Propriétés algébriques, dérivée, équations et modélisation
Un organisme vivant contient une proportion constante de carbone 14 (radioactif). À sa mort, la quantité de \({}^{14}\text{C}\) décroît selon la loi \(N(t) = N_0 \times e^{-kt}\) où \(k \approx 1{,}21 \times 10^{-4}\) an\(^{-1}\).
On mesure dans un os fossilisé qu’il ne reste que 30 % du carbone 14 initial.
La réponse fait intervenir le logarithme (étudié en Terminale). En Première, on maîtrise la loi elle-même : son signe, ses variations, et comment l’utiliser pour comparer des quantités. → Solution complète en fin de chapitre
Jacob Bernoulli (1655–1705) cherchait en 1683 ce que devient \(\left(1 + \dfrac{1}{n}\right)^n\) quand \(n\) devient très grand — une question liée aux intérêts composés en banque. Il remarque que cette suite converge vers une constante, sans calculer sa valeur exacte.
C’est Leonhard Euler (1707–1783) qui identifie cette constante, la note \(e\) en 1736, et démontre que \(e \approx 2{,}718\,28\ldots\) est irrationnel. Il établit également que la fonction \(x \mapsto e^x\) est sa propre dérivée — propriété fondatrice de tout ce chapitre.
Aujourd’hui, \(e\) est omniprésent : croissance bactérienne, désintégration radioactive, courbes en cloche des probabilités, circuits électriques…
On cherche une fonction \(f\) dérivable sur \(\mathbb{R}\) vérifiant \(f' = f\) et \(f(0) = 1\).
Caractérisation : la tangente à la courbe en \((0\,;\,1)\) a pour pente \(1\), ce qui traduit \(f'(0) = f(0) = 1\).
Lemme préliminaire : pour tout réel \(x\), on a \(e^x \times e^{-x} = 1\).
Posons \(h(x) = e^x \times e^{-x}\). Par dérivée d’un produit : \(h'(x) = e^x \cdot e^{-x} + e^x \cdot (-e^{-x}) = 0\), donc \(h\) est constante. Or \(h(0) = e^0 \times e^0 = 1 \times 1 = 1\). Donc \(h(x) = 1\) pour tout \(x\). ✓
Preuve principale. Fixons \(b\) et posons \(g(x) = e^{x+b} \times e^{-b}\). Alors \(g'(x) = e^{x+b} \times e^{-b} = g(x)\), et \(g(0) = e^b \times e^{-b} = 1\) par le lemme.
Or la fonction exponentielle est l’unique fonction vérifiant \(f' = f\) et \(f(0) = 1\). Par unicité : \(g(x) = e^x\), soit \(e^{x+b} \times e^{-b} = e^x\). En multipliant par \(e^b\) : \(e^{x+b} = e^x \times e^b\). \(\square\)
Les autres règles s’en déduisent : \(e^{a-b} = e^{a+(-b)} = e^a \times e^{-b} = \frac{e^a}{e^b}\) (avec \(e^{-b} = 1/e^b\) par le lemme) et \((e^a)^n = e^{na}\) par récurrence sur \(n\).
Étape 1 — Positivité large. Pour tout réel \(x\), on a \(e^x = e^{x/2 + x/2} = e^{x/2} \times e^{x/2} = (e^{x/2})^2\) (relation fonctionnelle).
Or un carré réel est toujours positif ou nul. Donc \(e^x \geq 0\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\).
Étape 2 — \(e^x\) ne s'annule jamais. Supposons par l'absurde qu'il existe \(a \in \mathbb{R}\) tel que \(e^a = 0\). On utilise la relation \(e^a \times e^{-a} = e^{a + (-a)} = e^0 = 1\). On aurait alors \(0 \times e^{-a} = 1\), soit \(0 = 1\) — contradiction.
Donc \(e^x \neq 0\) pour tout \(x\). En combinant avec l'étape 1, \(e^x > 0\) pour tout réel \(x\). \(\square\)
La dérivée de \(f(x) = e^x\) est \(f'(x) = e^x\). Or \(e^x > 0\) pour tout \(x\) (propriété précédente), donc \(f'(x) > 0\) sur \(\mathbb{R}\) tout entier.
D’après le lien dérivée/variations (chapitre 5) : \(f\) est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\). \(\square\)
La fonction \(e^x\) est strictement positive et strictement croissante ; elle tend vers 0 à gauche et vers \(+\infty\) à droite
Tableau de variations de \(e^x\) sur \(\mathbb{R}\) — la dérivée \((e^x)' = e^x > 0\) donc \(e^x\) est strictement croissante
C’est la propriété fondamentale qui définit la fonction exponentielle : l’unique fonction \(f\) dérivable sur \(\mathbb{R}\) vérifiant \(f' = f\) et \(f(0) = 1\) est la fonction exponentielle.
