FONCTIONS USUELLES Théor`eme 1. Soit I et J deux intervalles

FONCTIONS USUELLES
Th´eor`eme 1. Soit Iet Jdeux intervalles ouverts de Ret soit f:IJune
bijection. Supposons que fest d´erivable sur Iet que f0(x)6= 0 pour tout xI. Dans
ces conditions nous avons :
(1) Pour tout yJ,f1est d´erivable en yet
(f1)0(y) = 1
f0(f1(y))
(2) Si fest croissante alors f1est croissante.
(3) Si fest d´ecroissante alors f1est d´ecroissante.
Preuve
Montrons l’affirmation 1). Soit y, y0J,y6=y0. Soit xIl’ant´ec´edent de yet
x0Il’ant´ec´edent de y0:
y=f(x) et y0=f(x0)
Nous avons:
f1(y)f1(y0)
yy0
=f1(f(x)) f1(f(x0))
f(x)f(x0)
=xx0
f(x)f(x0)
=1
f(x)f(x0)
xx0
Or f(x)f(x0)
xx0a une limite non nulle quand xtend vers x0. De plus, lorsque ytend
vers y0alors xtend vers x0. Nous avons donc
lim
yy0
f1(y)f1(y0)
yy0
=1
limxx0, x6=0 f(x)f(x0)
xx0
=1
f0(x0)
=1
f0(f1(y0))
ce qui termine la preuve. ¤
1
2 FONCTIONS USUELLES
Proposition 2. (et d´efinition)
Il existe une unique fonction d´erivable f: ]0,+[Rtelle que :
(1) f0(x) = 1
x,x]0,+[.
(2) f(1) = 0.
Cette fonction est appelee logarithme n´ep´erien et est not´ee log(x).
Preuve
Pour montrer l’existence nous posons :
log x:= Zx
1
dt
t, x > 0.
Montrons l’unicit´e. Soit f: ]0,+[Rune fonction d´erivable v´erifiant :
f0(x) = 1
x, x > 0,et f(1) = 0.
Pour tout x > 0 nous avons :
(log xf(x))0= (log x)0f0(x) = 1
x1
x= 0.
De ce fait la fonction (log xf(x)) est constante sur ]0,+[. Comme log 1f(1) = 0
nous d´eduisons que log xf(x) = 0 pour tout x > 0. ¤
Proposition 3. (Propri´et´es du logarithme)
(1) Pour tous x, y ]0,+[, nous avons :
log xy = log x+ log y.
(2) Pour tout x > 0,log(1/x) = log x.
(3) Pour tout x > 0et tout nNnous avons :
log xn=nlog xet log xn=nlog x.
(4)
lim
x+log x= +et lim
x0+log x=−∞.
(5) La fonction log xest une bijection strictement croissante de ]0,+[sur R.
Preuve
Montrons (1). Soit y > 0, pour tout x > 0 posons :
f(x) = log xy.
La fonction fest d´erivable et nous avons pour tout x > 0 :
f0(x) = ylog0xy =y
xy =1
x.
De ce fait, la fonction (flog) est une fonction constante sur ]0,+[, il existe donc
une constante cRtelle que :
f(x) = log x+c, x > 0.
FONCTIONS USUELLES 3
Nous avons donc pour tout x > 0 :
log xy = log x+c.
En choisissant x= 1 nous obtenons :
log y= log 1 + c=c,
de ce fait nous avons pour tous x, y > 0 :
log xy = log x+ log y.
Pour montrer (2) remarquons que :
0 = log 1 = log x
x= log x+ log 1
x,
de ce fait :
log 1
x=log x.
Nous montrons la premi`ere affirmation de (3) par r´ecurrence sur nN.
Supposons n= 0. Pour tout x > 0 nous avons :
log x0= log 1 = 0 = 0.log x.
Par cons´equent la propri´et´e est vraie pour n= 0.
Soit nNun entier fix´e tel que log xn=nlog xpour tout x > 0. Nous avons :
log xn+1 = log(x.xn) = log x+ log xn= log x+nlog x= (n+ 1) log x,
ce qui montre que la propri´et´e est vraie pour tout nN.
Pour la deuxi`eme affirmation remarquons que pour tout nNet tout x > 0 nous
avons :
log xn= log(xn)1=log(xn) = nlog x.
Montrons (4). Comme log0x > 0 pour tout x > 0, la fonction log est strictement
croissante. Pour montrer que limx+log x= +il suffit donc de montrer que
log xn’est pas born´ee quand xtend vers +. Nous avons : nlog 2 +quand
n+, ainsi log 2n+quand n+cela montre que log xn’est pas born´ee
quand x+.
