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Terminale Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction logarithme

Fonction logarithme : exercices type bac

Trois exercices complets, dans le style de l'épreuve du bac :

  • une étude de fonction avec fonction auxiliaire et asymptote ;
  • un problème de modélisation avec exponentielle et logarithme ;
  • une étude avec un carré de logarithme et un point d'inflexion.

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

  • ensemble de définition ;
  • dérivabilité justifiée ;
  • règle nommée à chaque limite ;
  • signe justifié ;
  • tableau complet ;
  • conclusion en contexte.

Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 30 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.

💡 Comment t'entraîner efficacement

  • Chronomètre-toi et rédige tout, comme le jour du bac.
  • Pour chaque équation avec ln⁡\ln ou exp⁡\exp, écris l'ensemble de définition, les équivalences et la vérification.
  • Si tu bloques sur une question, écris « on admet que… » 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 : une fonction auxiliaire et une asymptote

Partie A.

Soit gg la fonction définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par g(x)=x2−1+ln⁡xg(x)=x^2-1+\ln x.

1. Étudier les variations de gg. Calculer g(1)g(1).

2. En déduire le signe de g(x)g(x) suivant les valeurs de xx.

Partie B.

Soit ff la fonction définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par f(x)=x−ln⁡xxf(x)=x-\dfrac{\ln x}x. On note C\mathcal C sa courbe représentative.

3. Déterminer les limites de ff en 0+0^+ et en +∞+\infty.

4. Montrer que, pour tout x>0x>0, f′(x)=g(x)x2f'(x)=\dfrac{g(x)}{x^2}. Dresser le tableau de variations de ff.

5. Montrer que la droite DD d'équation y=xy=x est asymptote à C\mathcal C en +∞+\infty. Étudier la position relative de C\mathcal C et de DD.

6. Montrer que l'équation f(x)=2f(x)=2 admet exactement deux solutions α\alpha et β\beta, avec α<β\alpha<\beta, et encadrer chacune par deux entiers consécutifs ou décimaux.

✏️ Correction de la question 1

La fonction gg est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ comme somme de fonctions dérivables. Pour tout x>0x>0 : g′(x)=2x+1x>0g'(x)=2x+\dfrac1x>0.

✅ Donc gg est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

De plus g(1)=1−1+ln⁡1g(1)=1-1+\ln1.

✅ g(1)=0g(1)=0

✏️ Correction de la question 2

Comme gg est strictement croissante et g(1)=0g(1)=0 : pour 0<x<10<x<1, g(x)<g(1)=0g(x)<g(1)=0 ; pour x>1x>1, g(x)>g(1)=0g(x)>g(1)=0.

✅ Donc g(x)<0g(x)<0 sur ]0 ;1[]0\,;1[, g(1)=0g(1)=0 et g(x)>0g(x)>0 sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

✏️ Correction de la question 3

En 0+0^+

x→0x\to0, et ln⁡xx\dfrac{\ln x}x est le produit de ln⁡x→−∞\ln x\to-\infty par 1x→+∞\dfrac1x\to+\infty : ln⁡xx→−∞\dfrac{\ln x}x\to-\infty. Donc −ln⁡xx→+∞-\dfrac{\ln x}x\to+\infty et, par somme :

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

En +∞+\infty

Par croissances comparées, ln⁡xx→0\dfrac{\ln x}x\to0. Comme x→+∞x\to+\infty, par somme :

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

✏️ Correction de la question 4

La fonction ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ comme différence de xx et du quotient ln⁡xx\dfrac{\ln x}x. Pour tout x>0x>0 :

f′(x)=1−1x×x−ln⁡x×1x2=1−1−ln⁡xx2=x2−1+ln⁡xx2f'(x)=1-\frac{\frac1x\times x-\ln x\times1}{x^2}=1-\frac{1-\ln x}{x^2}=\frac{x^2-1+\ln x}{x^2}

✅ Donc f′(x)=g(x)x2f'(x)=\dfrac{g(x)}{x^2}.

