Etude de fonctions - Exercice 1

35 min
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Etudiez les variations des fonctions suivantes sur R\mathbb{R}
Question 1

f(x)=(3x−2)exf\left(x\right)=\left(3x-2\right)e^{x}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=3x−2u\left(x\right)=3x-2 et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x} .
Ainsi u′(x)=3u'\left(x\right)=3 et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il vient alors que :
f′(x)=3ex+(3x−2)exf'\left(x\right)=3e^{x} +\left(3x-2\right)e^{x}
f′(x)=3ex+3x×ex+(−2)×exf'\left(x\right)=3e^{x} +3x\times e^{x} +\left(-2\right)\times e^{x}
f′(x)=3ex+3xex−2exf'\left(x\right)=3e^{x} +3xe^{x} -2e^{x}
f′(x)=3xex+exf'\left(x\right)=3x{\color{blue}{e^{x}}} +{\color{blue}{e^{x}}}
f′(x)=ex(3x+1)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{x}}}\left(3x+1\right)
Il faut penser à factoriser par les exponentielles afin de faciliter les études de signes.
Pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0.
3x+1≥0⇔3x≥−1⇔x≥−13.3x+1\ge 0\Leftrightarrow 3x\ge -1\Leftrightarrow x\ge -\frac{1}{3} .
Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de 3x+13x+1 lorsque xx sera supérieur ou égale à −13-\frac{1}{3}.
Il en résulte donc que :
  • si x∈]−∞;−13]x\in\left]-\infty;-\frac{1}{3}\right] alors f′(x)≤0f'\left(x\right)\le0 et donc ff est décroissante sur cet intervalle.
  • si x∈[−13;+∞[x\in\left[-\frac{1}{3};+\infty\right[ alors f′(x)≥0f'\left(x\right)\ge0 et donc ff est croissante sur cet intervalle.
Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
De plus :
f(−13)=(3×(−13)−2)e−13f\left(-\frac{1}{3} \right)=\left(3\times \left(-\frac{1}{3} \right) -2\right)e^{-\frac{1}{3} }
f(−13)=(−1−2)e−13f\left(-\frac{1}{3} \right)=\left(-1-2\right)e^{-\frac{1}{3} }
f(−13)=−3e−13f\left(-\frac{1}{3} \right)=-3e^{-\frac{1}{3} }
Question 2

f(x)=(−2x+4)exf\left(x\right)=\left(-2x+4\right)e^{x}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=−2x+4u\left(x\right)=-2x+4 et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x} .
Ainsi u′(x)=−2u'\left(x\right)=-2 et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il vient alors que :
f′(x)=−2ex+(−2x+4)exf'\left(x\right)=-2e^{x} +\left(-2x+4\right)e^{x}
f′(x)=−2ex+(−2x)×ex+4×exf'\left(x\right)=-2e^{x} +\left(-2x\right)\times e^{x} +4\times e^{x}
f′(x)=−2ex−2xex+4exf'\left(x\right)=-2e^{x} -2xe^{x} +4e^{x}
f′(x)=−2xex+2exf'\left(x\right)=-2x{\color{blue}{e^{x}}} +2{\color{blue}{e^{x}}}
f′(x)=ex(−2x+2)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{x}}} \left(-2x+2\right)
Il faut penser à factoriser par les exponentielles afin de faciliter les études de signes.
Pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0.
−2x+2≥0⇔−2x≥−2⇔x≤−2−2⇔x≤1-2x+2\ge 0\Leftrightarrow -2x\ge -2\Leftrightarrow x\le \frac{-2}{-2} \Leftrightarrow x\le 1
Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de −2x+2-2x+2 lorsque xx sera inférieur ou égale à 11.
On en déduit le tableau de variation suivant :
De plus :
f(1)=(−2×1+4)e1f\left(1\right)=\left(-2\times1+4\right)e^{1}
f(1)=(−2+4)e1f\left(1\right)=\left(-2+4\right)e^{1}
f(1)=2e1f\left(1\right)=2e^{1} qui s'écrit également : f(1)=2ef\left(1\right)=2e
Question 3

f(x)=(4−x)exf\left(x\right)=\left(4-x\right)e^{x}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=4−xu\left(x\right)=4-x et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x} .
Ainsi u′(x)=−1u'\left(x\right)=-1 et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il vient alors que :
f′(x)=−1×ex+(4−x)×exf'\left(x\right)=-1\times e^{x} +\left(4-x\right)\times e^{x}
f′(x)=−ex+4×ex−x×exf'\left(x\right)=-e^{x} +4\times e^{x} -x\times e^{x}
f′(x)=−ex+4ex−xexf'\left(x\right)=-e^{x} +4e^{x} -xe^{x}
f′(x)=3ex−xexf'\left(x\right)=3{\color{blue}{e^{x}}} -x{\color{blue}{e^{x}}}
f′(x)=ex(3−x)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{x}}} \left(3-x\right)
Il faut penser à factoriser par les exponentielles afin de faciliter les études de signes.
Pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0.
3−x≥0⇔−x≥−3⇔x≤3.3-x\ge 0\Leftrightarrow -x\ge -3\Leftrightarrow x\le 3 .
Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de 3−x3-x lorsque xx sera inférieur ou égale à 33.
On en déduit le tableau de variation suivant :

