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Chapitre 9 — Analyse

Fonction logarithme népérien

Propriétés algébriques de ln. Équations, continuité, dérivée, limites.

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Capacités exigibles — Programme officiel (BO)

  • Utiliser l'équation fonctionnelle de l'exponentielle ou du logarithme pour transformer une écriture, résoudre une équation, une inéquation.
  • Dans le cadre d'une résolution de problème, utiliser les propriétés des fonctions exponentielle et logarithme.

Démonstrations exigibles — Programme officiel (BO)

  • Calcul de la fonction dérivée de la fonction logarithme népérien, la dérivabilité étant admise.
  • Limite en \(0\) de \(x \mapsto x\ln(x)\).

Exemples d'algorithme — Programme officiel (BO)

  • Algorithme de Briggs pour le calcul du logarithme.

1. Introduction

Le logarithme népérien est la fonction réciproque de la fonction exponentielle. Il est défini sur \(]0\,;\,+\infty[\) et joue un rôle central en analyse : il permet de linéariser des équations exponentielles, d'étudier des croissances, et fournit une primitive fondamentale de \(\dfrac{1}{x}\).

Sa propriété algébrique clé — transformer les produits en sommes — en fait un outil précieux tant pour le calcul que pour la modélisation (décroissance radioactive, acoustique en décibels, échelle de Richter…).

Prérequis : fonction exponentielle, dérivation, limites de fonctions, étude de fonctions (tableau de variations).

2. Cours

A — Propriétés algébriques

Propriétés fondamentales du logarithme
Pour tous réels \(a > 0\) et \(b > 0\) : \[ \ln(ab) = \ln(a) + \ln(b) \] \[ \ln\!\left(\frac{a}{b}\right) = \ln(a) - \ln(b) \] \[ \ln(a^n) = n\ln(a) \quad \text{pour tout entier } n \in \mathbb{Z} \] \[ \ln(1) = 0 \qquad \ln(e) = 1 \] \[ \ln(e^a) = a \qquad e^{\ln(a)} = a \text{ pour } a > 0 \] Le domaine de définition de \(\ln\) est \(]0\,;\,+\infty[\).
Erreurs fréquentes à éviter :
  • \(\ln(a+b) \neq \ln(a)+\ln(b)\) — le \(\ln\) transforme les produits, pas les sommes !
  • \(\ln(-x)\) n'existe pas pour \(x > 0\).
  • \(\ln(0)\) n'existe pas.

B — Équations avec logarithme et exponentielle

B.1 — Équation de la forme \(\ln(X) = a\)
\[ \ln(X) = a \;\Leftrightarrow\; X = e^a \quad (\text{avec la condition } X > 0, \text{ automatiquement vérifiée car } e^a > 0) \] Méthode :
  1. Déterminer le domaine de validité (l'expression dans le \(\ln\) doit être \(> 0\)).
  2. Appliquer la bijection : \(\ln(X) = a \Leftrightarrow X = e^a\).
  3. Vérifier que la solution appartient au domaine.
B.2 — Équation de la forme \(e^X = a\)
  • Si \(a \leq 0\) : pas de solution (car \(e^X > 0\) toujours).
  • Si \(a > 0\) : l'unique solution est \(X = \ln(a)\).

C — Étude de la fonction logarithme

C.1 — Continuité et limites
\(\ln\) est continue et strictement croissante sur \(]0\,;\,+\infty[\). \[ \lim_{x \to 0^+} \ln(x) = -\infty \qquad \lim_{x \to +\infty} \ln(x) = +\infty \] Croissances comparées : pour tout entier \(k \geq 1\) : \[ \lim_{x \to +\infty} \frac{\ln(x)}{x^k} = 0 \qquad \text{(\(\ln\) croît moins vite que toute puissance de } x) \] \[ \lim_{x \to 0^+} x^k \ln(x) = 0 \qquad \text{(\(x^k\) l'emporte sur } |\ln(x)| \text{ en } 0^+) \]
C.2 — Dérivée du logarithme
\[ (\ln x)' = \frac{1}{x} \quad \text{sur } ]0\,;\,+\infty[ \] Dérivée de la composée : si \(u > 0\) sur \(I\) et \(u\) est dérivable : \[ \bigl(\ln(u(x))\bigr)' = \frac{u'(x)}{u(x)} \]
Mémo : reconnaître la forme \(\dfrac{u'}{u}\) dans une expression, c'est repérer la dérivée d'un \(\ln\). Très utile pour les primitives !

