Math@mine / Première / Ch6

Chapitre 6 — Fonction exponentielle

📋 Prérequis & 🎯 Objectifs du chapitre déplier
📋 Prérequis
  • Ch. 4-5 — dérivation et variations
  • Seconde — puissances, règles algébriques
🎯 Objectifs — à la fin du chapitre, je saurai…
  • Connaître la définition et les propriétés de \(\exp\) (\(\exp'=\exp\), équation \(y' = y\))
  • Exploiter les propriétés algébriques : \(e^{a+b}\), \(e^{-a}\), \(e^{na}\)
  • Étudier des fonctions de la forme \(x \mapsto e^{ax+b}\)
  • Résoudre équations et inéquations faisant intervenir \(\exp\)
Première spécialité — Chapitre 6

Fonction exponentielle

Propriétés algébriques, dérivée, équations et modélisation

Le carbone 14 et la datation des fossiles

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.

On cherche à déterminer l’âge de ce fossile. Quelle équation faut-il résoudre ? Quel outil mathématique manque-t-il en Première pour obtenir la réponse exacte ?

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 et le nombre \(e\)

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…

Lire l’article complet : Jacob Bernoulli et le mystère de e — interview imaginaire, preuves et exploration interactive →

Une fonction qui ne change pas en se dérivant

On cherche une fonction \(f\) dérivable sur \(\mathbb{R}\) vérifiant \(f' = f\) et \(f(0) = 1\).

Si \(f' = f\), que vaut \(f''(x)\) ? Et \(f^{(n)}(x)\) (la dérivée \(n\)-ième) ? Que dire de la croissance de \(f\) ?

→ Solution complète en fin de chapitre

Sommaire

  1. 1Définition et propriétés algébriques
  2. 2Signe et variations
  3. 3Dérivée de la fonction exponentielle
  4. 4Équations et inéquations
  5. 5Étude de fonctions contenant \(e^x\)
  6. 6Modélisation exponentielle
  7. BBilan — Formules essentielles
  8. !Pièges et contre-exemples
1

Définition et propriétés algébriques

Définition — Fonction exponentielle La fonction exponentielle, notée \(\exp\) ou \(x \mapsto e^x\), est l’unique fonction dérivable sur \(\mathbb{R}\) vérifiant : $$f' = f \quad \text{et} \quad f(0) = 1$$ Le réel \(e\) est appelé le nombre d’Euler : \(e \approx 2{,}718\,28\). On écrit indifféremment \(\exp(x)\) ou \(e^x\).
Propriété — Règles de calcul (pour tous réels \(a\) et \(b\)) $$e^{a+b} = e^a \times e^b \qquad e^{a-b} = \frac{e^a}{e^b} \qquad e^{-a} = \frac{1}{e^a} \qquad (e^a)^n = e^{na}$$ Cas particuliers : \(e^0 = 1\) et \(e^1 = e\).
−3−2−1 12 0 123 45 x y T : y = x + 1 (0 ; 1) pente = 1 (car f'(0) = f(0) = 1) y = eˣ

Caractérisation : la tangente à la courbe en \((0\,;\,1)\) a pour pente \(1\), ce qui traduit \(f'(0) = f(0) = 1\).

Démonstration de \(e^{a+b} = e^a \times e^b\)

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 \(n\).

Exemples de simplifications Simplifier : $$e^3 \times e^5 = \dots \qquad \dfrac{e^7}{e^3} = \dots \qquad (e^2)^4 = \dots \qquad e^{-2} \times e^5 = \dots$$ $$e^{5x+1} = \dots \qquad \dfrac{e^{4x-1}}{e^{x+2}} = \dots \qquad (e^{x-1})^3 = \dots$$

$$e^3 \times e^5 = e^8 \qquad \dfrac{e^7}{e^3} = e^4 \qquad (e^2)^4 = e^8 \qquad e^{-2} \times e^5 = e^3$$ $$e^{5x+1} = e^{5x} \times e \qquad \dfrac{e^{4x-1}}{e^{x+2}} = e^{3x-3} \qquad (e^{x-1})^3 = e^{3x-3}$$
Erreurs fréquentes \(e^{a+b} \neq e^a + e^b\)   et   \((e^a)^b = e^{ab} \neq e^{a^b}\)
La fonction exponentielle n’est pas une puissance de la variable : \(e^x \neq x^e\).
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2

Signe et variations

Propriété — Signe de l’exponentielle Pour tout réel \(x\) : \(e^x > 0\). La fonction exponentielle est strictement positive sur \(\mathbb{R}\) ; elle ne s’annule jamais.
Démonstration

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 \(x\). \(\square\)

Propriété — Croissance de l’exponentielle La fonction \(x \mapsto e^x\) est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\).

