Etudes de fonctions - Exercice 6

35 min
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Question 1
PARTIE A
On considère la fonction gg définie sur l'intervalle ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[ par g(x)=2−2x2−2ln⁡(x)g\left(x\right)=2-2x^{2}-2\ln \left(x\right).

Calculer la dérivée de la fonction gg et étudier son signe. En déduire les variations de la fonction gg.

Correction
gg est dérivable sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[.
On a, alors : g′(x)=−4x−2xg'\left(x\right)=-4x-\frac{2}{x}
Ici, on n'a pas besoin de tout mettre au même dénominateur. En effet, pour tout réel xx appartenant à l'intervalle ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[, on vérifie aisément que : −4x<0-4x<0 et que −2x<0-\frac{2}{x}<0.
Il en résulte alors que , pour tout réel xx appartenant à l'intervalle ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[, on a : g′(x)<0g'\left(x\right)<0 et de ce fait la fonction gg est strictement décroissante sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[.
Nous traduisons cela dans le tableau de variation, ci-dessous :
Question 2

Calculer g(1)g\left(1\right). En déduire le signe de g(x)g\left(x\right) pour xx appartenant à l’intervalle ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[.

Correction
Nous avons : g(1)=2−2×12−2ln⁡(1)g\left(1\right)=2-2\times 1^{2}-2\ln \left(1\right). Ainsi : g(1)=0g\left(1\right)=0.
Nous allons intégrer cette infirmation dans le tableau de variation de gg. Cela nous donne :
La fonction ff est continue et strictement décroissante. Or : g(1)=0g\left(1\right)=0 d'après le théorème des valeurs intermédiaires, on en déduit que x=1x=1 est la seule solution qui annule la fonction g(x)g\left(x\right). Il vient alors que :
  • si x∈]0;1]x\in \left]0;1 \right] alors : g(x)≥0g\left(x\right)\ge0
  • si x∈[0;+∞[x\in \left[0;+\infty \right[ alors : g(x)≤0g\left(x\right)\le0
  • Nous traduisons cela, dans un tableau de signe pour gg.
    Question 3
    PARTIE B
    Soit ff la fonction définie sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[ par f(x)=ln⁡(x)x−x+12f\left(x\right)=\frac{\ln \left(x\right)}{x} -x+\frac{1}{2} . On note CfC_{f} sa courbe représentative dans un repère du plan.

    Calculer la limite de ff en 00. Que peut-on en déduire graphiquement?

    Correction
    Commençons par détailler la limite en 00 de ln⁡(x)x\frac{\ln \left(x\right)}{x}
    lim⁡x→0+ln⁡(x)x=lim⁡x→0+ln⁡(x)×1x\lim\limits_{x\to 0^{+} } \frac{\ln \left(x\right)}{x} =\lim\limits_{x\to 0^{+} } \ln \left(x\right)\times\frac{1}{x}
    lim⁡x→0+ln⁡(x)=−∞lim⁡x→0+1x=+∞}par produit\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to 0^{+} } \ln \left(x\right)} & {=} & {-\infty } \\ {\lim\limits_{x\to 0^{+}} \frac{1}{x} } & {=} & {+\infty} \end{array}\right\}{\text{par produit}}
    lim⁡x→0+ln⁡(x)x=−∞\lim\limits_{x\to 0^{+} } \frac{\ln \left(x\right)}{x}=-\infty

    Ainsi :
    lim⁡x→0+−x+12=12lim⁡x→0+ln⁡(x)x=−∞}par somme\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to 0^{+} } -x+\frac{1}{2}} & {=} & {\frac{1}{2} } \\ {\lim\limits_{x\to 0^{+} } \frac{\ln \left(x\right)}{x} } & {=} & {-\infty } \end{array}\right\}{\text{par somme}}
    lim⁡x→0+ln⁡(x)x−x+12=−∞\lim\limits_{x\to 0^{+} } \frac{\ln \left(x\right)}{x} -x+\frac{1}{2}=-\infty
    Si lim⁡x→nombref(x)=+∞\lim\limits_{x\to \text{nombre}} f(x) =+\infty alors la fonction ff admet une asymptote verticale d'équation x=nombrex=\text{nombre}
    Si lim⁡x→nombref(x)=−∞\lim\limits_{x\to \text{nombre}} f(x) =-\infty alors la fonction ff admet une asymptote verticale d'équation x=nombrex=\text{nombre}
    Interprétation graphique : la courbe CfC_{f} admet une asymptote verticale d'équation x=0x=0.
    Question 4

    Calculer la limite de ff en +∞+\infty.

