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Terminale Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction logarithme

Fonction logarithme : le cours

Le logarithme népérien est la fonction réciproque de l'exponentielle : elle « défait » ce que fait exe^x.

Elle transforme les produits en sommes et les puissances en produits.

Elle permet de résoudre des équations où l'inconnue est en exposant.

C'est un chapitre très présent au bac :

  • études de fonctions ;
  • équations ;
  • seuils de suites ;
  • inégalités.

Dans tout le cours, tu verras des astuces 💡, des pièges ⚠️ et un peu d'humour 😄.

🎯 Comment utiliser ce cours

  • Lis une partie, puis fais tout de suite la fiche correspondante.
  • Les propriétés algébriques (partie 2) et les croissances comparées (partie 4) sont à connaître par cœur.
  • Avant toute équation avec ln⁡\ln, pense à la condition d'existence : c'est le piège numéro un.

1. Définition et propriétés immédiates

Pour tout réel x>0x>0, l'équation ey=xe^y=x admet une unique solution yy. (L'exponentielle est continue, strictement croissante, de 00 à +∞+\infty.) Cette solution s'appelle le logarithme népérien de xx, noté ln⁡x\ln x. La fonction ln⁡\ln est définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Réciprocité :

  • pour tout x>0x>0, eln⁡x=xe^{\ln x}=x ;
  • pour tout réel xx, ln⁡(ex)=x\ln(e^x)=x.

Valeurs : ln⁡1=0\ln1=0 et ln⁡e=1\ln e=1.

Signe :

  • ln⁡x<0\ln x<0 si 0<x<10<x<1 ;
  • ln⁡x>0\ln x>0 si x>1x>1.

Monotonie : ln⁡\ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Donc, pour a,b>0a,b>0 :

  • ln⁡a=ln⁡b  ⟺  a=b\ln a=\ln b\iff a=b ;
  • ln⁡a<ln⁡b  ⟺  a<b\ln a<\ln b\iff a<b.

⚠️ Pièges

  • ln⁡\ln n'est définie que pour x>0x>0 : ln⁡0\ln0 et ln⁡(−3)\ln(-3) n'existent pas.
  • ln⁡\ln et exp⁡\exp se compensent, mais dans un seul ensemble de définition : eln⁡x=xe^{\ln x}=x exige x>0x>0.

😄 Le logarithme est un peu susceptible : donne-lui un nombre négatif, et il refuse de répondre.

2. Les propriétés algébriques

Pour tous réels a>0a>0 et b>0b>0 et tout entier nn :

  • ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\boldsymbol{\ln(ab)=\ln a+\ln b}
  • ln⁡1a=−ln⁡a\boldsymbol{\ln\dfrac1a=-\ln a}
  • ln⁡ab=ln⁡a−ln⁡b\boldsymbol{\ln\dfrac ab=\ln a-\ln b}
  • ln⁡(an)=nln⁡a\boldsymbol{\ln(a^n)=n\ln a}
  • ln⁡(a)=12ln⁡a\boldsymbol{\ln(\sqrt a)=\dfrac12\ln a}

Démonstration de ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\ln(ab)=\ln a+\ln b.

On a eln⁡a+ln⁡b=eln⁡a×eln⁡b=abe^{\ln a+\ln b}=e^{\ln a}\times e^{\ln b}=ab. Donc ln⁡a+ln⁡b\ln a+\ln b est l'unique réel dont l'exponentielle vaut abab. C'est ln⁡(ab)\ln(ab).

⚠️ Pièges

  • ln⁡(a+b)≠ln⁡a+ln⁡b\ln(a+b)\neq\ln a+\ln b. Aucune formule ne simplifie ln⁡(a+b)\ln(a+b).
  • ln⁡(a×b)\ln(a\times b) est une somme, mais ln⁡a×ln⁡b\ln a\times\ln b n'est pas ln⁡(a+b)\ln(a+b) : ne mélange pas.
  • Pour a<0a<0, ln⁡(a2)=2ln⁡∣a∣\ln(a^2)=2\ln|a|, et pas 2ln⁡a2\ln a (qui n'existe pas). Les formules exigent a,b>0a,b>0.

