Exercices corrigés — Fonction logarithme népérien (Tle STI2D)
✏️ Exercices — Fonction logarithme népérien
Thèmes : définition • conditions d’existence • propriétés algébriques • dérivation • variations • limites • équations • inéquations • étude de fonctions.
Objectif : consolider les méthodes indispensables sur la fonction logarithme népérien en Terminale STI2D.
Exercice 1 — Valeurs immédiates et relations fondamentales
Tle STI2DCalculer :
- \(\ln(1)\)
- \(\ln(e)\)
- \(\ln(e^5)\)
- \(e^{\ln(8)}\)
💡 Indice
- Utiliser les identités fondamentales entre l’exponentielle et le logarithme.
- On rappelle que \(\ln(1)=0\) et \(\ln(e)=1\).
✅ Solution détaillée
Exercice 2 — Conditions d’existence
Tle STI2DDéterminer l’ensemble de définition :
- \(f(x)=\ln(x)\)
- \(g(x)=\ln(x-2)\)
- \(h(x)=\ln(3x+1)\)
- \(k(x)=\ln(x^2-4)\)
💡 Indice
- Le logarithme népérien n’existe que si son argument est strictement positif.
- Il faut donc résoudre une inéquation dans chaque cas.
✅ Solution détaillée
Exercice 3 — Produit et quotient
Tle STI2DSimplifier :
- \(\ln(3e)\)
- \(\ln\!\left(\dfrac{e^2}{5}\right)\)
- \(\ln(4)+\ln(7)\)
- \(\ln(18)-\ln(3)\)
💡 Indice
- Utiliser : \(\ln(ab)=\ln(a)+\ln(b)\).
- Utiliser : \(\ln\!\left(\dfrac{a}{b}\right)=\ln(a)-\ln(b)\).
✅ Solution détaillée
Exercice 4 — Puissances et racines
Tle STI2DSimplifier :
- \(\ln(2^5)\)
- \(\ln(\sqrt{7})\)
- \(3\ln(4)\)
- \(\dfrac12\ln(x)\) avec \(x>0\)
💡 Indice
- Utiliser : \(\ln(a^n)=n\ln(a)\).
- Écrire une racine sous forme de puissance.
✅ Solution détaillée
Exercice 5 — Dérivées de base
Tle STI2DDériver les fonctions suivantes :
- \(f(x)=\ln(x)\)
- \(g(x)=5\ln(x)\)
- \(h(x)=\ln(x)-3x\)
- \(k(x)=2+\ln(x)\)
💡 Indice
- Sur \(]0 ; +\infty[\), on a : \((\ln x)'=\dfrac1x\).
- La dérivée d’une constante est nulle.
✅ Solution détaillée
Exercice 6 — Dérivées composées
Tle STI2DDériver :
- \(f(x)=\ln(4x+1)\)
- \(g(x)=\ln(x^2+2)\)
- \(h(x)=\ln(7-x)\)
- \(k(x)=\ln((x+3)^2)\)
💡 Indice
- Utiliser la formule : \((\ln(u(x)))'=\dfrac{u'(x)}{u(x)}\).
✅ Solution détaillée
Exercice 7 — Produit et quotient avec logarithme
Tle STI2DDériver :
- \(f(x)=x\ln(x)\)
- \(g(x)=x^2\ln(x)\)
- \(h(x)=(x-1)\ln(x)\)
- \(k(x)=\dfrac{\ln(x)}{x}\)
💡 Indice
- Utiliser la dérivation d’un produit ou d’un quotient.
- Pour \(x\ln(x)\), penser à la formule du produit.
✅ Solution détaillée
Exercice 8 — Limites fondamentales
Tle STI2DDéterminer les limites :
- \(\lim\limits_{x\to 0^+}\ln(x)\)
- \(\lim\limits_{x\to +\infty}\ln(x)\)
- \(\lim\limits_{x\to 0^+}\ln(5x)\)
- \(\lim\limits_{x\to +\infty}(\ln(x)+4)\)
💡 Indice
- Connaître les deux limites de référence de la fonction logarithme.
- Ajouter une constante ne change pas la nature de la limite à l’infini.
✅ Solution détaillée
Exercice 9 — Variations simples
Tle STI2DÉtudier le sens de variation :
- \(f(x)=\ln(x)\)
- \(g(x)=\ln(x)+5\)
- \(h(x)=4\ln(x)\)
- \(k(x)=-2\ln(x)\)
💡 Indice
- Étudier le signe de la dérivée sur \(]0 ; +\infty[\).
- Multiplier par une constante positive conserve le sens de variation ; une constante négative l’inverse.
✅ Solution détaillée
Exercice 10 — Équations logarithmiques directes
Tle STI2DRésoudre :
- \(\ln(x)=0\)
- \(\ln(x)=3\)
- \(\ln(x-4)=2\)
- \(\ln(2x+1)=\ln(9)\)
💡 Indice
- Pour une équation du type \(\ln(u)=a\), on écrit \(u=e^a\).
- Penser à vérifier la condition d’existence.
✅ Solution détaillée
Exercice 11 — Inéquations logarithmiques
Tle STI2DRésoudre :
- \(\ln(x)>0\)
- \(\ln(x)<2\)
- \(\ln(x+3)\ge \ln(6)\)
- \(\ln(3x-2)<\ln(7)\)
💡 Indice
- La fonction \(\ln\) est strictement croissante sur \(]0 ; +\infty[\).
- On compare les arguments quand les logarithmes existent.