Comme x2>0x^2>0, f′(x)f'(x) est du signe de g(x)g(x). D'après la question 2 : f′<0f'<0 sur ]0 ;1[]0\,;1[, f′(1)=0f'(1)=0 et f′>0f'>0 sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

Tableau de variations. ff est strictement décroissante sur ]0 ;1]]0\,;1], de la limite +∞+\infty à f(1)=1−0=1f(1)=1-0=1. Puis strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, de 11 à la limite +∞+\infty.

✅ Le minimum de ff est f(1)=1f(1)=1.

✏️ Correction de la question 5

Pour tout x>0x>0, f(x)−x=−ln⁡xxf(x)-x=-\dfrac{\ln x}x. Par croissances comparées, lim⁡x→+∞(f(x)−x)=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}(f(x)-x)=0.

✅ Donc la droite DD d'équation y=xy=x est asymptote à C\mathcal C en +∞+\infty.

Position relative

Pour x>0x>0, le signe de f(x)−x=−ln⁡xxf(x)-x=-\dfrac{\ln x}x est celui de −ln⁡x-\ln x : positif pour 0<x<10<x<1 (ln⁡x<0\ln x<0), nul pour x=1x=1, négatif pour x>1x>1.

✅ Donc C\mathcal C est au-dessus de DD sur ]0 ;1[]0\,;1[, en dessous sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[, et elles se coupent au point (1 ;1)(1\,;1).

✏️ Correction de la question 6

Sur ]0 ;1]]0\,;1]

ff est continue et strictement décroissante, de +∞+\infty à f(1)=1f(1)=1.

Le nombre 22 est compris entre 11 et +∞+\infty (strictement).

D'après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires, l'équation f(x)=2f(x)=2 admet une unique solution α\alpha dans ]0 ;1[]0\,;1[.

Sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[

ff est continue et strictement croissante, de 11 à +∞+\infty.

Le nombre 22 est compris entre 11 et +∞+\infty.

D'après le corollaire, l'équation f(x)=2f(x)=2 admet une unique solution β\beta dans ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

Les deux intervalles sont disjoints et f(1)=1≠2f(1)=1\neq2.

✅ L'équation f(x)=2f(x)=2 admet exactement deux solutions α<β\alpha<\beta.

Encadrements

f(0,4)≈2,69>2>f(0,5)≈1,89f(0{,}4)\approx2{,}69>2>f(0{,}5)\approx1{,}89 et ff est décroissante sur ]0 ;1[]0\,;1[.

✅ 0,4<α<0,50{,}4<\alpha<0{,}5

f(2)≈1,65<2<f(3)≈2,63f(2)\approx1{,}65<2<f(3)\approx2{,}63 et ff est croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

✅ 2<β<32<\beta<3

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1

• Partie A : g′>0g'>0 justifiée, g(1)=0g(1)=0 calculé, signe de gg déduit de la stricte croissance.

• Q3 : les deux limites sont justifiées (produit avec ln⁡x→−∞\ln x\to-\infty ; croissances comparées).

• Q4 : dérivée d'un quotient, calcul complet jusqu'à g(x)x2\dfrac{g(x)}{x^2}, tableau avec limites et minimum.

• Q5 : la limite de f(x)−xf(x)-x est écrite, l'asymptote est conclue, la position relative est justifiée par le signe de −ln⁡x-\ln x.

• Q6 : le corollaire est appliqué sur deux intervalles, avec kk strictement compris entre les valeurs, puis les encadrements sont justifiés par deux valeurs de ff.


Exercice 2 : un problème de modélisation avec exponentielle et logarithme

Une population de bactéries évolue selon le modèle N(t)=500 e0,3tN(t)=500\,e^{0{,}3t}. Ici t≥0t\ge0 est le temps écoulé en heures et N(t)N(t) le nombre de bactéries.

1. Quel est le nombre initial de bactéries ? Déterminer le sens de variation de NN.

2. À quel instant la population atteint-elle 10 00010\,000 bactéries ?