Conséquences pour tous réels \(a\) et \(b\) : $$e^a = e^b \Longleftrightarrow a = b \qquad \text{et} \qquad e^a < e^b \Longleftrightarrow a < b$$
Démonstration

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 \(\mathbb{R}\). \(\square\)

−3 −2 −1 1 2 1 2 3 4 5 6 7 x y 0 asymptote y = 0 (−1 ; 1/e ≈ 0,37) (0 ; 1) (1 ; e ≈ 2,72) y = eˣ

La fonction \(e^x\) est strictement positive et strictement croissante ; elle tend vers 0 à gauche et vers \(+\infty\) à droite

x (eˣ)′ −∞ 0 +∞ + + 0⁺ 1 +∞

Tableau de variations de \(e^x\) sur \(\mathbb{R}\) — la dérivée \((e^x)' = e^x > 0\) donc \(e^x\) est strictement croissante

3

Dérivée de la fonction exponentielle

Propriété — Dérivée de \(e^x\) La fonction \(f(x) = e^x\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et : $$\boxed{(e^x)' = e^x}$$ C’est la propriété caractéristique : la fonction exponentielle est sa propre dérivée.
Justification

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. \(\square\)

Propriété — Dérivée de \(e^{u(x)}\) (composition) Si \(u\) est une fonction dérivable sur un intervalle \(I\), alors \(x \mapsto e^{u(x)}\) est dérivable sur \(I\) et : $$\boxed{\left(e^{u(x)}\right)' = u'(x)\,e^{u(x)}}$$ (Au programme : \(u(x) = ax+b\). Le cas général est un complément utile.)
Démonstration pour \(u(x) = ax + b\)

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 \(f'(x) = e^b \times a \cdot e^{ax} = a \cdot e^{ax+b} = u'(x) \cdot e^{u(x)}\). \(\square\)

Exemples de dérivées Calculer la dérivée de chaque fonction :
  1. \(f(x) = e^{3x}\)
  2. \(f(x) = e^{x^2}\)
  3. \(f(x) = e^{-2x+1}\)
  4. \(f(x) = e^{\sqrt{x}} = e^{x^{1/2}}\)


  1. \(f'(x) = 3e^{3x}\)
  2. \(f'(x) = 2x\,e^{x^2}\)
  3. \(f'(x) = -2\,e^{-2x+1}\)
  4. \(f'(x) = \dfrac{1}{2\sqrt{x}}\,e^{\sqrt{x}}\)
Signe de la dérivée Comme \(e^{u(x)} > 0\) toujours, le signe de \(\left(e^{u(x)}\right)' = u'(x)\,e^{u(x)}\) est le même que celui de \(u'(x)\).
En particulier, \(x \mapsto e^{ax+b}\) est croissante si \(a > 0\), décroissante si \(a < 0\).
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Dérivée exponentielle × affineCalculer la dérivée de f(x) = (ax+b)eˣ
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Dérivées avec exponentielleCalculer les dérivées de fonctions contenant exp
4

Équations et inéquations

Propriété — Résolution d’équations et d’inéquations Puisque \(x \mapsto e^x\) est strictement croissante de \(\mathbb{R}\) vers \(\,]0\,;\,+\infty[\) : $$e^u = e^v \Longleftrightarrow u = v$$ $$e^u < e^v \Longleftrightarrow u < v$$ $$e^u = k \text{ avec } k \leq 0 \Longrightarrow \text{aucune solution}$$
Justification

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. \(\square\)

Exemples d’équations
  1. Résoudre \(e^{2x-1} = e^{x+3}\)
  2. Résoudre \(e^{x^2} = e^{3x-2}\)
  3. Résoudre \(e^x = -3\)


  1. \(e^{2x-1} = e^{x+3}\) \(\Leftrightarrow\) \(2x-1 = x+3\) \(\Leftrightarrow\) \(x = 4\)
  2. \(e^{x^2} = e^{3x-2}\) \(\Leftrightarrow\) \(x^2 = 3x-2\) \(\Leftrightarrow\) \(x^2 - 3x + 2 = 0\) \(\Leftrightarrow\) \(x = 1\) ou \(x = 2\)
  3. \(e^x = -3\) : aucune solution (car \(e^x > 0\) toujours)
Exemple d’inéquation Résoudre \(e^{2x} > e^{x+1}\).