💡 Astuce : pour exprimer un logarithme à partir de ln⁡2\ln2 et ln⁡3\ln3, décompose le nombre en produit de puissances de 22 et de 33 :

ln⁡72=ln⁡(23×32)=3ln⁡2+2ln⁡3\ln72=\ln\left(2^3\times3^2\right)=3\ln2+2\ln3

3. Dérivée et variations

La fonction ln⁡\ln est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et (ln⁡x)′=1x(\ln x)'=\dfrac1x.

Si uu est dérivable et strictement positive sur II, alors ln⁡u\ln u est dérivable sur II et :

(ln⁡u)′=u′u(\ln u)'=\frac{u'}{u}

ln⁡\ln est strictement croissante (car 1x>0\dfrac1x>0) et concave (car ln⁡′′(x)=−1x2<0\ln''(x)=-\dfrac1{x^2}<0).

Exemples.

(ln⁡(3x+2))′=33x+2\big(\ln(3x+2)\big)'=\dfrac3{3x+2}

(ln⁡(x2+1))′=2xx2+1\big(\ln(x^2+1)\big)'=\dfrac{2x}{x^2+1}

(xln⁡x)′=ln⁡x+1(x\ln x)'=\ln x+1

💡 Astuce : (ln⁡u)′=u′u(\ln u)'=\dfrac{u'}u : « la dérivée du haut sur le bas ». Vérifie toujours que u>0u>0 avant d'écrire ln⁡u\ln u.

4. Limites et croissances comparées

Aux bornes :

  • lim⁡x→+∞ln⁡x=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\ln x=+\infty
  • lim⁡x→0+ln⁡x=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}\ln x=-\infty

Croissances comparées :

  • lim⁡x→+∞ln⁡xx=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{\ln x}x=0
  • pour tout entier n≥1n\ge1, lim⁡x→+∞ln⁡xxn=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{\ln x}{x^n}=0
  • lim⁡x→0+xln⁡x=0\displaystyle\lim_{x\to0^+}x\ln x=0
  • lim⁡x→0+xnln⁡x=0\displaystyle\lim_{x\to0^+}x^n\ln x=0

Nombres dérivés :

  • lim⁡x→0ln⁡(1+x)x=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\ln(1+x)}x=1
  • lim⁡x→1ln⁡xx−1=1\displaystyle\lim_{x\to1}\frac{\ln x}{x-1}=1 (nombre dérivé de ln⁡\ln en 11, qui vaut 11)

💡 Astuces

  • Le logarithme croît plus lentement que toute puissance de xx en +∞+\infty. En 0+0^+, xln⁡xx\ln x tend vers 00 : la puissance « gagne » contre le logarithme.
  • Pour une limite avec ln⁡\ln en +∞+\infty, mets en facteur le terme dominant (xx, ou xnx^n).

⚠️ Piège : écrire « xln⁡x=0×(−∞)=0x\ln x=0\times(-\infty)=0 » sans citer les croissances comparées : c'est une forme indéterminée.

5. Convexité et inégalités

La fonction ln⁡\ln est concave : sa courbe est en dessous de ses tangentes. La tangente en 11 a pour équation y=x−1y=x-1. Donc ln⁡x≤x−1\ln x\le x-1 pour tout x>0x>0.

En appliquant cette inégalité à 1x\dfrac1x : ln⁡x≥1−1x\ln x\ge1-\dfrac1x. On obtient l'encadrement :

1−1x≤ln⁡x≤x−11-\frac1x\le\ln x\le x-1

avec égalité seulement en x=1x=1.

6. Équations et inéquations avec ln⁡\ln

  1. Ensemble de définition : chaque expression dans un ln⁡\ln doit être strictement positive.
  2. Transformer : regrouper avec les propriétés (ln⁡a+ln⁡b=ln⁡(ab)\ln a+\ln b=\ln(ab)). Puis utiliser ln⁡A=ln⁡B  ⟺  A=B\ln A=\ln B\iff A=B, ou ln⁡A=k  ⟺  A=ek\ln A=k\iff A=e^k.
  3. Résoudre l'équation obtenue.
  4. Vérifier que les solutions sont dans l'ensemble de définition, et conclure.