Donc \((e^x)' = e^x\) par définition. \(\square\)
Posons \(f(x) = e^{ax+b} = e^b \times e^{ax}\). Posons \(g(x) = e^{ax}\). Le taux de variation de \(g\) est :
\(\dfrac{g(x+h) - g(x)}{h} = \dfrac{e^{a(x+h)} - e^{ax}}{h} = e^{ax} \times \dfrac{e^{ah} - 1}{h}\)
On admet que \(\lim_{h \to 0} \frac{e^{ah}-1}{h} = a\) (conséquence de \(\lim_{h \to 0} \frac{e^h - 1}{h} = 1\), qui découle de la définition de \(e^x\)).
Donc \(g'(x) = a \cdot e^{ax}\) et \(f'(x) = e^b \times a \cdot e^{ax} = a \cdot e^{ax+b} = u'(x) \cdot e^{u(x)}\). \(\square\)
La fonction \(x \mapsto e^x\) est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\) (propriété démontrée ci-dessus).
Une fonction strictement croissante est injective : si \(e^u = e^v\), nécessairement \(u = v\) (sinon, si par exemple \(u < v\), on aurait \(e^u < e^v\), contradiction).
De même, la croissance stricte donne directement \(e^u < e^v \Leftrightarrow u < v\).
Enfin, comme \(e^x > 0\) pour tout \(x\), l’équation \(e^x = k\) avec \(k \leq 0\) n’a aucune solution. \(\square\)
Étudier les variations de \(f(x) = (x-1)e^x\) et déterminer son minimum.
Domaine : \(\mathbb{R}\).
Dérivée : \(f'(x) = 1 \cdot e^x + (x-1) \cdot e^x = e^x(1 + x - 1) = xe^x\).
Signe de \(f'(x)\) : \(e^x > 0\) toujours, donc \(f'(x)\) a le signe de \(x\).
— \(f'(x) < 0\) pour \(x < 0\) → \(f\) décroissante
— \(f'(x) > 0\) pour \(x > 0\) → \(f\) croissante
— \(f'(0) = 0\) → minimum en \(x = 0\).
Valeur minimale : \(f(0) = (0-1)e^0 = -1\).
Décroissance radioactive du carbone 14 : \(N(t) = N_0 \times e^{-1{,}21 \times 10^{-4}\,t}\). La demi-vie est \(T_{1/2} = 5\,730\) ans. Un fossile contenant \(30\,\%\) du \(^{14}\text{C}\) initial date d'environ \(9\,950\) ans.
ln). Par exemple :L’existence et l’unicité de la solution \(x = \ln(a)\) pour \(a > 0\) sont admises en Première (le logarithme est étudié en Terminale).
Intuition : comme \(e^x\) est strictement croissante, continue, tend vers 0 quand \(x \to -\infty\) et vers \(+\infty\) quand \(x \to +\infty\), elle prend toutes les valeurs strictement positives exactement une fois. Donc pour tout \(a > 0\), il existe un unique réel \(x\) tel que \(e^x = a\).
| Notion | Définition / Formule | Piège à éviter |
|---|---|---|
| Définition | Unique \(f\) dérivable sur \(\mathbb{R}\) telle que \(f' = f\) et \(f(0) = 1\) | Les deux conditions sont nécessaires (l’une seule ne suffit pas) |
| Signe | \(e^x > 0\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\) | \(e^{-100}\) reste strictement positif (très petit, mais > 0) |
| Variations | Strictement croissante sur \(\mathbb{R}\), \(e^0 = 1\), \(e^1 = e \approx 2{,}718\) | \(e^a < e^b \iff a < b\) (même sens) |
| Dérivée | \((e^x)' = e^x\) \(\bigl(e^{u(x)}\bigr)' = u'(x)\,e^{u(x)}\) | Ne jamais oublier le facteur \(u'(x)\) |
| Algèbre — produit | \(e^{a+b} = e^a \times e^b\) | \(e^{a+b} \neq e^a + e^b\) |
| Algèbre — inverse | \(e^{-a} = \dfrac{1}{e^a}\) \(e^{a-b} = \dfrac{e^a}{e^b}\) | Le signe \(-\) passe en exposant, pas devant l’expression |
| Algèbre — puissance | \((e^a)^n = e^{na}\) | \((e^a)^b = e^{ab}\), pas \(e^{a^b}\) |
| Équation | \(e^u = e^v \iff u = v\) | \(e^x = k\) avec \(k \leq 0\) → aucune solution |
| Inéquation | \(e^u < e^v \iff u < v\) | Pas d’inversion (croissante stricte) |
| Suite \(u_n = e^{na}\) | Suite géométrique de raison \(q = e^a\), premier terme \(u_0 = 1\) | La raison est \(e^a\), pas \(a\) |
Inspiré des Vrai/Faux des manuels Transmath et Indice (1re 2019). Teste ton intuition, puis lis l’explication.
« \(e^{-100} < 0\). »
Cette affirmation est-elle correcte ?