✅ Solution détaillée
Exercice 12 — Domaine, dérivée, équation, inéquation
Tle STI2DRépondre complètement :
- Déterminer le domaine de \(f(x)=\ln(x^2-1)\)
- Dériver \(g(x)=\ln(x^2+4x+5)\)
- Résoudre \(\ln(x-1)=\ln(2x-2)\)
- Résoudre \(\ln(x+2)>0\)
💡 Indice
- Pour le domaine, imposer \(x^2-1>0\).
- Pour l’équation, comparer les arguments après avoir posé les conditions d’existence.
✅ Solution détaillée
Aucune solution.
Exercice 13 — Résolution avec propriétés algébriques
Tle STI2DSimplifier ou résoudre :
- \(\ln(2)+\ln(x)\)
- \(\ln(5x)-\ln(x)\) avec \(x>0\)
- Résoudre \(\ln(x)+\ln(2)=\ln(14)\)
- Résoudre \(\ln(3x)-\ln(2)=0\)
💡 Indice
- Transformer les sommes et différences de logarithmes en logarithme d’un produit ou d’un quotient.
- Dans une équation, commencer par simplifier.
✅ Solution détaillée
Exercice 14 — Étude du signe d’une dérivée
Tle STI2DÉtudier le sens de variation des fonctions suivantes :
- \(f(x)=\ln(x)-x\)
- \(g(x)=2\ln(x)-1\)
- \(h(x)=x-\ln(x)\)
- \(k(x)=\ln(x)+\dfrac1x\)
💡 Indice
- Calculer la dérivée puis étudier son signe sur \(]0 ; +\infty[\).
- Pour \(\ln(x)-x\), on obtient souvent \(\dfrac{1-x}{x}\).
✅ Solution détaillée
Donc \(f\) est croissante sur \(]0 ; 1[\), puis décroissante sur \(]1 ; +\infty[\).
Donc \(k\) est décroissante sur \(]0 ; 1[\), puis croissante sur \(]1 ; +\infty[\).
• \(f\) : croissante puis décroissante
• \(g\) : croissante
• \(h\) : décroissante puis croissante
• \(k\) : décroissante puis croissante
Exercice 15 — Limites avec formes composées
Tle STI2DDéterminer les limites suivantes :
- \(\lim\limits_{x\to 0^+}(2\ln(x))\)
- \(\lim\limits_{x\to +\infty}(\ln(x)-10)\)
- \(\lim\limits_{x\to 0^+}(x\ln(x))\)
- \(\lim\limits_{x\to +\infty}\dfrac{\ln(x)}{x}\)
💡 Indice
- Les deux dernières limites sont classiques.
- On sait que \(x\ln(x)\to 0\) quand \(x\to 0^+\).
- On sait aussi que \(\dfrac{\ln(x)}{x}\to 0\) quand \(x\to +\infty\).
✅ Solution détaillée
Exercice 16 — Équations avec simplification préalable
Tle STI2DRésoudre :
- \(\ln(x^2)=4\) avec \(x\neq 0\)
- \(2\ln(x)=\ln(9)\)
- \(\ln(x)+\ln(x)=\ln(16)\)
- \(\ln(x-1)+\ln(2)=\ln(6)\)
💡 Indice
- Utiliser : \(2\ln(x)=\ln(x^2)\) si \(x>0\).
- Penser à vérifier les conditions d’existence avant de conclure.
✅ Solution détaillée
Exercice 17 — Inéquations avec simplification
Tle STI2DRésoudre :
- \(2\ln(x)>\ln(5)\)
- \(\ln(x)-\ln(2)\le 0\)
- \(\ln(x+1)+\ln(2)>\ln(10)\)
- \(\ln(4x)-\ln(x)<\ln(5)\) avec \(x>0\)
💡 Indice
- Transformer si possible en une seule expression logarithmique.
- La croissance de \(\ln\) permet ensuite de comparer les arguments.
✅ Solution détaillée
Donc tout \(x>0\) convient.
Exercice 18 — Étude d’une fonction logarithmique simple
Tle STI2DOn considère la fonction \(f\) définie par \(f(x)=\ln(x)-1\).
- Déterminer son domaine.
- Calculer sa dérivée.
- Étudier son sens de variation.
- Résoudre \(f(x)=0\).
💡 Indice
- Commencer par le domaine : l’argument du logarithme doit être positif.
- La constante \(-1\) n’influence pas la dérivée.
✅ Solution détaillée
Exercice 19 — Étude d’une fonction composée
Tle STI2DOn considère la fonction \(g\) définie par \(g(x)=\ln(2x+3)\).
- Déterminer son domaine.
- Calculer sa dérivée.
- Étudier son sens de variation.
- Résoudre \(g(x)=0\).
💡 Indice
- Le domaine se trouve en imposant \(2x+3>0\).
- Pour résoudre \(g(x)=0\), on utilise \(\ln(1)=0\).
✅ Solution détaillée
Ainsi \(g\) est strictement croissante sur \(]-\dfrac32 ; +\infty[\).
Exercice 20 — Bilan final complet
Tle STI2DRépondre complètement :
- Déterminer le domaine de \(f(x)=\ln\!\left(\dfrac{x-1}{x+2}\right)\)
- Dériver \(g(x)=\ln(x)-x\)
- Résoudre \(\ln(x+2)=1\)
- Résoudre \(\ln(2x-1)\ge 0\)
💡 Indice
- Pour le domaine, il faut imposer \(\dfrac{x-1}{x+2}>0\).
- Pour l’inéquation, comparer avec \(\ln(1)=0\).
✅ Solution détaillée
On obtient