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Mathématiques · 2ème Année Bac — Sciences Mathématiques B

Fonctions logarithmiques

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Définition : La fonction logarithme népérien, notée $\ln$, est la primitive de la fonction $x \mapsto \frac{1}{x}$ sur $]0, +\infty[$ qui s'annule en $1$.
  • Propriétés algébriques : Pour tous $a, b \in ]0, +\infty[$ et $r \in \mathbb{Q}$ : $\ln(ab) = \ln(a) + \ln(b)$ ; $\ln(a^r) = r\ln(a)$ ; $\ln\left(\frac{a}{b}\right) = \ln(a) - \ln(b)$ ; $\ln\left(\frac{1}{a}\right) = -\ln(a)$.
  • Limites usuelles : $\lim_{x \to 0^+} \ln(x) = -\infty$ ; $\lim_{x \to +\infty} \ln(x) = +\infty$ ; $\lim_{x \to 1} \frac{\ln(x)}{x-1} = 1$ ; $\lim_{x \to 0^+} x\ln(x) = 0$ ; $\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x^n} = 0$ ($n>0$).
  • Dérivée : $(\ln(u(x)))' = \frac{u'(x)}{u(x)}$ pour $u(x) > 0$.

Méthodes à maîtriser

  • Domaine de définition : Résoudre l'inéquation $u(x) > 0$ pour définir $\ln(u(x))$.
  • Étude de signe : Utiliser $\ln(x) > 0 \iff x > 1$ et $\ln(x) < 0 \iff 0 < x < 1$.
  • Résolution d'équations/inéquations : Passer par l'équivalence $\ln(A) = \ln(B) \iff A = B$ (avec $A, B > 0$).
  • Croissances comparées : Indispensable pour lever les indéterminations aux bornes du domaine.

Exemples corrigés

  • Calcul de limite : $\lim_{x \to +\infty} (\ln(x) - x)$. On factorise par $x$ : $x(\frac{\ln(x)}{x} - 1)$. Comme $\lim \frac{\ln(x)}{x} = 0$, la limite est $-\infty$.
  • Dérivée : Soit $f(x) = \ln(x^2+1)$. $f'(x) = \frac{(x^2+1)'}{x^2+1} = \frac{2x}{x^2+1}$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre $\ln(a+b)$ avec $\ln(a) + \ln(b)$ (c'est faux !).
  • Oublier de préciser le domaine de définition avant de résoudre une équation.
  • Oublier la valeur absolue dans la primitive de $1/x$ : $\int \frac{1}{x} dx = \ln|x| + C$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Fonctions logarithmiques

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Quel est le domaine de définition de $f(x) = \ln(x^2-1)$ ?

❓ Questions fréquentes

Comment savoir si je dois utiliser ln(a) + ln(b) ou ln(a times b) ?
  1. Regarde ton expression : si tu as un produit à l'intérieur du logarithme, utilise la somme.
  2. Si tu as une somme de deux logarithmes, utilise le produit pour simplifier.
  3. C'est surtout utile pour résoudre des équations : $\ln(x) + \ln(x-1) = \ln(2)$ devient $\ln(x(x-1)) = \ln(2)$.

💡 À retenir : Le logarithme transforme les produits en sommes, c'est sa force principale.

kifach n7seb domaine de définition dyal ln(x^2-3x+2) ?
  1. Il faut que ce qui est à l'intérieur du $\ln$ soit strictement positif.
  2. Résous l'inéquation $x^2 - 3x + 2 > 0$.
  3. Cherche les racines du trinôme : $1$ et $2$.
  4. Le signe est positif à l'extérieur des racines. Donc $D_f = ]-\infty, 1[ \cup ]2, +\infty[$.

💡 À retenir : L'argument du $\ln$ doit toujours être $> 0$.

Est-ce que ln(x^2) = 2ln(x) est toujours vrai ?

Non, c'est une erreur classique.

  1. $\ln(x^2)$ est défini pour $x \neq 0$.
  2. $2\ln(x)$ n'est défini que pour $x > 0$.
  3. La formule correcte est $\ln(x^2) = 2\ln|x|$.

💡 À retenir : N'oublie jamais la valeur absolue quand tu sors une puissance paire.

wach ln(0) kayn ?

Non, la fonction $\ln$ n'est pas définie en $0$.