3. Montrer que la durée TT nécessaire pour que la population double ne dépend pas de l'instant de départ, et la calculer.

4. Montrer que N′(t)=0,3 N(t)N'(t)=0{,}3\,N(t). Calculer la vitesse de croissance à l'instant t=10t=10.

5. Écrire une fonction Python qui renvoie le nombre entier d'heures à partir duquel la population dépasse un million de bactéries, puis donner la valeur renvoyée.

✏️ Correction de la question 1

Le nombre initial est N(0)=500 e0N(0)=500\,e^0.

✅ N(0)=500N(0)=500

La fonction NN est dérivable sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ et N′(t)=500×0,3 e0,3t=150 e0,3t>0N'(t)=500\times0{,}3\,e^{0{,}3t}=150\,e^{0{,}3t}>0.

✅ Donc NN est strictement croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

✏️ Correction de la question 2

Pour t≥0t\ge0 :

N(t)=10 000  ⟺  500 e0,3t=10 000  ⟺  e0,3t=20  ⟺  0,3 t=ln⁡20  ⟺  t=ln⁡200,3N(t)=10\,000\iff500\,e^{0{,}3t}=10\,000\iff e^{0{,}3t}=20\iff0{,}3\,t=\ln20\iff t=\dfrac{\ln20}{0{,}3}

Comme ln⁡200,3≈9,99>0\dfrac{\ln20}{0{,}3}\approx9{,}99>0, la solution est bien dans [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

✅ La population atteint 10 00010\,000 bactéries au bout d'environ 9,999{,}99 heures (soit environ 1010 heures).

✏️ Correction de la question 3

Pour tout t≥0t\ge0 et tout T>0T>0 :

N(t+T)=500 e0,3(t+T)=500 e0,3t×e0,3T=N(t)×e0,3TN(t+T)=500\,e^{0{,}3(t+T)}=500\,e^{0{,}3t}\times e^{0{,}3T}=N(t)\times e^{0{,}3T}

Donc N(t+T)=2N(t)  ⟺  e0,3T=2N(t+T)=2N(t)\iff e^{0{,}3T}=2 (car N(t)>0N(t)>0)   ⟺  0,3 T=ln⁡2  ⟺  T=ln⁡20,3\iff0{,}3\,T=\ln2\iff T=\dfrac{\ln2}{0{,}3}.

Cette valeur ne dépend pas de tt.

✅ Le temps de doublement est T=ln⁡20,3≈2,31T=\dfrac{\ln2}{0{,}3}\approx2{,}31 heures, quel que soit l'instant de départ.

✏️ Correction de la question 4

D'après la question 1 : N′(t)=500×0,3 e0,3t=0,3×(500 e0,3t)N'(t)=500\times0{,}3\,e^{0{,}3t}=0{,}3\times\left(500\,e^{0{,}3t}\right).

✅ Donc N′(t)=0,3 N(t)N'(t)=0{,}3\,N(t).

À l'instant t=10t=10 : N(10)=500 e3≈10 043N(10)=500\,e^3\approx10\,043. Donc N′(10)=0,3×N(10)≈3 013N'(10)=0{,}3\times N(10)\approx3\,013.

✅ La population croît d'environ 3 0133\,013 bactéries par heure à l'instant t=10t=10.

✏️ Correction de la question 5
from math import exp

def heures():
    t = 0
    while 500*exp(0.3*t) <= 1000000:
        t = t + 1
    return t

La boucle se termine car N(t)→+∞N(t)\to+\infty.

On cherche le plus petit entier tt tel que 500 e0,3t>106500\,e^{0{,}3t}>10^6. Soit e0,3t>2 000e^{0{,}3t}>2\,000, soit 0,3 t>ln⁡2 0000{,}3\,t>\ln2\,000, soit t>ln⁡2 0000,3≈25,34t>\dfrac{\ln2\,000}{0{,}3}\approx25{,}34.

