e ;+∞[[e\,;+\infty[.

✅ Point d'inflexion : (e ;f(e))=(e ;1)(e\,;f(e))=(e\,;1)


Exercice 2 (★★) : la fonction x(ln⁡x−1)x(\ln x-1)

Soit f(x)=x(ln⁡x−1)f(x)=x(\ln x-1) sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Étudier ff : limites, variations, minimum, zéros, convexité.

✏️ Correction de l'exercice 2

Limites

En 0+0^+ : f(x)=xln⁡x−xf(x)=x\ln x-x. Par croissances comparées, xln⁡x→0x\ln x\to0, et x→0x\to0.

✅ lim⁡x→0+f=0\displaystyle\lim_{x\to0^+}f=0

En +∞+\infty : ln⁡x−1→+∞\ln x-1\to+\infty et x→+∞x\to+\infty, donc, par produit :

✅ lim⁡x→+∞f=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f=+\infty

Variations

ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et f′(x)=(ln⁡x−1)+x×1xf'(x)=(\ln x-1)+x\times\dfrac1x.

✅ f′(x)=ln⁡xf'(x)=\ln x

Donc f′<0f'<0 sur ]0 ;1[]0\,;1[ et f′>0f'>0 sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

✅ ff est strictement décroissante sur ]0 ;1]]0\,;1] (de 00 à f(1)=−1f(1)=-1) et strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Minimum : f(1)=−1f(1)=-1.

Zéros

f(x)=0  ⟺  x(ln⁡x−1)=0  ⟺  ln⁡x=1f(x)=0\iff x(\ln x-1)=0\iff\ln x=1 (car x>0x>0)   ⟺  x=e\iff x=e.

✅ La courbe coupe l'axe des abscisses uniquement en ee.

Et f(x)<0f(x)<0 sur ]0 ;e[]0\,;e[, f(x)>0f(x)>0 sur ]e ;+∞[]e\,;+\infty[.

Convexité

f′′(x)=1x>0f''(x)=\dfrac1x>0.

✅ ff est convexe sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.


Exercice 3 (★★★) : ln⁡(x2+1)\ln\left(x^2+1\right)

Soit f(x)=ln⁡(x2+1)f(x)=\ln\left(x^2+1\right) sur R\R. Montrer que ff est paire, étudier ses variations, sa convexité, ses points d'inflexion, puis montrer que f(x)≤x2f(x)\le x^2.

✏️ Correction de l'exercice 3

Domaine et parité

Pour tout x∈Rx\in\R, x2+1>0x^2+1>0 : ff est définie sur R\R. Pour tout xx, f(−x)=ln⁡((−x)2+1)=ln⁡(x2+1)=f(x)f(-x)=\ln\left((-x)^2+1\right)=\ln\left(x^2+1\right)=f(x).

✅ ff est paire, sa courbe est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées.

Limites

Quand x→±∞x\to\pm\infty, x2+1→+∞x^2+1\to+\infty et ln⁡\ln est de limite +∞+\infty en +∞+\infty. Par composition :

✅ lim⁡f=+∞\lim f=+\infty en +∞+\infty et en −∞-\infty

Variations

ff est dérivable sur R\R et f′(x)=2xx2+1f'(x)=\dfrac{2x}{x^2+1}. Comme x2+1>0x^2+1>0, f′(x)f'(x) est du signe de xx.

✅ ff est strictement décroissante sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et strictement croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, avec un minimum f(0)=ln⁡1=0f(0)=\ln1=0.

Convexité

f′′(x)=2(x2+1)−2x×2x(x2+1)2f''(x)=\dfrac{2\left(x^2+1\right)-2x\times2x}{\left(x^2+1\right)^2}

✅ f′′(x)=2(1−x2)(x2+1)2f''(x)=\dfrac{2\left(1-x^2\right)}{\left(x^2+1\right)^2}, du signe de 1−x21-x^2.

✅ ff est convexe sur [−1 ;1][-1\,;1] et concave sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1] et sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

✅ La courbe a deux points d'inflexion : (−1 ;ln⁡2)(-1\,;\ln2) et (1 ;ln⁡2)(1\,;\ln2).

Inégalité

On sait que ln⁡u≤u−1\ln u\le u-1 pour u>0u>0. Avec u=x2+1>0u=x^2+1>0 : ln⁡(x2+1)≤x2\ln\left(x^2+1\right)\le x^2.

✅ Donc f(x)≤x2f(x)\le x^2 pour tout x∈Rx\in\R.