En posant u= 1/x nous trouvons :
lim
x0+log x= lim
u+log 1
u=lim
u+log u=−∞.
Pour montrer (5) remarquons que, du fait que log0x > 0 pour tout x]0,+[, la
fonction log xest strictement croissante. Elle constitue donc une bijection de ]0,+[
sur ]limx0log x, limx+log x[= R(d’apr`es (4)), ce qui termine la preuve. ¤
Corollaire 4. (et d´efinition)
La fonction log admet une r´eciproque, elle est appel´ee la fonction exponentielle
n´eperienne (ou plus simplement fonction exponentielle ) : xRex]0,+[. La
fonction exponentielle a les propri´et´es suivantes :
(1) x7→ exest une bijection d´erivable et strictement croissante de Rsur ]0,+[.
4 FONCTIONS USUELLES
(2) Pour tout xRnous avons : (ex)0=ex.
(3) e0= 1.
(4) ex+y=ex.eypour tous x, y R.
(5) limx→−∞ ex= 0 et limx+ex= +.
Preuve
L’existence de la r´eciproque de la fonction log et la propri´et´e (1) viennent du fait
que log : ]0,+[Rest une bijection d´erivable et strictement croissante, voir le
th´eor`eme 1.
Montrons (2). Soit xRet soit t]0,+[ tel que x= log t. Nous avons d’apr`es
le th´eor`eme 1 :
(ex)0=1
log0t=1
1/t =t= (log1)(x) = ex.
Pour montrer (3) remarquons que e0= (log1)(0) = 1 car log 1 = 0.
Montrons (4). Pour tous x, y Rnous avons :
log ex+y=x+y
et aussi :
log(ex.ey) = log ex+ log ey=x+y
et de ce fait log ex+y= log(ex.ey). Comme la fonction log est injective, nous d´eduisons :
ex+y=ex.ey.
Pour montrer (5), pour tout xRnous posons x= log u, o`u u]0,+[. De ce
fait (x→ −∞)(u0) et (x+)(u+). De ce fait :
lim
x→−∞ ex= lim
u0elog u= lim
u0u= 0
et
lim
x+ex= lim
u+elog u= lim
u+u= +
ce qui termine la d´emonstration. ¤
D´efinition 5. A l’aide des fonctions x7→ log xet x7→ exnous pouvons d´efinir la
puissance d’un r´eel positif quelconque.
(1) Soit x > 0 et soit aR. Le r´eel x `a la puissance a, not´e xaest d´efini par :
xa:= ealog x.
(2) Pour tout aRla fonction x]0,+[7→ xaRest appel´ee une fonction
puissance.
(3) Pour tout a > 0 la fonction xR7→ ax]0,+[ est appel´ee la fonction
exponentielle de base a.
Propri´et´es
(1) Pour tous x, y > 0 et pour tout aR, nous avons (xy)a=xa.ya.
FONCTIONS USUELLES 5
(2) Pour tout x > 0 et pour tous a, b Rnous avons
xa+b=xa.xbet (xa)b=xab.
Ces propri´et´es se montrent directement `a partir des propri´et´es des fonctions log xet
ex. Montrons par exemple la derni`ere propri´et´e, nous avons :
(xa)b=eblog(xa)=eb(alog x)=eab log x=elog xab =xab.
Lemme 6. Pour tout xR+et tout nN, nous avons :
ex1 + x+x2
2! +x3
3! +··· +xn
n!
Preuve
La preuve se fait par r´ecurrence sur nN. Pour cela pour tout nNnous
appelons Pnla propri´et´e :
xR+, ex1 + x+x2
2! +x3
3! +··· +xn
n!
Si n= 0 nous avons :
e0= 1 1,
la propri´et´e est donc vraie pour n= 0.
Soit nNtel que la propri´et´e Pnsoit vraie, montrons que la propri´et´e Pn+1 est
vraie aussi. Pour cela nous d´efinissons les fonctions f, g :R+Ren posant :
f(x) = ex(1 + x+x2
2! +x3
3! +··· +xn
n!)
et
g(x) = ex(1 + x+x2
2! +x3
3! +··· +xn+1
(n+ 1)!)
Un simple calcul montre que g0(x) = f(x), x 0. Comme f(x)0 pour x0, la
fonction gest croissante sur R+et de ce fait g(x)g(0) = 0 pour tout x0, ce qui
termine la preuve. ¤
Proposition 7. : Puissances compar´ees
Nous avons :
lim
x+
ex
x= +et lim
t+
log t
t= 0.(1)
Plus g´en´eralement, pour tout nNnous avons :
lim
x+
ex
xn= +et lim
t+
(log t)n
t= 0.(2)
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