TES. primitives et logarithme

Chapitre 3 : Primitives
TES
I. Notion de primitive
f est une fonction définie sur un intervalle I ,
une primitive de f sur I est une fonction
et telle que pour tout x ∈ I ,
F dérivable sur I
F’(x) = f (x) .
Ex : les fonctions définies sur R par F(x) = 3x – 1 et G(x) = 3x +
la fonction définie sur R par F(x) =
1
sont des primitives de la fonction f définie sur R par f(x) = 3.
10
5
x² est une primitive de la fonction f définie sur R par f (x) = 5x.
2
Théorème : Toute fonction continue sur un intervalle I admet des primitives sur I .
( admis )
Propriétés :
• si F et G sont des primitives respectives, sur un intervalle I, des fonctions f et g.
alors ( F + G ) est une primitive sur I de ( f + g ).
• si F est une primitive de f sur un intervalle I et si k est une constante réelle fixée,
alors k.F est une primitive sur I de k.f
II. Ensemble des primitives d’une fonction
1.
si F est une primitive de f sur I, alors toutes les fonctions x ֏ F(x) + k, où k ∈ R, sont des primitives de f sur I
2.
si F et G sont deux primitives de f sur I, alors il existe un réel k tel que pour tout x de I , G(x) = F(x) + k.
deux primitives d’une fonction diffèrent d’une constante
preuve :
Ex : f est la fonction définie sur R par f(x) = 2x + 3 ,
une primitive de f sur R est la fonction F, définie par F(x) =
toute primitive de f sur R est une fonction G telle que : G(x) =
III. Primitive prenant une valeur donnée en un point donné
Théorème : soit f une fonction définie et continue sur un intervalle I , soit x0 un réel appartenant à I
et y0 un réel quelconque, il existe une primitive G et une seule de f telle que G(x0) = y0.
preuve :
Ex : f est la fonction définie sur R par f(x) = 2x + 3 , donner la primitive G de f sur R telle que G(-1) = 0
IV. Primitives de fonctions usuelles
on obtient des primitives de fonctions usuelles par lecture inverse du tableau des dérivées ,
dans les tableaux suivants, k désigne un réel quelconque.
Fonction f
f (x) = a
où a est une constante
f (x) = x
Primitives F de f
sur I
F(x) = a x + k
I=R
1
F(x) = x 2 + k
2
I=R
x n +1
+k
n +1
I=R
f (x) = xn
F(x) =
(n ∈ N )
*
1
xn
(n ∈ N* et n ≠ 1)
f (x) =
f (x) =
1
x
−1
1
× n −1 + k
F(x)=
n −1 x
I = ] 0 ; +∞ [
ou
I = ] −∞ ; 0 [
F(x) = 2 x + k
I = ] 0 ; +∞ [
V. Formules de primitives
u et v sont des fonctions dérivables sur l’intervalle I ,
λ est une constante réelle , u’ et v’ sont les fonctions dérivées respectives de u et v.
Fonction
λ.u’
u’ + v’
u.u’
un.u’
u'
u2
u'
u
(v’ o u)×u’
une primitive sur I
λ.u
u+v
1 2
u
2
1 n +1
u
n +1
−1
u
2 u
vou
Ex : cherchons les primitives sur ]0 ; +∞[ de la fonction f définie par f (x) = –
1
+ x².
8x 3
f est continue sur ]0 ; +∞[, elle admet donc des primitives sur ]0 ; +∞[.
1
1
1
1
1
1
1
une primitive de la fonction x ֏ – 3 = – × 3 = – × x –3 est – ×
× x –2 =
.
8x
8 x
8
8
−3 + 1
16x 2
1
1 3
une primitive de x ֏ x² est
x3 =
x.
2 +1
3
1
1 3
la fonction f admet donc pour primitives les fonctions F définies par : F(x) =
+
x + k (k∈R).
2
16x
3
• Cherchons les primitives sur ]-1 ; 1[ de la fonction f définie par f (x) =
2x
(x
2
− 1)
2
f est continue sur ]-1 ; 1[ (fonction rationnelle), elle admet donc des primitives sur ]-1 ; 1[.
1
u’
avec u(x) = x² – 1. La fonction f admet donc comme primitives sur ]-1 ; 1[ les fonctions F(x) = – 2
+ k où k ∈ R.
f est de la forme
u²
x −1
VI. Fonctions coût
on considère une entreprise produisant au cours d’une période une quantité q d’un certain produit ,
le coût total d’une quantité q est alors exprimé par une fonction C(q) , cette fonction est appelée fonction coût total
elle est positive et croissante.
le coût fixe est C(0), tandis que le coût variable est alors C(q) – C(0).
le coût moyen unitaire est alors défini par CM(q) =
C(q)
q
On appelle coût marginal de q, le coût de fabrication du (q + 1)ième produit ,
on le note Cm(q) et on admet que Cm(q) = C’(q).
ainsi le coût total C est une primitive du coût marginal Cm.