Exercice 4 (★★★) : ln⁡1+x1−x\ln\dfrac{1+x}{1-x}

Soit f(x)=ln⁡1+x1−xf(x)=\ln\dfrac{1+x}{1-x}.

1. Déterminer l'ensemble de définition DD et montrer que ff est impaire.

2. Déterminer les limites aux bornes de DD et les asymptotes.

3. Étudier les variations, la convexité, et le point d'inflexion. Déterminer la tangente en ce point.

4. Résoudre f(x)=kf(x)=k pour tout réel kk.

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

f(x)f(x) existe si et seulement si 1+x1−x>0\dfrac{1+x}{1-x}>0. Par un tableau de signes, cela équivaut à −1<x<1-1<x<1.

✅ D=]−1 ;1[D=]-1\,;1[, symétrique par rapport à 00.

Pour tout x∈Dx\in D :

f(−x)=ln⁡1−x1+x=ln⁡(1+x1−x)−1=−f(x)f(-x)=\ln\frac{1-x}{1+x}=\ln\left(\frac{1+x}{1-x}\right)^{-1}=-f(x)

✅ ff est impaire.

Question 2

En 1−1^- : 1+x→21+x\to2 et 1−x→0+1-x\to0^+, donc 1+x1−x→+∞\dfrac{1+x}{1-x}\to+\infty. Par composition :

✅ lim⁡x→1−f=+∞\displaystyle\lim_{x\to1^-}f=+\infty

En −1+-1^+ : 1+x→0+1+x\to0^+ et 1−x→21-x\to2, donc le quotient tend vers 0+0^+.

✅ lim⁡x→−1+f=−∞\displaystyle\lim_{x\to-1^+}f=-\infty

✅ Les droites x=1x=1 et x=−1x=-1 sont asymptotes verticales.

Question 3

Pour x∈Dx\in D, f(x)=ln⁡(1+x)−ln⁡(1−x)f(x)=\ln(1+x)-\ln(1-x), dérivable, et :

f′(x)=11+x+11−x=21−x2>0f'(x)=\frac1{1+x}+\frac1{1-x}=\frac2{1-x^2}>0

car 1−x2>01-x^2>0 sur DD.

✅ ff est strictement croissante sur DD, de −∞-\infty à +∞+\infty.

Puis f′′(x)=4x(1−x2)2f''(x)=\dfrac{4x}{\left(1-x^2\right)^2}, du signe de xx.

✅ ff est concave sur ]−1 ;0]]-1\,;0] et convexe sur [0 ;1[[0\,;1[.

✅ Le point d'inflexion est O(0 ;0)O(0\,;0) (également centre de symétrie, ff étant impaire).

Comme f′(0)=2f'(0)=2 :

✅ la tangente en OO a pour équation y=2xy=2x.

Question 4

ff est continue et strictement croissante sur ]−1 ;1[]-1\,;1[, de −∞-\infty à +∞+\infty. D'après le corollaire du TVI, l'équation f(x)=kf(x)=k admet une unique solution pour tout kk.

Explicitement :

1+x1−x=ek  ⟺  1+x=ek(1−x)  ⟺  x(1+ek)=ek−1\dfrac{1+x}{1-x}=e^k\iff1+x=e^k(1-x)\iff x\left(1+e^k\right)=e^k-1

✅ La solution est x=ek−1ek+1x=\dfrac{e^k-1}{e^k+1}.


Exercice 5 (★★★) : la fonction 1+ln⁡xx\dfrac{1+\ln x}x

Soit f(x)=1+ln⁡xxf(x)=\dfrac{1+\ln x}x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Étudier ff : limites, asymptotes, variations, signe, et tangente au point d'abscisse 1e\dfrac1e.

✏️ Correction de l'exercice 5

Limites

En 0+0^+ : 1+ln⁡x→−∞1+\ln x\to-\infty et 1x→+∞\dfrac1x\to+\infty, donc, par produit :

✅ lim⁡x→0+f=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}f=-\infty (asymptote verticale x=0x=0)

En +∞+\infty : f(x)=1x+ln⁡xxf(x)=\dfrac1x+\dfrac{\ln x}x, avec 1x→0\dfrac1x\to0 et ln⁡xx→0\dfrac{\ln x}x\to0 (croissances comparées).

✅ lim⁡x→+∞f=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f=0 (asymptote horizontale y=0y=0)

Variations

ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ comme quotient. f′(x)=1x×x−(1+ln⁡x)x2f'(x)=\dfrac{\frac1x\times x-(1+\ln x)}{x^2}.