Inéquations : comme ln⁡\ln est strictement croissante :

  • ln⁡A<ln⁡B  ⟺  A<B\ln A<\ln B\iff A<B (avec A,B>0A,B>0) ;
  • ln⁡A<k  ⟺  0<A<ek\ln A<k\iff0<A<e^k.

Le sens de l'inégalité est conservé.

Changement de variable : une équation du second degré en ln⁡x\ln x se pose X=ln⁡xX=\ln x, et en exe^x se pose X=exX=e^x (avec X>0X>0).

⚠️ Piège : résoudre ln⁡x+ln⁡(x−1)=ln⁡6\ln x+\ln(x-1)=\ln6 en trouvant x2−x−6=0x^2-x-6=0, donc x=3x=3 ou x=−2x=-2, et garder les deux. La condition x>1x>1 élimine −2-2.

😄 Une solution qui ne respecte pas l'ensemble de définition, c'est un invité qui se présente à une fête où il n'est pas sur la liste.

7. Équations exponentielles et seuils

  • ex=ke^x=k (k>0k>0)   ⟺  x=ln⁡k\iff x=\ln k. Il n'y a aucune solution si k≤0k\le0.
  • Pour un réel q>0q>0 : qn≥A  ⟺  nln⁡q≥ln⁡Aq^n\ge A\iff n\ln q\ge\ln A.
  • Si q>1q>1, ln⁡q>0\ln q>0 et on obtient n≥ln⁡Aln⁡qn\ge\dfrac{\ln A}{\ln q}.
  • Si 0<q<10<q<1, ln⁡q<0\ln q<0 et l'inégalité change de sens : n≤ln⁡Aln⁡qn\le\dfrac{\ln A}{\ln q}.

Exemple. Cherchons le plus petit entier nn tel que 1,05n≥21{,}05^n\ge2. Comme ln⁡1,05>0\ln1{,}05>0 :

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

Donc n=15n=15.

⚠️ Piège : avec 0,9n<0,250{,}9^n<0{,}25, on obtient nln⁡0,9<ln⁡0,25n\ln0{,}9<\ln0{,}25. Comme ln⁡0,9<0\ln0{,}9<0, on divise en retournant l'inégalité :

n>ln⁡0,25ln⁡0,9≈13,2n>\frac{\ln0{,}25}{\ln0{,}9}\approx13{,}2

donc n=14n=14.

8. L'étude d'une fonction avec ln⁡\ln

  1. Domaine : les expressions dans ln⁡\ln strictement positives.
  2. Limites aux bornes avec les croissances comparées.
  3. Dérivée avec (ln⁡u)′=u′u(\ln u)'=\dfrac{u'}u, factorisée ; signe justifié.
  4. Tableau de variations avec limites et valeurs (souvent en 11 ou en ee).
  5. Convexité, tangentes, équation selon les questions.

9. Les 10 pépites du chapitre

  1. Ensemble de définition d'abord, toujours, avant de toucher à une équation ou à une dérivée.
  2. ln⁡a=ln⁡b  ⟺  a=b\ln a=\ln b\iff a=b : le moyen le plus rapide de transformer une équation.
  3. ln⁡A=k  ⟺  A=ek\ln A=k\iff A=e^k ; ex=k  ⟺  x=ln⁡ke^x=k\iff x=\ln k.
  4. Signe de ln⁡x\ln x : négatif avant 11, positif après 11. Utilise-le pour étudier des signes.
  5. (ln⁡u)′=u′u(\ln u)'=\dfrac{u'}u : compare avec la dérivée de eue^u, qui est u′euu'e^u.
  6. Croissances comparées : ln⁡xx→0\dfrac{\ln x}x\to0 en +∞+\infty, xln⁡x→0x\ln x\to0 en 0+0^+.
  7. Pour ln⁡(1+x)x\dfrac{\ln(1+x)}x en 00 et ln⁡xx−1\dfrac{\ln x}{x-1} en 11 : pense au nombre dérivé.
  8. ln⁡x≤x−1\ln x\le x-1 est l'inégalité la plus utile du chapitre, avec son jumeau ln⁡x≥1−1x\ln x\ge1-\dfrac1x.
  9. Seuils : nln⁡q≥ln⁡An\ln q\ge\ln A, en retournant le sens si q<1q<1.
  10. Vérifie tes résultats avec une valeur simple : ln⁡1=0\ln1=0, ln⁡e=1\ln e=1, ln⁡(e2)=2\ln(e^2)=2.

