Problème — Étude de la fonction
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (terminale), chapitre 4 — Fonction Logarithme Népérien
Énoncé
Problème — Étude de la fonction . Soit la fonction définie sur par :
- Déterminer les limites de en 0 et en . Préciser les asymptotes à la courbe .
- Calculer la dérivée et en déduire les variations de . Dresser le tableau de variations complet.
- Déterminer l'équation de la tangente au point d'abscisse 1.
- En utilisant la convexité ou l'étude de la fonction (dont on admet que ), étudier la position de la courbe par rapport à sa tangente .
Corrigé
- En : et . Par produit, . L'axe des ordonnées () est une asymptote verticale à la courbe . En : par croissance comparée, . La droite d'équation (l'axe des abscisses) est une asymptote horizontale à la courbe en .
- La fonction est dérivable sur :
Comme , le signe de est celui de , or :
La fonction est donc strictement croissante sur et strictement décroissante sur . Le maximum de est atteint en et vaut . D'où le tableau de variations complet, où l'on reporte les limites obtenues à la question 1 :
Les valeurs (en ) et (en ) sont des limites : elles ne sont pas atteintes, la borne étant exclue du domaine.
- L'équation de la tangente en 1 est :
On a et . L'équation de la tangente est donc :
- Étudions la différence . Cette différence est complexe à étudier directement. Mais on peut utiliser l'inégalité de la tangente pour la fonction : on sait que la fonction est concave, sa courbe est donc en dessous de sa tangente en 1 d'équation . Donc pour tout , . Puisque , en divisant par :
Or, pour tout , on a l'inégalité (car , avec égalité si et seulement si ). Donc . La courbe est donc située en dessous de sa tangente en 1 sur tout , avec un unique point de contact en (où et ) : ailleurs, l'une des deux inégalités ci-dessus est stricte, donc .
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