De plus :
f(3)=(4−3)e3f\left(3\right)=\left(4-3\right)e^{3}
f(3)=e3f\left(3\right)=e^{3}
Question 4

f(x)=x2exf\left(x\right)=x^{2} e^{x}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x2u\left(x\right)=x^{2} et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x} .
Ainsi u′(x)=2xu'\left(x\right)=2x et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il vient alors que f′(x)=2xex+x2ex⇔f'\left(x\right)=2x{\color{blue}{e^{x}}} +x^{2} {\color{blue}{e^{x}}} \Leftrightarrow
f′(x)=ex(2x+x2)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{x}}} \left(2x+x^{2} \right)
Il faut penser à factoriser par les exponentielles afin de faciliter les études de signes.
Pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0.
Pour l'étude de 2x+x22x+x^{2} , on va utiliser le discriminant.
Nous donnons directement les résultats car le discriminant n'a maintenant plus de secret pour nous. Δ=4\Delta =4 , x1=0x_{1} =0 et x2=−2x_{2} =-2.
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 5

f(x)=(2x2−x)exf\left(x\right)=\left(2x^{2} -x\right)e^{x}

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=2x2−xu\left(x\right)=2x^{2} -x et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x} .
Ainsi u′(x)=4x−1u'\left(x\right)=4x-1 et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il vient alors que :
f′(x)=(4x−1)ex+(2x2−x)exf'\left(x\right)=\left(4x-1\right){\color{blue}{e^{x}}} +\left(2x^{2} -x\right){\color{blue}{e^{x}}}
f′(x)=ex(4x−1+2x2−x)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{x}}} \left(4x-1+2x^{2} -x\right)
f′(x)=ex(2x2+3x−1)f'\left(x\right)=e^{x} \left(2x^{2} +3x-1\right)
Il faut penser à factoriser par les exponentielles afin de faciliter les études de signes.
Pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0.
Pour l'étude de 2x2+3x−12x^{2} +3x-1, on va utiliser le discriminant.
Nous donnons directement les résultats car le discriminant n'a maintenant plus de secret pour nous. Δ=17\Delta =17 , x1=−3+174x_{1} =\frac{-3+\sqrt{17} }{4} et x2=−3−174x_{2} =\frac{-3-\sqrt{17} }{4} .
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 6

f(x)=21+exf\left(x\right)=\frac{2}{1+e^{x} }

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=2u\left(x\right)=2 et v(x)=1+exv\left(x\right)=1+e^{x} .
Ainsi u′(x)=0u'\left(x\right)=0 et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il vient alors que f′(x)=0×(1+ex)−2ex(1+ex)2⇔f'\left(x\right)=\frac{0\times \left(1+e^{x} \right)-2e^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} } \Leftrightarrow
f′(x)=−2ex(1+ex)2f'\left(x\right)=\frac{-2e^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} }

Pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0, il vient alors que −2ex<0-2e^{x} <0
Pour tout réel xx, on a (1+ex)2>0\left(1+e^{x} \right)^{2} >0.
On en déduit le tableau de variation suivant :
Question 7

f(x)=(ex+1)(ex+4)f\left(x\right)=\left(e^{x} +1\right)\left(e^{x} +4\right)

Correction
ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=ex+1u\left(x\right)=e^{x} +1 et v(x)=ex+4v\left(x\right)=e^{x}+4 .
Ainsi u′(x)=exu'\left(x\right)=e^{x} et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il vient alors que :
f′(x)=ex×(ex+4)+(ex+1)×exf'\left(x\right)=e^{x} \times \left(e^{x} +4\right)+\left(e^{x} +1\right)\times e^{x}
f′(x)=ex×ex+ex×4+ex×ex+1×exf'\left(x\right)=e^{x} \times e^{x} +e^{x} \times 4+e^{x} \times e^{x} +1\times e^{x}
f′(x)=e2x+4ex+e2x+exf'\left(x\right)=e^{2x} +4e^{x} +e^{2x} +e^{x}
f′(x)=2e2x+5exf'\left(x\right)=2e^{2x} +5e^{x}
Pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0 et e2x>0e^{2x}>0 . Il en résulte donc que : 2e2x+5ex>02e^{2x} +5e^{x}>0 et de ce fait f′(x)>0f'\left(x\right)>0.
On en déduit le tableau de variation suivant :

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