✅ La fonction renvoie 2626.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2

• Q1 : N(0)N(0) calculé, signe de N′N' justifié.

• Q2 : équivalences successives, passage à ln⁡\ln, vérification que t≥0t\ge0, réponse en contexte avec l'unité.

• Q3 : le calcul N(t+T)=N(t) e0,3TN(t+T)=N(t)\,e^{0{,}3T} est écrit, l'indépendance vis-à-vis de tt est énoncée.

• Q4 : N′=0,3 NN'=0{,}3\,N démontré, valeur numérique interprétée avec l'unité.

• Q5 : condition du while correcte, terminaison justifiée, valeur justifiée par un calcul avec ln⁡\ln.


Exercice 3 : une étude avec le carré du logarithme

Soit ff la fonction définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par f(x)=x(ln⁡x)2f(x)=x(\ln x)^2. On note C\mathcal C sa courbe représentative.

1. Déterminer les limites de ff en 0+0^+ et en +∞+\infty.

2. Calculer f′(x)f'(x) et dresser le tableau de variations de ff.

3. Calculer f′′(x)f''(x). Étudier la convexité de ff et préciser le point d'inflexion.

4. Déterminer l'équation de la tangente à C\mathcal C au point d'inflexion.

5. Montrer que l'équation f(x)=1f(x)=1 admet une unique solution γ\gamma dans ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, et l'encadrer à 10−110^{-1} près.

✏️ Correction de la question 1

En 0+0^+

Posons X=x→0+X=\sqrt x\to0^+. Alors x(ln⁡x)2=X2(2ln⁡X)2=4(Xln⁡X)2x(\ln x)^2=X^2(2\ln X)^2=4(X\ln X)^2. Par croissances comparées, Xln⁡X→0X\ln X\to0 quand X→0+X\to0^+. Par composition avec la fonction carré :

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

En +∞+\infty

x→+∞x\to+\infty et (ln⁡x)2→+∞(\ln x)^2\to+\infty. Par produit :

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

✏️ Correction de la question 2

La fonction ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ comme produit de xx et de (ln⁡x)2(\ln x)^2. On applique (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' avec u(x)=xu(x)=x, v(x)=(ln⁡x)2v(x)=(\ln x)^2, v′(x)=2ln⁡xxv'(x)=\dfrac{2\ln x}x.

Pour tout x>0x>0 : f′(x)=(ln⁡x)2+x×2ln⁡xx=(ln⁡x)2+2ln⁡xf'(x)=(\ln x)^2+x\times\dfrac{2\ln x}x=(\ln x)^2+2\ln x.

✅ f′(x)=ln⁡x (ln⁡x+2)f'(x)=\ln x\,(\ln x+2)

Le signe de f′(x)f'(x) est celui du produit ln⁡x×(ln⁡x+2)\ln x\times(\ln x+2). Ses racines correspondent à ln⁡x=0\ln x=0 (x=1x=1) et ln⁡x=−2\ln x=-2 (x=e−2x=e^{-2}). Il est positif si ln⁡x<−2\ln x<-2 ou ln⁡x>0\ln x>0, négatif entre les deux.

Donc f′>0f'>0 sur ]0 ;e−2[]0\,;e^{-2}[, f′<0f'<0 sur ]e−2 ;1[]e^{-2}\,;1[, f′>0f'>0 sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

Tableau de variations. ff est strictement croissante sur ]0 ;e−2]]0\,;e^{-2}] (de 00 à f(e−2)=e−2×4=4e−2≈0,54f\left(e^{-2}\right)=e^{-2}\times4=4e^{-2}\approx0{,}54).

Puis strictement décroissante sur [e−2 ;1]\left[e^{-2}\,;1\right] (de 4e−24e^{-2} à f(1)=0f(1)=0).

Puis strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ (de 00 à +∞+\infty).

✏️ Correction de la question 3

La fonction f′f' est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Avec f′(x)=(ln⁡x)2+2ln⁡xf'(x)=(\ln x)^2+2\ln x : f′′(x)=2ln⁡xx+2xf''(x)=\dfrac{2\ln x}x+\dfrac2x.