Complément du programme : démontrer la dérivée de ln⁡\ln et une limite

Dérivée du logarithme. Pour x>0x>0, (ln⁡x)′=1x(\ln x)'=\dfrac1x (on admet que ln⁡\ln est dérivable).

Démonstration. Pour tout x>0x>0, eln⁡x=xe^{\ln x}=x. On dérive les deux membres : (eln⁡x)′=(ln⁡x)′ eln⁡x=(ln⁡x)′×x\left(e^{\ln x}\right)'=(\ln x)'\,e^{\ln x}=(\ln x)'\times x.

Le membre de droite se dérive en 11 : (ln⁡x)′×x=1(\ln x)'\times x=1, donc (ln⁡x)′=1x(\ln x)'=\dfrac1x. □\square

Limite en 00. lim⁡x→0+xln⁡x=0\lim\limits_{x\to0^+}x\ln x=0.

Démonstration. On pose X=1xX=\dfrac1x, qui tend vers +∞+\infty quand x→0+x\to0^+. Alors xln⁡x=1Xln⁡1X=−ln⁡XXx\ln x=\dfrac1X\ln\dfrac1X=-\dfrac{\ln X}X.

Par croissance comparée, ln⁡XX→0\dfrac{\ln X}X\to0 quand X→+∞X\to+\infty. Donc xln⁡x→0x\ln x\to0. □\square

Complément du programme : ln⁡\ln et exp⁡\exp sont réciproques

Pour tout x>0x>0, eln⁡x=xe^{\ln x}=x et pour tout réel xx, ln⁡(ex)=x\ln\left(e^x\right)=x : les fonctions ln⁡\ln et exp⁡\exp sont réciproques l'une de l'autre.

-3-2-112345-3-2-112345expln(0 ; 1)(1 ; 0)
Les courbes de exp et de ln sont symétriques par rapport à la droite y = x

Leurs courbes sont symétriques par rapport à la droite d'équation y=xy=x : le point (a ; b)(a\,;\,b) est sur la courbe de exp⁡\exp si et seulement si le point (b ; a)(b\,;\,a) est sur celle de ln⁡\ln.

Exemple. (0 ; 1)(0\,;\,1) est sur la courbe de exp⁡\exp, donc (1 ; 0)(1\,;\,0) est sur celle de ln⁡\ln (ln⁡1=0\ln1=0).

Complément du programme : l'algorithme de Briggs

Briggs calcule ln⁡a\ln a avec des racines carrées successives. Pour hh proche de 00, ah=ehln⁡a≈1+hln⁡aa^h=e^{h\ln a}\approx1+h\ln a, donc ln⁡a≈ah−1h\ln a\approx\dfrac{a^h-1}h.

En prenant h=1210h=\dfrac1{2^{10}} (dix racines carrées de aa), on obtient :

a = 2
n = 2 ** 10
print(n * (a ** (1 / n) - 1))   # affiche environ 0.69338

La valeur exacte est ln⁡2≈0,69315\ln2\approx0{,}69315 : l'approximation a trois décimales correctes.

10. Ce qui peut tomber au bac

  • Des propriétés algébriques, équations et inéquations avec ln⁡\ln et exp⁡\exp (fiche 1).
  • Des dérivées, limites et croissances comparées avec ln⁡\ln (fiche 2).
  • Des études de fonctions complètes avec ln⁡\ln (fiche 3).
  • Des suites et seuils avec ln⁡\ln, dont le célèbre (1+1n)n→e\left(1+\dfrac1n\right)^n\to e (fiche 4).

Tu as maintenant le cours. Passe aux quatre fiches, aux exercices type bac, puis au Guide de rédaction du chapitre.

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

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