Un levain qui gonfle, un capital qui rapporte des intérêts, une substance radioactive qui disparait, un colorant qui se dilue : dans tous ces cas, une grandeur change d'autant plus vite qu'elle est grande. Aucune des fonctions rencontrées jusqu'ici ne décrit ces phénomènes. Ce chapitre en introduit une nouvelle : la fonction égale à sa propre dérivée.
Le fil du chapitre est simple. On avance à petits pas le long de la courbe, et chaque pas multiplie la valeur par un même nombre. Cette seule idée explique la méthode d'Euler, la propriété , le lien avec les suites géométriques et le nombre .
Comme à l'épreuve anticipée, tout se fait ici sans calculatrice, sauf ce que l'on confie à Python. Quand une valeur approchée d'une exponentielle est nécessaire, l'énoncé la donne. Les encadrés « Automatisme » signalent ce qu'il faut savoir faire sans hésiter.
Leçon 1 : Définition de la fonction exponentielle
1.1 Une grandeur qui pousse d'autant plus vite qu'elle est grande
Un levain est un mélange de farine et d'eau qui fermente pour faire du pain. Plus il y en a, plus il gonfle vite : deux fois plus de levain, c'est une vitesse deux fois plus grande. Si est la masse à l'instant , la vitesse à laquelle elle change est le nombre dérivé , et la situation s'écrit Le cas le plus simple est : on cherche une fonction égale à sa dérivée.
1.2 Aucune fonction connue ne convient
À chaque fois, la fonction change de forme. Pour un polynôme, c'est même impossible : la dérivée d'un polynôme non nul a un degré de moins, donc elle ne lui est jamais égale. Seule la fonction nulle est égale à sa dérivée parmi les polynômes, et elle ne nous apprend rien.
1.3 Définition
Définition. Il existe une unique fonction , dérivable sur , telle que Cette fonction s'appelle la fonction exponentielle. On la note , et on lit « exp de » pour .
L'existence et l'unicité sont admises. On retient donc :
1.4 Sur la courbe
Dire que , c'est dire que la pente de la tangente en un point de la courbe est égale à l'ordonnée de ce point. Plus la courbe est haute, plus elle est raide : plus elle monte, plus elle monte vite.
1.5 Tangente au point d'abscisse 0
On a . La tangente à la courbe au point d'abscisse a pour équation , soit Près de , la courbe et sa tangente se confondent presque. C'est l'approximation linéaire du chapitre 5 : pour proche de ,
Exemple 1. et .
1.6 Dériver avec exp
La fonction se dérive avec les règles habituelles (somme, produit, quotient).
Exemple 2. Soit . Alors .
Exemple 3. Soit . C'est un produit, avec et :
1.7 Une autre valeur de départ
Soit un réel et . Alors et . La fonction est égale à sa dérivée et vaut en .
Exemple 4. La fonction est égale à sa dérivée et vaut en .
Leçon 2 : Construire l'exponentielle par la méthode d'Euler
2.1 L'idée
On sait que existe, mais on ne sait pas calculer . La méthode d'Euler avance à petits pas en suivant la tangente. Pour proche de , l'approximation par la tangente donne Pour la fonction exponentielle, , donc , c'est-à-dire Avancer d'un pas revient à multiplier par .
2.2 À la main
Exemple 5 (pas de ). On part de , où .
On obtient , une approximation grossière : la ligne brisée reste sous la courbe.
Exemple 6 (pas de ). Il faut quatre pas pour atteindre , et chaque pas multiplie par .
Plus le pas est petit, meilleure est l'approximation, mais plus il y a de calculs.
2.3 Le programme Python
def euler(h, n):
y = 1
Y = [y]
for i in range(n):
y = y + h * y
Y.append(y)
return Y
La fonction euler reçoit le pas h et le nombre de pas n. Elle renvoie la liste des valeurs . La ligne y = y + h * y s'écrit en langage naturel .
2.4 Les résultats
Exemple 7. Pour atteindre , on lit le dernier terme de la liste.