3. Exemples guidés

Exemple 1 — Simplification d'une expression

Simplifier \(A = \ln(8) + \ln(3) - \ln(6) + 2\ln(2)\).

Étape 1 : Transformer \(2\ln(2) = \ln(2^2) = \ln(4)\).

Étape 2 : Regrouper avec les propriétés : \[ A = \ln(8) + \ln(3) + \ln(4) - \ln(6) = \ln\!\left(\frac{8 \times 3 \times 4}{6}\right) = \ln(16) \]

Étape 3 : \(\ln(16) = \ln(2^4) = 4\ln(2)\).

Résultat : \(A = 4\ln(2)\).

Exemple 2 — Résoudre \(\ln(x+1) = 2\)

Domaine : \(x + 1 > 0 \Leftrightarrow x > -1\).

Résolution : \[ \ln(x+1) = 2 \Leftrightarrow x+1 = e^2 \Leftrightarrow x = e^2 - 1 \]

Vérification : \(e^2 - 1 \approx 6{,}39 > -1\) ✓.

Conclusion : La solution est \(x = e^2 - 1\).

Exemple 3 — Résoudre \(\ln(x) + \ln(x+2) = \ln(3)\)

Domaine : \(x > 0\) et \(x + 2 > 0\), donc \(x > 0\).

Transformation : \[ \ln(x) + \ln(x+2) = \ln(3) \Leftrightarrow \ln\bigl(x(x+2)\bigr) = \ln(3) \Leftrightarrow x(x+2) = 3 \]

Équation du second degré : \[ x^2 + 2x - 3 = 0 \Leftrightarrow (x+3)(x-1) = 0 \Rightarrow x = -3 \text{ ou } x = 1 \]

Sélection : \(x = -3 \notin ]0\,;\,+\infty[\) donc on rejette. L'unique solution est \(x = 1\).

Exemple 4 — Dériver des fonctions composées

\(f(x) = \ln(x^2 + 1)\) : ici \(u = x^2+1 > 0\), \(u' = 2x\). \[ f'(x) = \frac{2x}{x^2+1} \]

\(g(x) = x\ln(x) - x\) sur \(]0\,;\,+\infty[\) : \[ g'(x) = 1 \cdot \ln(x) + x \cdot \frac{1}{x} - 1 = \ln(x) + 1 - 1 = \ln(x) \]

Conclusion : \(g\) est une primitive de \(\ln(x)\), c'est-à-dire \(\displaystyle\int \ln(x)\,dx = x\ln(x) - x + C\).

Exemple 5 — Étude complète de \(f(x) = x - \ln(x)\) sur \(]0\,;\,+\infty[\)

Dérivée : \(f'(x) = 1 - \dfrac{1}{x} = \dfrac{x-1}{x}\).

Signe de \(f'\) :

  • \(f'(x) < 0\) si \(0 < x < 1\) : \(f\) est décroissante.
  • \(f'(x) > 0\) si \(x > 1\) : \(f\) est croissante.

Minimum : en \(x = 1\), \(f(1) = 1 - \ln(1) = 1 - 0 = 1\).

Conclusion : \(f(x) \geq 1 > 0\) pour tout \(x > 0\), ce qui donne l'inégalité classique : \[ \boxed{\ln(x) \leq x - 1 \quad \text{pour tout } x > 0} \] avec égalité seulement en \(x = 1\).