Faux. La fonction exponentielle est strictement positive sur \(\mathbb{R}\) tout entier : \(e^x > 0\) pour tout réel \(x\), même très négatif.
\(e^{-100} = \dfrac{1}{e^{100}}\) est un nombre extrêmement petit (≈ \(3{,}7 \times 10^{-44}\)) mais strictement positif.
Mini-test : que vaut le signe de \(e^{-1\,000\,000}\) ?
« Il existe un réel \(x\) tel que \(e^x + e^{-x} = 0\). »
Cette affirmation est-elle vraie ?
Faux. Pour tout réel \(x\) : \(e^x > 0\) et \(e^{-x} > 0\). Donc \(e^x + e^{-x} > 0\) — somme strictement positive.
L’équation \(e^x + e^{-x} = 0\) n’a aucune solution. On peut même montrer que \(e^x + e^{-x} \geq 2\) pour tout \(x\) (minimum atteint en \(x = 0\)).
Mini-test : \(e^x + e^{-x}\) atteint son minimum en quelle valeur de \(x\) ?
« L’expression \(e^x - 1\) ne peut pas prendre de valeur négative. »
Cette affirmation est-elle vraie ?
Faux. Bien que \(e^x > 0\), l’expression \(e^x - 1\) peut être négative.
\(e^x - 1 < 0 \iff e^x < 1 \iff e^x < e^0 \iff x < 0\) (croissance stricte).
Pour \(x < 0\), \(e^x - 1\) est négatif. Exemple : \(e^{-1} - 1 \approx 0{,}368 - 1 = -0{,}632 < 0\).
Mini-test : pour quelles valeurs de \(x\) a-t-on \(e^x - 1 > 0\) ?
« Si \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et vérifie \(f' = f\), alors \(f = \exp\). »
Cette affirmation est-elle vraie ?
Faux. La condition \(f' = f\) seule n’identifie pas \(\exp\). Il manque \(f(0) = 1\).
Contre-exemple : \(f(x) = 0\) (fonction nulle) vérifie \(f' = f\) mais \(f \neq \exp\).
Plus généralement, toute fonction \(f(x) = C \cdot e^x\) (avec \(C\) constante) vérifie \(f' = f\). C’est \(f(0) = 1\) qui force \(C = 1\).
Mini-test : laquelle de ces fonctions vérifie \(f' = f\) sans être l’exponentielle ?
« \(f = \exp \iff f(0) = 1\). »
Cette équivalence est-elle correcte ?
Faux. Le sens « \(f = \exp \Rightarrow f(0) = 1\) » est correct, mais la réciproque ne l’est pas.
Énormément de fonctions vérifient \(f(0) = 1\) sans être l’exponentielle : \(f(x) = \cos(x)\), \(f(x) = 1 + x\), \(f(x) = x^2 + 1\), etc.
Mini-test : laquelle de ces fonctions vérifie \(f(0) = 1\) sans être \(\exp\) ?
« Il existe un réel \(x\) tel que \(e^x = 2\). »
Cette affirmation est-elle vraie ?
C’est vrai ! La fonction \(x \mapsto e^x\) est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\), prend toutes les valeurs dans \(]0\,;\,+\infty[\). Comme \(2 > 0\), il existe un unique \(x\) tel que \(e^x = 2\).
Ce nombre se note \(\ln 2\) (logarithme népérien de 2, étudié en Terminale) : \(\ln 2 \approx 0{,}693\).
⚠️ Attention : l’équation \(e^x = k\) admet une unique solution uniquement si \(k > 0\). Pour \(k \leq 0\), aucune solution.
Mini-test : combien de solutions a l’équation \(e^x = -3\) ?
On cherche \(t\) tel que \(N(t) = 0{,}30 \times N_0\), soit :
$$N_0 \times e^{-kt} = 0{,}30 \times N_0 \quad \Longleftrightarrow \quad e^{-kt} = 0{,}30$$
Avec les outils de Première, on sait que \(e^{-kt} = 0{,}30\) a une unique solution (car \(x \mapsto e^x\) est strictement croissante et prend toutes les valeurs \(> 0\)).
La valeur exacte nécessite le logarithme népérien (Terminale) : \(t = \dfrac{-\ln(0{,}30)}{k} = \dfrac{\ln(10/3)}{1{,}21 \times 10^{-4}} \approx 9\ 950\) ans.
Ce fossile aurait donc environ 10 000 ans — fin du Paléolithique supérieur.
Si \(f' = f\), alors \(f'' = (f')' = f' = f\), et plus généralement \(f^{(n)} = f\) pour tout \(n\). Comme \(f(0) = 1 > 0\) et \(f' = f\), la fonction est positive sur \(\mathbb{R}\) et strictement croissante.
L’unique fonction vérifiant ces conditions est la fonction exponentielle : \(f(x) = e^x\).
Pour approfondir, d'autres applets s'ouvrent en plein écran dans un nouvel onglet :
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