✅ f′(x)=−ln⁡xx2f'(x)=\dfrac{-\ln x}{x^2}

Du signe de −ln⁡x-\ln x : positif sur ]0 ;1[]0\,;1[, négatif sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

✅ ff est strictement croissante sur ]0 ;1]]0\,;1] (de −∞-\infty à f(1)=1f(1)=1) et strictement décroissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ (de 11 à 00).

Maximum : f(1)=1f(1)=1.

Signe

f(x)=0  ⟺  1+ln⁡x=0  ⟺  x=1ef(x)=0\iff1+\ln x=0\iff x=\dfrac1e.

✅ f(x)<0f(x)<0 sur ]0 ;1e[\left]0\,;\dfrac1e\right[ et f(x)>0f(x)>0 sur ]1e ;+∞[\left]\dfrac1e\,;+\infty\right[.

Tangente en 1e\dfrac1e

f(1e)=0f\left(\dfrac1e\right)=0 et f′(1e)=−ln⁡1e(1e)2=11e2=e2f'\left(\dfrac1e\right)=\dfrac{-\ln\frac1e}{\left(\frac1e\right)^2}=\dfrac1{\frac1{e^2}}=e^2. La tangente a pour équation y=e2(x−1e)y=e^2\left(x-\dfrac1e\right).

✅ y=e2x−ey=e^2x-e


Exercice 6 (★★) : x2−2ln⁡xx^2-2\ln x

Soit f(x)=x2−2ln⁡xf(x)=x^2-2\ln x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Étudier ff et en déduire que x2>2ln⁡xx^2>2\ln x pour tout x>0x>0.

✏️ Correction de l'exercice 6

Limites

En 0+0^+ : x2→0x^2\to0 et −2ln⁡x→+∞-2\ln x\to+\infty.

✅ lim⁡x→0+f=+∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}f=+\infty

En +∞+\infty : f(x)=x2(1−2ln⁡xx2)f(x)=x^2\left(1-\dfrac{2\ln x}{x^2}\right). Avec ln⁡xx2=ln⁡xx×1x→0\dfrac{\ln x}{x^2}=\dfrac{\ln x}x\times\dfrac1x\to0, donc 1−2ln⁡xx2→11-\dfrac{2\ln x}{x^2}\to1. Par produit :

✅ lim⁡x→+∞f=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f=+\infty

Variations

ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et f′(x)=2x−2x=2(x2−1)x=2(x−1)(x+1)xf'(x)=2x-\dfrac2x=\dfrac{2\left(x^2-1\right)}x=\dfrac{2(x-1)(x+1)}x. Pour x>0x>0, x+1>0x+1>0 et x>0x>0, donc f′(x)f'(x) est du signe de x−1x-1.

✅ ff est strictement décroissante sur ]0 ;1]]0\,;1] et strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Minimum : f(1)=1−0=1f(1)=1-0=1.

Conséquence

Pour tout x>0x>0, f(x)≥1>0f(x)\ge1>0.

✅ x2−2ln⁡x>0x^2-2\ln x>0, c'est-à-dire x2>2ln⁡xx^2>2\ln x.


Exercice 7 (★★★) : la fonction x2ln⁡xx^2\ln x

Soit f(x)=x2ln⁡xf(x)=x^2\ln x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Étudier ff : limites, variations, minimum, convexité et point d'inflexion.

✏️ Correction de l'exercice 7

Limites

En 0+0^+ : par croissances comparées (n=2n=2) :

✅ lim⁡x→0+f=0\displaystyle\lim_{x\to0^+}f=0

En +∞+\infty : x2→+∞x^2\to+\infty et ln⁡x→+∞\ln x\to+\infty, donc, par produit :

✅ lim⁡x→+∞f=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f=+\infty

Variations

ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ comme produit. f′(x)=2xln⁡x+x2×1x=2xln⁡x+xf'(x)=2x\ln x+x^2\times\dfrac1x=2x\ln x+x.

✅ f′(x)=x(2ln⁡x+1)f'(x)=x(2\ln x+1)

Comme x>0x>0, f′(x)f'(x) est du signe de 2ln⁡x+12\ln x+1. Il est positif si ln⁡x>−12\ln x>-\dfrac12, soit x>e−1/2x>e^{-1/2}.

✅ ff est strictement décroissante sur ]0 ;e−1/2]\left]0\,;e^{-1/2}\right] et strictement croissante sur [e−1/2 ;+∞[\left[e^{-1/2}\,;+\infty\right[.