Puisque \(x \mapsto e^x\) est croissante : \(2x > x+1 \Leftrightarrow x > 1\).
L’ensemble solution est \(\,]1\,;\,+\infty[\).
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Intérêts composés et capitalisationApplications concrètes de l’exponentielle
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Exponentielle : calculs et équationsRésoudre des équations et inéquations avec exp
5

Étude de fonctions contenant \(e^x\)

Méthode — Étudier une fonction du type \(f(x) = P(x)\,e^{u(x)}\)
  1. Dériver en appliquant la formule du produit : \(\big(P(x)\,e^{u(x)}\big)' = \big(P'(x) + P(x)\,u'(x)\big)\,e^{u(x)}\)
  2. Factoriser par \(e^{u(x)}\) : comme \(e^{u(x)} > 0\) pour tout \(x\), le signe de \(f'(x)\) est celui du facteur polynomial
  3. Résoudre \(P'(x) + P(x)\,u'(x) = 0\) pour trouver les valeurs critiques
  4. Dresser le tableau de variations et calculer les valeurs remarquables (extremums)
Cas particulier \(f(x) = (ax+b)\,e^x\) On a \(f'(x) = (ax + a + b)\,e^x\), donc \(f'(x)\) s’annule en \(x = -1 - \dfrac{b}{a}\). C’est le cas le plus fréquent au Bac.
Exemple complet — Étude de \(f(x) = (x-1)e^x\)

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 : \(f(0) = (0-1)e^0 = -1\).

Exemple — Factorisation par \(e^x\) Étudier le signe de \(g(x) = e^{2x} - e^x\).

On factorise : \(g(x) = e^x(e^x - 1)\).
Comme \(e^x > 0\), le signe de \(g(x)\) est celui de \(e^x - 1\).
\(e^x - 1 > 0 \Leftrightarrow e^x > e^0 \Leftrightarrow x > 0\).
Donc \(g(x) > 0\) si \(x > 0\), \(g(x) < 0\) si \(x < 0\), \(g(0) = 0\).
6

Modélisation exponentielle

Modèles de base \(N_0 = N(0)\) est la valeur initiale.
Demi-vie La demi-vie \(T_{1/2}\) est le temps au bout duquel la quantité est divisée par 2 : $$N(T_{1/2}) = \frac{N_0}{2} \Longrightarrow e^{-kT_{1/2}} = \frac{1}{2} \Longrightarrow e^{kT_{1/2}} = 2$$ Pour résoudre exactement cette équation, on a besoin du logarithme népérien (voir ci-dessous).

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.

Résoudre \(e^x = a\) — le logarithme népérien Lorsque \(a > 0\), l’équation \(e^x = a\) admet une unique solution, notée \(x = \ln(a)\) (logarithme népérien de \(a\)).

Autrement dit : \(e^x = a \Longleftrightarrow x = \ln(a)\), pour tout \(a > 0\).

La fonction \(\ln\) est disponible sur toute calculatrice scientifique (touche ln). Par exemple :
\(\ln(1) = 0\) car \(e^0 = 1\)   \(\ln(e) = 1\) car \(e^1 = e\)   \(\ln(2) \approx 0{,}693\)   \(\ln(0{,}5) \approx -0{,}693\)
Résultat admis -- justification intuitive

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 \(e^x = a\).

Exemples de résolution avec ln
  1. Résoudre \(3e^x = 5\)
  2. Résoudre \(2e^x = 1\)
  3. Résoudre \(e^{2x} = 7\)


  1. \(3e^x = 5 \Leftrightarrow e^x = \dfrac{5}{3} \Leftrightarrow x = \ln\!\left(\dfrac{5}{3}\right) \approx 0{,}511\)
  2. \(2e^x = 1 \Leftrightarrow e^x = \dfrac{1}{2} \Leftrightarrow x = \ln\!\left(\dfrac{1}{2}\right) = -\ln(2) \approx -0{,}693\)
  3. \(e^{2x} = 7 \Leftrightarrow 2x = \ln(7) \Leftrightarrow x = \dfrac{\ln(7)}{2} \approx 0{,}973\)
Exemple — Carbone 14 \(N(t) = N_0 \times e^{-1{,}21 \times 10^{-4}\,t}\) (en années). Si \(N(t) = 0{,}3\,N_0\), à quel moment cela se produit-il ?

\(e^{-1{,}21 \times 10^{-4}\,t} = 0{,}3\), donc \(-1{,}21 \times 10^{-4}\,t = \ln(0{,}3)\).
\(t = \dfrac{\ln(0{,}3)}{-1{,}21 \times 10^{-4}} = \dfrac{-1{,}204}{-1{,}21 \times 10^{-4}} \approx 9\,950\) ans.
Lien avec les suites géométriques Pour tout réel \(a\), la suite \((u_n) = (e^{na})\) est une suite géométrique de raison \(q = e^a\).
En effet : \(u_{n+1} = e^{(n+1)a} = e^{na} \times e^a = u_n \times e^a\).