Exemple :
Une entreprise qui fabrique des objets estime que le coût total, en milliers d’euros, de production de x tonnes d’objets
s’exprime, en fonction de x, par : C(x) = x3 – 12x2 + 60x.
1. Etudier les variations de la fonction x ֏ C(x) sur [0 ; +∞[.
Le coût moyen de fabrication est donné par CM(x) =
C(x)
x
(pour x > 0)
2. Quel est le coût moyen de fabrication de 500 kg ?
3. Exprimer CM(x) en fonction de x, puis étudier les variations de la fonction x ֏ CM(x) sur [0 ; +∞[.
4. Tracer la représentation graphique (G) de la fonction x ֏ CM(x) dans un repère orthogonal (O ; i , j ).
(en abscisse : 1 cm pour 1 tonne ; en ordonnée : 1 cm pour 10 000 euros)
On note Cm(x) le coût marginal de x, et on admet que Cm(x) = C’(x).
5. a) Etudier les variations de la fonction x ֏ Cm(x) sur [0 ; +∞[.
b) Tracer la représentation graphique (H) de cette fonction sur le même graphique que (G).
6. a) Déterminer l’abscisse α du point d’intersection des courbes (G) et (H).
b) Que représente CM(α) pour la fonction x ֏ CM(x) ?
7. L’entreprise vend sa production 60 000 euros la tonne.
On note B(x) le bénéfice réalisé pour la vente de x tonnes.
a) Vérifier que B(x) = –x3 + 12x2.
b) Etudier les variations de la fonction x ֏ B(x).
c) Pour quelle valeur de x le bénéfice est-il maximal ?
Vérifier alors que, pour cette valeur de x, le coût marginal est égal au prix de vente unitaire.
(H)
(G)
j
O i
6
INTRODUCTION
sur la quadrillage sont tracées les courbes C f et Cg représentatives de deux fonctions f et g définies sur l’intervalle ] 0 ; + ∞[ ,
à l’aide du graphique répondre aux questions suivantes :
1 1 1
1. Quelles sont les images par f et par g de , , , 1 , 2 , 22 et 23 ?
8 4 2
2. Vérifier pour différentes valeurs de a et b que les fonctions f et g ont la même propriété f ( ab) = f ( a ) + f (b)
et
3.
4.
Calculer f (16) et g (32).
Vérifier qu’il existe un réel
λ tel que
g=
g (ab) = g (a ) + g (b) .
λ f.
TRANSFORMER DES PRODUITS EN SOMME
Il s'agit d’étudier les caractéristiques éventuelles d’une fonction f transformant le produit en somme c'est-à-dire, pour autant que ces
symboles aient un sens une fonction f, telle que: f ( ab) = f ( a ) + f (b) . (1)
1.
2.
Montrer que, si f est une fonction ayant la propriété (1), alors pour tout réel λ ≠ 0 , λ f a aussi la propriété (1).
Montrer que, si f est une fonction ayant la propriété (1), alors, si f n'est pas nulle elle ne peut être définie en 0.
Ainsi si f est une fonction non nulle telle que:
f (ab) = f (a ) + f (b) , f ne peut être définie en 0.
f (ab) = f (a ) + f (b) .
1.
On cherche à déterminer une fonction définie et dérivable pour tout élément de ] 0 ; + ∞[ et telle que
Quelle égalité obtient-on lorsque a = b =1 ? En déduire la valeur de f (1).
2.
Supposons a fixé et considérons la fonction ga définie par ga (x) = f (ax). Calculer g’a et en déduire en prenant x = 1 que
Cette égalité est vraie pour tout x > 0 et en posant f’(1) = k , on obtient
f '(x) =
f '(1)
a
k
.
x
ainsi la fonction f est, sur ] 0 ; + ∞ [ la primitive qui s’annule pour x = 1 de la fonction x
3.
f '(a ) =
֏
k
x
Réciproquement k étant un réel fixé, supposons que f soit, sur ] 0 ; + ∞ [ la primitive qui s’annule en 1 de la fonction :
x֏
k
.
x
x ֏ f (x) et x ֏ f (a.x) ont des dérivées égales.
b. En déduire qu’il existe un réel C tel que, pour tout x > 0 , on ait f ( a.x) = f (x) + C
c. Montrer alors f ( a.x) = f ( a ) + f (x) .
a.
Montrer que les fonctions
Cg
Cf