Etudes de fonctions - Exercice 2

20 min
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Soit ff la fonction définie sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[ par f(x)=2xln⁡x−3f\left(x\right)=2x\ln x-3 .
Question 1

Calculer les limites de ff en 00 et +∞+\infty .

Correction

lim⁡x→0+xln⁡(x)=0\lim\limits_{x\to 0^{+} } x\ln \left(x\right)=0
 Calculons d’une part :\red{\text{ Calculons d'une part :}} lim⁡x→0+2xln⁡x−3\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x\ln x-3
lim⁡x→0+2xln⁡x=0lim⁡x→0+−3=−3}par addition\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x\ln x} & {=} & {0} \\ {\lim\limits_{x\to 0^{+} } -3} & {=} & {-3} \end{array}\right\}{\text{par addition}}
lim⁡x→0+2xln⁡x−3=−3\lim\limits_{x\to 0^{+} } 2x\ln x-3=-3

 Calculons d’autre part :\red{\text{ Calculons d'autre part :}} lim⁡x→+∞2xln⁡x−3\lim\limits_{x\to +\infty } 2x\ln x-3
lim⁡x→+∞2xln⁡x=+∞lim⁡x→+∞−3=−3}par addition\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 2x\ln x} & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } -3} & {=} & {-3} \end{array}\right\}{\text{par addition}}
lim⁡x→+∞2xln⁡x−3=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } 2x\ln x-3=+\infty
Question 2

Etudiez les variations de ff.

Correction
On reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=2xu\left(x\right)=2x et v(x)=ln⁡(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right).
Ainsi u′(x)=2u'\left(x\right)=2 et v′(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} .
Il vient alors que :
f′(x)=2×ln⁡(x)+2x×1x⇔f'\left(x\right)=2\times \ln \left(x\right)+2x\times \frac{1}{x} \Leftrightarrow
f′(x)=2ln⁡(x)+2f'\left(x\right)=2\ln \left(x\right)+2

2ln⁡(x)+2≥0⇔ln⁡(x)≥−22⇔ln⁡(x)≥−1⇔ln⁡(x)≥ln⁡(e−1)⇔x≥e−12\ln \left(x\right)+2\ge 0\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge -\frac{2}{2} \Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge -1\Leftrightarrow \ln \left(x\right)\ge \ln \left(e^{-1} \right)\Leftrightarrow x\ge e^{-1}
Cela signifie que l'on mettra le signe ++ pour le signe de 2ln⁡(x)+22\ln \left(x\right)+2 dès que x≥e−1x\ge e^{-1}

De plus f(e−1)=2(e−1)ln⁡(e−1)−3⇔f\left(e^{-1} \right)=2\left(e^{-1} \right)\ln \left(e^{-1} \right)-3\Leftrightarrow f(e−1)=−2e−1−3f\left(e^{-1} \right)=-2e^{-1} -3
Question 3

Démontrez que l'équation f(x)=0f\left(x\right)=0 admet une unique solution α∈]0;+∞[\alpha \in \left]0;+\infty \right[.
Donnez un encadrement de α\alpha à 10−210^{-2} près.

Correction
Sur ]0;e−1]\left]0;e^{-1} \right], la fonction ffest continue et admet −3-3 comme maximum.
La fonction ff est strictement négative.
Donc l'équation f(x)=0f\left(x\right)=0 n'a pas de solution sur cet intervalle.
Sur [e−1;+∞[\left[e^{-1} ;+\infty \right[, la fonction ff est continue et strictement croissante.
De plus, f(e−1)=−2e−1−3f\left(e^{-1} \right)=-2e^{-1} -3 et lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } f\left(x\right)=+\infty . Or 0∈[−2e−1−3;+∞[0\in \left[-2e^{-1} -3;+\infty \right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha dans ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[ tel que f(x)=0f\left(x\right)=0.
A la calculatrice, on vérifie que
f(2,06)≈−0,022f\left(2,06\right)\approx -0,022 et f(2,07)≈0,012f\left(2,07\right)\approx 0,012 .
Or 0∈]−0,022;0,012]0\in \left]-0,022;0,012\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que
2,06≤α≤2,072,06\le \alpha \le 2,07
Question 4

En déduire le signe de ff sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[

Correction
Sur ]0;e−1]\left]0;e^{-1} \right], la fonction ffest continue et admet −3-3 comme maximum.
La fonction ff est strictement négative.
Sur [e−1;+∞[\left[e^{-1} ;+\infty \right[, la fonction ffest continue et strictement croissante et f(α)=0f\left(\alpha \right)=0.
Donc f(x)≤0f\left(x\right)\le 0 pour tout x∈[e−1;α]x\in \left[e^{-1} ;\alpha \right] et f(x)≥0f\left(x\right)\ge 0 pour tout x∈[α;+∞[x\in \left[\alpha ;+\infty \right[.
On résume cela dans un tableau de signe :

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