4. Exercices progressifs

⭐ Facile Exercice 1 — Calculs algébriques

  1. Simplifier \(A = 3\ln(2) + \ln(4) - \ln(8)\).
  2. Résoudre \(\ln(x) = 4\).

1. \(3\ln(2) = \ln(2^3) = \ln(8)\) et \(\ln(4) = \ln(2^2)\). \[ A = \ln(8) + \ln(4) - \ln(8) = \ln(4) = 2\ln(2) \]

2. Domaine : \(x > 0\). \[ \ln(x) = 4 \Leftrightarrow x = e^4 \]

⭐ Facile Exercice 2 — Équations exponentielles et logarithmiques

Résoudre dans \(\mathbb{R}\) :

  1. \(e^{2x+1} = 5\)
  2. \(\ln(3x - 1) = 0\)

1. \[ e^{2x+1} = 5 \Leftrightarrow 2x+1 = \ln(5) \Leftrightarrow x = \frac{\ln(5)-1}{2} \]

2. Domaine : \(3x - 1 > 0 \Leftrightarrow x > \dfrac{1}{3}\). \[ \ln(3x-1) = 0 \Leftrightarrow 3x-1 = e^0 = 1 \Leftrightarrow 3x = 2 \Leftrightarrow x = \frac{2}{3} \] Vérification : \(\dfrac{2}{3} > \dfrac{1}{3}\) ✓. Solution : \(x = \dfrac{2}{3}\).

⭐⭐ Moyen Exercice 3 — Équation avec domaine à préciser

Résoudre \(\ln(x^2 - 4x + 3) = 0\) en précisant soigneusement le domaine de validité.

Domaine : il faut \(x^2 - 4x + 3 > 0\).

Racines : \(x^2 - 4x + 3 = (x-1)(x-3) = 0\) donc \(x = 1\) ou \(x = 3\). Le trinôme est \(> 0\) pour \(x < 1\) ou \(x > 3\). Domaine : \(D = ]-\infty\,;\,1[ \cup ]3\,;\,+\infty[\).

Résolution : \[ \ln(x^2-4x+3) = 0 \Leftrightarrow x^2 - 4x + 3 = 1 \Leftrightarrow x^2 - 4x + 2 = 0 \] Discriminant : \(\Delta = 16 - 8 = 8\). Racines : \(x = \dfrac{4 \pm 2\sqrt{2}}{2} = 2 \pm \sqrt{2}\).

Sélection dans \(D\) : \(x_1 = 2 - \sqrt{2} \approx 0{,}59 < 1\) ✓ et \(x_2 = 2 + \sqrt{2} \approx 3{,}41 > 3\) ✓.

Les deux solutions sont \(x = 2 - \sqrt{2}\) et \(x = 2 + \sqrt{2}\).

⭐⭐ Moyen Exercice 4 — Dérivation et maximum

  1. Dériver \(f(x) = \ln(2x^2 - x + 3)\) sur son domaine de définition.
  2. Dériver \(g(x) = \dfrac{\ln(x)}{x}\) sur \(]0\,;\,+\infty[\) et trouver le maximum de \(g\).

1. Discriminant de \(2x^2-x+3\) : \(\Delta = 1 - 24 = -23 < 0\). Donc \(2x^2 - x + 3 > 0\) pour tout \(x\), domaine : \(\mathbb{R}\). \[ f'(x) = \frac{4x - 1}{2x^2 - x + 3} \]

2. En utilisant la règle du quotient (\(u = \ln x\), \(v = x\)) : \[ g'(x) = \frac{\tfrac{1}{x} \cdot x - \ln(x) \cdot 1}{x^2} = \frac{1 - \ln(x)}{x^2} \]

Signe de \(g'\) : \(g'(x) > 0 \Leftrightarrow \ln(x) < 1 \Leftrightarrow x < e\).
Donc \(g\) est croissante sur \(]0\,;\,e[\) et décroissante sur \(]e\,;\,+\infty[\).