Minimum : f(e−1/2)=e−1×(−12)f\left(e^{-1/2}\right)=e^{-1}\times\left(-\dfrac12\right).

✅ Le minimum est −12e-\dfrac1{2e}.

Convexité

f′′(x)=2ln⁡x+2+1f''(x)=2\ln x+2+1

✅ f′′(x)=2ln⁡x+3f''(x)=2\ln x+3

Positif si ln⁡x>−32\ln x>-\dfrac32, soit x>e−3/2x>e^{-3/2}.

✅ ff est concave sur ]0 ;e−3/2]\left]0\,;e^{-3/2}\right] et convexe sur [e−3/2 ;+∞[\left[e^{-3/2}\,;+\infty\right[.

✅ Point d'inflexion : (e−3/2 ;−32e3)\left(e^{-3/2}\,;-\dfrac3{2e^3}\right)


Exercice 8 (★★★) : la concavité de ln⁡\ln et l'inégalité arithmético-géométrique

1. Montrer que ln⁡\ln est concave sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

2. En déduire que, pour tous a,b>0a,b>0, ln⁡a+ln⁡b2≤ln⁡a+b2\dfrac{\ln a+\ln b}2\le\ln\dfrac{a+b}2.

3. En déduire que ab≤a+b2\sqrt{ab}\le\dfrac{a+b}2.

✏️ Correction de l'exercice 8

Question 1

ln⁡\ln est deux fois dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. ln⁡′(x)=1x\ln'(x)=\dfrac1x et ln⁡′′(x)=−1x2<0\ln''(x)=-\dfrac1{x^2}<0.

✅ Donc ln⁡\ln est concave.

Question 2

Pour une fonction concave, la courbe est au-dessus de ses cordes. L'image du milieu de [a ;b][a\,;b] est supérieure ou égale à la moyenne des images.

✅ ln⁡a+b2≥ln⁡a+ln⁡b2\ln\dfrac{a+b}2\ge\dfrac{\ln a+\ln b}2

Question 3

On a ln⁡a+ln⁡b2=12ln⁡(ab)=ln⁡ab\dfrac{\ln a+\ln b}2=\dfrac12\ln(ab)=\ln\sqrt{ab}. Donc ln⁡ab≤ln⁡a+b2\ln\sqrt{ab}\le\ln\dfrac{a+b}2. Comme ln⁡\ln est strictement croissante :

✅ ab≤a+b2\sqrt{ab}\le\dfrac{a+b}2


🎯 Ce qui peut tomber au bac

  • Des études complètes avec ln⁡\ln et puissances de xx (exercices 1, 2, 5, 6, 7).
  • Une fonction paire ou impaire avec ln⁡\ln d'une expression (exercices 3 et 4).
  • Un minimum qui donne une inégalité (exercices 3 et 6).
  • Une équation f(x)=kf(x)=k résolue par le corollaire du TVI, et explicitement (exercice 4).
  • Une application de la concavité (exercice 8).

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

Sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, la fonction f(x)=x−ln⁡xf(x)=x-\ln x admet un minimum égal à :

Question 2 sur 10

La fonction f(x)=ln⁡xxf(x)=\dfrac{\ln x}x admet un maximum en :

Question 3 sur 10

L'inégalité ln⁡x≤x−1\ln x\le x-1 (pour x>0x>0) vient de :

Question 4 sur 10

La fonction logarithme népérien est :

Question 5 sur 10

Quelle est la dérivée seconde de ln⁡x\ln x ?

Question 6 sur 10

Dans l'exercice 1, avec f(x)=(ln⁡x)2f(x)=(\ln x)^2, quel est le point d'inflexion de sa courbe ?

Question 7 sur 10

Dans l'exercice 2, avec f(x)=x(ln⁡x−1)f(x)=x(\ln x-1), en quel point la courbe coupe-t-elle l'axe des abscisses ?

Question 8 sur 10

Dans l'exercice 3, avec f(x)=ln⁡(x2+1)f(x)=\ln(x^2+1), quelle inégalité prouve-t-on pour tout réel xx ?

Question 9 sur 10

Dans l'exercice 4, avec f(x)=ln⁡1+x1−xf(x)=\ln\dfrac{1+x}{1-x}, quel est le point d'inflexion de sa courbe ?

Question 10 sur 10

Dans l'exercice 8, la concavité de ln⁡\ln permet de démontrer l'inégalité :

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

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