Bilan — Formules essentielles

NotionDéfinition / FormulePiège à éviter
DéfinitionUnique \(f\) 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)
VariationsStrictement 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 \(a\)

⚠️ Pièges et contre-exemples

Inspiré des Vrai/Faux des manuels Transmath et Indice (1re 2019). Teste ton intuition, puis lis l’explication.

Score : 0 / 6 pièges identifiés
1 Signe de \(e^{-100}\)

« \(e^{-100} < 0\). »

Cette affirmation est-elle correcte ?

📖 Explication

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.

💡 Mémo : \(e^x > 0\) toujours. Penser à \(e^x = (e^{x/2})^2\) qui est un carré non nul.

Mini-test : que vaut le signe de \(e^{-1\,000\,000}\) ?

2 Existence de \(x\) tel que \(e^x + e^{-x} = 0\)

« Il existe un réel \(x\) tel que \(e^x + e^{-x} = 0\). »

Cette affirmation est-elle vraie ?

📖 Explication

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 \(x = 0\)).

💡 Mémo : Une somme de termes strictement positifs reste strictement positive.

Mini-test : \(e^x + e^{-x}\) atteint son minimum en quelle valeur de \(x\) ?

3 Signe de \(e^x - 1\)

« L’expression \(e^x - 1\) ne peut pas prendre de valeur négative. »

Cette affirmation est-elle vraie ?

📖 Explication

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 : \(e^{-1} - 1 \approx 0{,}368 - 1 = -0{,}632 < 0\).

💡 Mémo : \(e^x > 0\) ne signifie pas \(e^x > 1\). On a \(e^x > 1 \iff x > 0\).

Mini-test : pour quelles valeurs de \(x\) a-t-on \(e^x - 1 > 0\) ?

4 Caractérisation par \(f' = f\) seule

« Si \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et vérifie \(f' = f\), alors \(f = \exp\). »

Cette affirmation est-elle vraie ?

📖 Explication

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 \(C = 1\).

💡 Mémo : La caractérisation utilise deux conditions : \(f' = f\) et \(f(0) = 1\).

Mini-test : laquelle de ces fonctions vérifie \(f' = f\) sans être l’exponentielle ?

5 Équivalence \(f = \exp \iff f(0) = 1\)

« \(f = \exp \iff f(0) = 1\). »

Cette équivalence est-elle correcte ?

📖 Explication

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.

💡 Mémo : \(f(0) = 1\) est nécessaire mais pas suffisant. Il faut aussi \(f' = f\) (et que \(f\) soit dérivable sur \(\mathbb{R}\)).

Mini-test : laquelle de ces fonctions vérifie \(f(0) = 1\) sans être \(\exp\) ?

6 Existence de \(x\) tel que \(e^x = 2\)

« Il existe un réel \(x\) tel que \(e^x = 2\). »

Cette affirmation est-elle vraie ?

📖 Explication

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.

💡 Règle : \(e^x = k\) → unique solution si \(k > 0\), aucune solution sinon.

Mini-test : combien de solutions a l’équation \(e^x = -3\) ?

Solution du problème d’ouverture — Le carbone 14

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.

Solution de l’énigme — Une fonction qui ne change pas en se dérivant

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 : \(f(x) = e^x\).

📐 Applets GeoGebra — fonction exponentielle

🎯 Applet interactif — Introduction de la fonction exponentielle

Construction de la fonction \(\exp\) comme seule solution de \(f' = f\) avec \(f(0) = 1\). · ↗ Ouvrir en plein écran

Pour approfondir, d'autres applets s'ouvrent en plein écran dans un nouvel onglet :

📐🌳 Modélisation de la croissance d'un arbre (hêtre)Ouvrir ↗ 📐Dérivée de la fonction exponentielleOuvrir ↗ 📐Fonction exp avec deux asymptotes et point d'inflexionOuvrir ↗ 📐Méthode d'Euler — exponentielleOuvrir ↗ 📐Fonction exponentielle de base aOuvrir ↗ 📐Exponentielle comme limite d'une suite de fonctionsOuvrir ↗

Banque complète (1245 applets) — voir le catalogue GeoGebra.

➡️ Pour la suite
Ch. 7 — Produit scalaire — Changement de thème : géométrie. Tu vas découvrir un outil puissant pour calculer angles et distances dans le plan.