Maximum atteint en \(x = e\) : \(g(e) = \dfrac{\ln(e)}{e} = \dfrac{1}{e}\).

⭐⭐⭐ Difficile Exercice 5 — Étude complète de \(h(x) = \ln(x) - \sqrt{x}\)

Étudier la fonction \(h(x) = \ln(x) - \sqrt{x}\) sur \(]0\,;\,+\infty[\) : dresser le tableau de variations complet et trouver les extrema.

Dérivée : \[ h'(x) = \frac{1}{x} - \frac{1}{2\sqrt{x}} = \frac{1}{x} - \frac{1}{2\sqrt{x}} \] On réduit au même dénominateur \(2x\) : \[ h'(x) = \frac{2\sqrt{x} - x}{2x} = \frac{\sqrt{x}(2 - \sqrt{x})}{2x} = \frac{2 - \sqrt{x}}{2\sqrt{x}} \]

Signe de \(h'\) : \(h'(x) > 0 \Leftrightarrow 2 - \sqrt{x} > 0 \Leftrightarrow \sqrt{x} < 2 \Leftrightarrow x < 4\).

\(h\) est croissante sur \(]0\,;\,4[\), décroissante sur \(]4\,;\,+\infty[\).

Maximum en \(x = 4\) : \[ h(4) = \ln(4) - \sqrt{4} = \ln(4) - 2 = 2\ln(2) - 2 \approx 1{,}386 - 2 = -0{,}614 \]

Limites : \[ \lim_{x \to 0^+} h(x) = -\infty - 0 = -\infty \] \[ \lim_{x \to +\infty} h(x) = \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x}\!\left(\frac{\ln x}{\sqrt{x}} - 1\right) = +\infty \times (0 - 1) = -\infty \] (car \(\frac{\ln x}{\sqrt{x}} \to 0\) par croissances comparées).

Tableau de variations :

\(x\) \(0^+\) \(4\) \(+\infty\)
\(h'(x)\) \(+\) \(0\) \(-\)
\(h(x)\) \(-\infty\) \(2\ln 2-2\) \(-\infty\)

\(h\) admet un maximum (global) en \(x = 4\) valant \(2\ln(2)-2 \approx -0{,}614\). La fonction \(h\) est toujours négative.

⭐⭐⭐ Difficile Exercice 6 — Démontrer l'inégalité \(\ln(x) \leq x - 1\)

Montrer que pour tout \(x > 0\) : \(\ln(x) \leq x - 1\), avec égalité si et seulement si \(x = 1\).

On pose \(f(x) = \ln(x) - x + 1\) sur \(]0\,;\,+\infty[\). Il s'agit de montrer que \(f(x) \leq 0\) pour tout \(x > 0\).

Dérivée : \[ f'(x) = \frac{1}{x} - 1 = \frac{1-x}{x} \]

Signe : \(f'(x) > 0\) si \(x < 1\) et \(f'(x) < 0\) si \(x > 1\).

Donc \(f\) atteint un maximum en \(x = 1\) : \[ f(1) = \ln(1) - 1 + 1 = 0 \]

Conclusion : pour tout \(x > 0\), \(f(x) \leq f(1) = 0\), soit \[ \boxed{\ln(x) \leq x - 1} \] avec égalité uniquement en \(x = 1\).

📌 Fiche de synthèse

Propriétés algébriques clés

  • \(\ln(ab) = \ln a + \ln b\) — les produits deviennent des sommes.
  • \(\ln(a^n) = n\ln a\) — les exposants descendent devant.
  • \(\ln(1) = 0\), \(\ln(e) = 1\).
  • \(e^{\ln a} = a\) et \(\ln(e^a) = a\) — \(\ln\) et \(\exp\) sont réciproques.

