Fonctions Exponentielles 2ème BAC Sciences Mathématiques B

Fonctions Exponentielles 2ème BAC Sciences Mathématiques B

Fonctions Exponentielles
2ème BAC Sciences Mathématiques

1. Définition et Propriétés

a) Fonction exponentielle népérienne

La fonction exponentielle, notée \( \exp \) ou \( x \mapsto e^x \), est l’unique fonction dérivable sur \( \mathbb{R} \) telle que :

  • \( f’ = f \)
  • \( f(0) = 1 \)

Où \( e \approx 2.71828 \) est la base du logarithme népérien.

b) Propriétés algébriques

  • \( e^{a+b} = e^a \cdot e^b \)
  • \( e^{-a} = \frac{1}{e^a} \)
  • \( (e^a)^b = e^{ab} \)
  • \( e^0 = 1 \), \( e^1 = e \)
  • Pour tout \( x \in \mathbb{R} \), \( e^x > 0 \)
0 2 -2 y = e^x

2. Dérivée et Étude Fonctionnelle

a) Dérivée

La fonction exponentielle est égale à sa propre dérivée :

\( \frac{d}{dx}e^x = e^x \)

b) Variations

  • Strictement croissante sur \( \mathbb{R} \)
  • Convexe car \( f”(x) = e^x > 0 \)
  • \( \lim_{x \to -\infty} e^x = 0^+ \) → asymptote horizontale \( y = 0 \)
  • \( \lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty \)
  • Tangente en \( x = 0 \) : \( y = x + 1 \)
Tangente en 0: y = x + 1

3. Fonctions \( a^x \)

Pour \( a > 0 \), on définit la fonction exponentielle de base \( a \) par :

\( a^x = e^{x\ln(a)} \)
2^x e^x (1/2)^x

Propriétés :

  • Si \( a > 1 \) : fonction strictement croissante
  • Si \( 0 < a < 1 \) : fonction strictement décroissante
  • Dérivée : \( \frac{d}{dx}a^x = \ln(a) \cdot a^x \)
  • \( a^x > 0 \) pour tout \( x \)

4. Croissances Comparées

L’exponentielle croît plus vite que toute puissance :

  • \( \lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty \) pour tout \( n \in \mathbb{N} \)
  • \( \lim_{x \to -\infty} x^n e^x = 0 \)
  • \( \lim_{x \to +\infty} e^{-x} x^n = 0 \)

Interprétation : L’exponentielle “l’emporte” sur les polynômes.

5. Exercices d’Application

Exercice 1 : Résoudre \( e^{2x} – 3e^x + 2 = 0 \) dans \( \mathbb{R} \).

Solution :

Posons \( X = e^x \) (avec \( X > 0 \)). L’équation devient :

\( X^2 – 3X + 2 = 0 \)

Discriminant : \( \Delta = 9 – 8 = 1 \)

Solutions : \( X = 1 \) ou \( X = 2 \)

Donc :

  • \( e^x = 1 \Rightarrow x = 0 \)
  • \( e^x = 2 \Rightarrow x = \ln(2) \)

Solutions : \( x = 0 \) et \( x = \ln(2) \)

Exercice 2 : Étudier les variations de \( f(x) = x e^{-x} \) sur \( \mathbb{R} \).

Solution :

\( f \) est dérivable sur \( \mathbb{R} \). Calculons \( f'(x) \) :

\( f'(x) = 1 \cdot e^{-x} + x \cdot (-e^{-x}) = e^{-x}(1 – x) \)

Comme \( e^{-x} > 0 \) pour tout \( x \), le signe de \( f’ \) dépend de \( 1 – x \) :

  • Si \( x < 1 \), \( f'(x) > 0 \) ⇒ \( f \) croissante
  • Si \( x > 1 \), \( f'(x) < 0 \) ⇒ \( f \) décroissante

Conclusion : Maximum en \( x = 1 \), \( f(1) = e^{-1} \)

Exercice 3 : Calculer \( \lim_{x \to +\infty} \frac{x^2 + 1}{e^x} \).

Solution :

C’est une forme indéterminée \( \frac{\infty}{\infty} \).

Par croissances comparées, l’exponentielle l’emporte sur toute puissance :

\( \lim_{x \to +\infty} \frac{x^2}{e^x} = 0 \) et \( \lim_{x \to +\infty} \frac{1}{e^x} = 0 \)

Donc :

\( \boxed{\lim_{x \to +\infty} \frac{x^2 + 1}{e^x} = 0} \)


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