✅ f′′(x)=2(ln⁡x+1)xf''(x)=\dfrac{2(\ln x+1)}x

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

✅ Donc ff est concave sur ]0 ;1e]\left]0\,;\dfrac1e\right] et convexe sur [1e ;+∞[\left[\dfrac1e\,;+\infty\right[.

Comme f′′f'' s'annule en changeant de signe en 1e\dfrac1e, le point d'abscisse 1e\dfrac1e est un point d'inflexion. Et f(1e)=1e×(−1)2=1ef\left(\dfrac1e\right)=\dfrac1e\times(-1)^2=\dfrac1e.

✅ Le point d'inflexion est (1e ;1e)\left(\dfrac1e\,;\dfrac1e\right).

✏️ Correction de la question 4

f′(1e)=ln⁡1e(ln⁡1e+2)=(−1)(−1+2)=−1f'\left(\dfrac1e\right)=\ln\dfrac1e\left(\ln\dfrac1e+2\right)=(-1)(-1+2)=-1.

La tangente au point d'abscisse 1e\dfrac1e a pour équation :

y=f(1e)+f′(1e)(x−1e)=1e−(x−1e)y=f\left(\dfrac1e\right)+f'\left(\dfrac1e\right)\left(x-\dfrac1e\right)=\dfrac1e-\left(x-\dfrac1e\right)

✅ Elle a pour équation y=−x+2ey=-x+\dfrac2e.

✏️ Correction de la question 5

Sur ]0 ;1]]0\,;1]

D'après le tableau, f(x)≤f(e−2)=4e−2≈0,54<1f(x)\le f\left(e^{-2}\right)=4e^{-2}\approx0{,}54<1. Donc f(x)=1f(x)=1 n'a aucune solution sur ]0 ;1]]0\,;1].

Sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[

ff est continue et strictement croissante, de 00 à +∞+\infty.

Le nombre 11 est compris entre 00 et +∞+\infty.

D'après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires :

✅ l'équation f(x)=1f(x)=1 admet une unique solution γ\gamma dans ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[, donc une unique solution dans ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Encadrement

f(2)=2(ln⁡2)2≈0,96<1f(2)=2(\ln2)^2\approx0{,}96<1

f(2,1)=2,1 (ln⁡2,1)2≈1,16>1f(2{,}1)=2{,}1\,(\ln2{,}1)^2\approx1{,}16>1

Comme ff est strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ :

✅ 2<γ<2,12<\gamma<2{,}1

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3

• Q1 : le changement de variable X=xX=\sqrt x est écrit, les croissances comparées sont citées.

• Q2 : dérivabilité, formule (uv)′(uv)' citée, factorisation, signe d'un produit de deux facteurs justifié, tableau avec limites et valeurs.

• Q3 : f′′f'' calculée et factorisée, signe justifié, point d'inflexion avec ses deux coordonnées.

• Q4 : f(1e)f\left(\dfrac1e\right) et f′(1e)f'\left(\dfrac1e\right) calculés avant d'écrire l'équation.

• Q5 : absence de solution sur ]0 ;1]]0\,;1] justifiée par le maximum local, corollaire appliqué sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, encadrement justifié.


🎯 Les réflexes à retenir

  • Une fonction avec ln⁡\ln commence par le domaine et les limites avec croissances comparées.
  • Une fonction auxiliaire gg donne le signe de f′f' : étudie gg d'abord, et sers-t'en ensuite.
  • Une équation f(x)=kf(x)=k avec plusieurs solutions se traite par intervalles de stricte monotonie.
  • Un problème de modélisation se résout avec exp⁡\exp et ln⁡\ln, et se conclut en contexte avec l'unité.
  • Une droite est asymptote quand la limite de f(x)−(ax+b)f(x)-(ax+b) est nulle : écris cette limite.

Aller plus loin avec les vrais sujets

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