Résolution d'équations

  • \(\ln(f(x)) = a \Leftrightarrow f(x) = e^a\) (avec \(f(x) > 0\)).
  • \(e^{g(x)} = b\) : si \(b \leq 0\) → pas de solution ; si \(b > 0\) → \(g(x) = \ln b\).
  • Toujours préciser le domaine avant de résoudre.

Dérivée et limites

  • \((\ln x)' = \dfrac{1}{x}\) ; \((\ln u)' = \dfrac{u'}{u}\).
  • \(\lim_{x\to 0^+} \ln x = -\infty\) ; \(\lim_{x\to+\infty} \ln x = +\infty\).
  • Croissances comparées : \(\dfrac{\ln x}{x^k} \to 0\) et \(x^k \ln x \to 0\) en \(0^+\).

Inégalité fondamentale

\(\ln(x) \leq x - 1\) pour tout \(x > 0\), égalité en \(x = 1\).

📐 Démonstrations exigibles

Ces démonstrations sont exigibles au baccalauréat — Terminale Spécialité Mathématiques.

Dérivée du logarithme népérien

Théorème / Énoncé

La fonction \(\ln\) est dérivable sur \(\mathbb{R}_+^*\) et \(\ln'(x) = \dfrac{1}{x}\).

Démonstration

On admet que \(\ln\) est dérivable sur \(\mathbb{R}_+^*\). Pour tout \(x > 0\), la relation fondamentale \(\exp(\ln(x)) = x\) est vraie par définition de \(\ln\).

En dérivant les deux membres par rapport à \(x\) (règle de dérivation des fonctions composées) :

\[\ln'(x) \cdot \exp(\ln(x)) = 1\] \[\ln'(x) \cdot x = 1\] \[\ln'(x) = \frac{1}{x} \quad \square\]

Limite de \(x\ln(x)\) en \(0^+\)

Théorème / Énoncé

\(\displaystyle\lim_{x\to 0^+} x\ln(x) = 0\)

Démonstration

On effectue le changement de variable \(t = -\ln(x)\), soit \(x = e^{-t}\).

Quand \(x \to 0^+\) : \(\ln(x) \to -\infty\), donc \(t = -\ln(x) \to +\infty\).

On calcule :

\[x\ln(x) = e^{-t} \cdot (-t) = -\frac{t}{e^t}\]

Or, par croissances comparées (démontrées au chapitre 4) : \(\dfrac{t}{e^t} \xrightarrow[t\to+\infty]{} 0\).

Donc \(\displaystyle\lim_{x\to 0^+} x\ln(x) = 0\). \(\square\)

💻 Exemples d'algorithme

Algorithmes au programme de ce chapitre, à implémenter en Python.

Algorithme de Briggs pour le calcul du logarithme

L'algorithme de Briggs calcule \(\ln(a)\) en extrayant des racines carrées successives jusqu'à obtenir une valeur proche de 1, où \(\ln(x) \approx x - 1\).

import math

def ln_briggs(a, n=50):
    """
    Calcule ln(a) par l'algorithme de Briggs.
    Principe : ln(a) = 2^n * ln(a^(1/2^n)) et ln(x) ≈ x - 1 pour x proche de 1.
    """
    x = a
    coeff = 1.0
    for _ in range(n):
        x = x ** 0.5    # x ← racine carrée de x
        coeff *= 2      # compensé par le facteur 2^n final
    # Maintenant x est très proche de 1 : ln(x) ≈ x - 1
    return coeff * (x - 1)

print(f"ln(2)  par Briggs : {ln_briggs(2):.10f}")
print(f"ln(2)  exact      : {math.log(2):.10f}")
print(f"ln(10) par Briggs : {ln_briggs(10):.10f}")
print(f"ln(10) exact      : {math.log(10):.10f}")
print(f"ln(0.5) par Briggs: {ln_briggs(0.5):.10f}")
print(f"ln(0.5) exact     : {math.log(0.5):.10f}")