  1. La courbe de $\ln(x)$ possède une asymptote verticale d'équation $x=0$ (l'axe des ordonnées).
  2. Quand $x$ se rapproche de $0$ par la droite, $\ln(x)$ tend vers $-\infty$.

💡 À retenir : $\ln(0)$ n'existe pas, on parle seulement de limite en $0^+$.

Comment lever une indétermination avec ln en +infty ?
  1. Si tu as une forme $\frac{\infty}{\infty}$, utilise les croissances comparées : $\frac{\ln(x)}{x^n} \to 0$.
  2. Si tu as une forme $\infty - \infty$, factorise par le terme dominant (souvent $x$ ou $x^n$).
  3. Exemple : $\ln(x) - x = x(\frac{\ln(x)}{x} - 1) \to +\infty(0-1) = -\infty$.

💡 À retenir : Les puissances de $x$ l'emportent toujours sur $\ln(x)$ en $+\infty$.

kifach n7seb la dérivée dyal ln(ln(x)) ?
  1. Utilise la formule $(\ln(u))' = \frac{u'}{u}$.
  2. Ici $u = \ln(x)$, donc $u' = \frac{1}{x}$.
  3. La dérivée est $\frac{1/x}{\ln(x)} = \frac{1}{x\ln(x)}$.

💡 À retenir : Applique la formule de composition de dérivée étape par étape.

Est-ce que ln(e^x) = x tout le temps ?

Oui, pour tout réel $x$. La fonction $\ln$ et la fonction exponentielle sont réciproques l'une de l'autre.

💡 À retenir : $\ln(e^x) = x$ et $e^{\ln(x)} = x$ (pour $x>0$).

3lach f les limites kanst3mlo frac{ln(x)}{x} bzaf ?
  1. Parce que c'est une limite de référence au programme.
  2. Elle permet de démontrer que $\ln$ croît très lentement vers $+\infty$.
  3. Elle aide à lever les indéterminations dans les fonctions composées.

💡 À retenir : Apprends par cœur les limites de croissances comparées, elles tombent à chaque examen.

Comment étudier le signe de f(x) = x - ln(x) ?
  1. Calcule la dérivée $f'(x) = 1 - \frac{1}{x} = \frac{x-1}{x}$.
  2. Étudie le signe de $f'(x)$ : elle s'annule en $1$.
  3. $f(1) = 1 - 0 = 1$.
  4. Comme le minimum est $1$, alors $f(x) \geq 1 > 0$ pour tout $x > 0$.

💡 À retenir : L'étude de fonction est l'outil ultime pour déterminer le signe d'une expression complexe.

Est-ce que ln(x^3) = 3ln(x) ?

Oui, car $x^3 > 0$ implique $x > 0$. Dans ce cas précis, la valeur absolue n'est pas nécessaire car le domaine de définition impose $x>0$.

💡 À retenir : Si $x>0$, alors $\ln(x^n) = n\ln(x)$ est toujours vrai.

kifach n7seb lim{x to 0^+} x^2 ln(x) ?
  1. C'est une forme indéterminée $0 \times (-\infty)$.
  2. Pose $X = 1/x$. Quand $x \to 0^+$, $X \to +\infty$.
  3. $x^2 \ln(x) = \frac{1}{X^2} \ln(1/X) = -\frac{\ln(X)}{X^2}$.
  4. D'après les croissances comparées, cela tend vers $0$.

💡 À retenir : $x^n \ln(x) \to 0$ quand $x \to 0^+$ pour tout $n > 0$.

Est-ce que je peux utiliser le TAF sur une fonction avec ln ?

Oui, si la fonction est continue et dérivable sur l'intervalle donné.

  1. Vérifie les conditions de continuité et dérivabilité.
  2. Applique $f(b) - f(a) = f'(c)(b-a)$.
  3. C'est souvent utilisé pour encadrer des expressions avec $\ln$.

💡 À retenir : Le TAF est un outil puissant pour les inégalités.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $f$ la fonction définie sur $]0, +\infty[$ par $f(x) = \frac{\ln(x)}{x}$.

  1. Étudier les variations de $f$.
  2. En déduire que pour tout $x > 0$, $\ln(x) \leq \frac{x}{e}$.
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Exercice 2

Résoudre dans $\mathbb{R}$ l'équation : $\ln(x+1) + \ln(x+2) = \ln(6)$.

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Exercice 3

Calculer la limite suivante : $\lim_{x \to 1} \frac{\ln(x^2)}{x-1}$.

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