    Correction

    lim⁡x→+∞ln⁡(x)x=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{\ln \left(x\right)}{x} =0
    lim⁡x→+∞−x+12=−∞lim⁡x→+∞ln⁡(x)x=0}par somme\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } -x+\frac{1}{2}} & {=} & {-\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{\ln \left(x\right)}{x} } & {=} & {0} \end{array}\right\}{\text{par somme}}
    lim⁡x→+∞ln⁡(x)x−x+12=−∞\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{\ln \left(x\right)}{x} -x+\frac{1}{2}=-\infty

    Question 5

    Montrer, que pour tout réel xx appartenant à l'intervalle ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[, on a : f′(x)=g(x)2x2f'\left(x\right)=\frac{g\left(x\right)}{2x^{2}}.

    Correction
    Introduisons, la fonction hh dérivable sur ]0;+∞[\left]0;+\infty \right[, telle que : h(x)=ln⁡(x)xh\left(x\right)=\frac{\ln \left(x\right)}{x}
    Ici on reconnaît la forme : (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=ln⁡(x)u\left(x\right)=\ln \left(x\right) et v(x)=xv\left(x\right)=x.
    Ainsi u′(x)=1xu'\left(x\right)=\frac{1}{x} et v′(x)=1v'\left(x\right)=1.
    Il vient alors que :
    h′(x)=1x×x−ln⁡(x)x2h'\left(x\right)=\frac{\frac{1}{x} \times x-\ln \left(x\right)}{x^{2} } équivaut successivement à :
    h′(x)=1−ln⁡(x)x2h'\left(x\right)=\frac{1-\ln \left(x\right)}{x^{2} }

    Nous allons pouvoir maintenant calculer la dérivée de ff. Ainsi :
    f(x)=ln⁡(x)x−x+12f\left(x\right)=\frac{\ln \left(x\right)}{x} -x+\frac{1}{2}
    f(x)=h(x)−x+12f\left(x\right)=h\left(x\right) -x+\frac{1}{2}
    f′(x)=h′(x)−1f'\left(x\right)=h'\left(x\right) -1
    f′(x)=1−ln⁡(x)x2−1f'\left(x\right)=\frac{1-\ln \left(x\right)}{x^{2} } -1. Nous allons tout mettre au même dénominateur :
    f′(x)=1−ln⁡(x)−x2x2f'\left(x\right)=\frac{1-\ln \left(x\right)-x^{2}}{x^{2} }
    Il en résulte que :
    f′(x)=g(x)2x2f'\left(x\right)=\frac{g\left(x\right)}{2x^{2}}

    Question 6

    Dresser le tableau de variation de ff.

    Correction
    D'après la question 22, nous avons déterminer le signe de gg. Nous regroupons dans le tableau de variation, ci-dessous :
    Question 7

    Déterminer une équation de la tangente (T)\left(T\right) à la courbe CfC_{f} au point d'abscisse 11.

    Correction
    L'équation de la tangente au point d'abscisse aa s'écrit y=f′(a)(x−a)+f(a)y=f'\left(a\right)\left(x-a\right)+f\left(a\right).
    Ici a=1a=1, ce qui donne, y=f′(1)(x−1)+f(1)y=f'\left(1\right)\left(x-1\right)+f\left(1\right).
    1ère étape : calculer f(1)f\left(1\right)
    f(1)=ln⁡(1)1−1+12f\left(1\right)=\frac{\ln \left(1\right)}{1} -1+\frac{1}{2}
    f(1)=−12f\left(1\right)=-\frac{1}{2}
    2ème étape : calculer f′(1)f'\left(1\right)
    f′(1)=1−ln⁡(1)−1212f'\left(1\right)=\frac{1-\ln \left(1\right)-1^{2}}{1^{2} }
    f′(1)=0f'\left(1\right)=0
    3ème étape : on remplace les valeurs de f(1)f\left(1\right) et de f′(1)f'\left(1\right) dans la formule de l'équation de tangente.
    On sait que :
    y=f′(1)(x−1)+f(1)y=f'\left(1\right)\left(x-1\right)+f\left(1\right)
    y=0×(x−1)−12y=0\times \left(x-1\right)-\frac{1}{2}
    y=−12y=-\frac{1}{2}
    Ainsi l'équation de la tangente à la courbe CfC_{f} au point d'abscisse 11 est alors :
    y=−12y=-\frac{1}{2}
    .

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