Appel Résultat affiché euler(0.5, 2)[1, 1.5, 2.25]euler(0.1, 10)[10]2.5937424601euler(0.01, 100)[100]2.704813829421526euler(0.001, 1000)[1000]2.716923932235896Python donne lui-même
exp(1)(avecfrom math import exp) :2.718281828459045. Les valeurs s'en approchent quand le pas diminue.
2.5 Vers la gauche
Avec un pas négatif, on avance vers la gauche.
Exemple 8. Avec
euler(-0.1, 10)[10], on arrive en . Le programme affiche0.3486784401, alors queexp(-1)vaut0.36787944117144233. Chaque pas multiplie par : la valeur diminue, sans s'annuler.
2.6 Une suite géométrique
À chaque pas, on multiplie par . Après pas, on a donc Les valeurs calculées forment une suite géométrique de raison . Cette remarque sert aux leçons 3, 7 et 9.
Leçon 3 : Relation fondamentale et nombre e
3.1 Un constat
La machine donne , et . Or . Aux arrondis près, : une somme dans la parenthèse, un produit à l'arrivée.
3.2 D'où cela vient
La méthode d'Euler donne une explication. Avec un pas : Avancer de deux longueurs revient à multiplier les deux facteurs. Ce n'est pas une démonstration, mais c'est la bonne idée.
3.3 La relation fondamentale
Propriété (admise). Pour tous réels et ,
Les mots « pour tous » comptent : la relation est vraie quels que soient les deux nombres, positifs, négatifs ou nuls.
Exemple 9. .
3.4 Conséquences
En prenant , on obtient, pour tout réel ,
L'exponentielle ne s'annule jamais. Raisonnons par l'absurde. Supposons qu'il existe un réel tel que . Alors . Or ce produit vaut : c'est impossible. Donc, pour tout réel , .
On peut alors diviser par :
3.5 Le nombre
Définition. Le nombre est l'image de par la fonction exponentielle :
Avec la relation fondamentale :
- ;
- ;
- .
Plus généralement, pour tout entier relatif , .
3.6 La notation
Cette écriture est si pratique qu'on l'étend à tous les réels.
Notation. Pour tout réel , on note .
Pour non entier, ce n'est pas un produit de facteurs répétés : c'est une notation. Elle est bien choisie, car les règles sont celles des puissances :
Automatisme. On écrit désormais partout. La dérivée de est .
Leçon 4 : Transformer une expression
4.1 Quatre règles
Propriétés. Pour tous réels et , et pour tout entier relatif :
| Règle | Formule |
|---|---|
| Produit | |
| Inverse | |
| Quotient | |
| Puissance |
Le quotient vient de l'inverse : diviser par , c'est multiplier par . Pour la puissance, multiplier fois par revient à ajouter fois dans l'exposant.
4.2 Avec des nombres
Exemple 10.
4.3 Avec une variable
Exemple 11. Pour tout réel :
- : on retranche tout l'exposant du bas.
4.4 Développer, factoriser
Les identités remarquables et la mise en facteur s'appliquent.
Exemple 12.
- : le double produit vaut .
4.5 Une fraction
Un exposant négatif disparait souvent en multipliant le haut et le bas par , ce qui est permis, car ce nombre n'est jamais nul.
Exemple 13. .
4.6 Trois pièges
Attention.
- Une somme ne se simplifie pas : n'est pas égal à . Pour , on trouverait et .
- n'est pas égal à . Pour , on trouverait et .
- , et non . Pour , on trouverait et .
Automatisme. En cas de doute sur une égalité, teste une valeur simple, souvent ou .
Leçon 5 : Signe, sens de variation et courbe
5.1 Signe
Propriété. Pour tout réel , .
En effet, : c'est un carré, donc il est positif ou nul. Et il n'est pas nul, car l'exponentielle ne s'annule jamais.
5.2 Sens de variation
Propriété. La fonction exponentielle est strictement croissante sur .
En effet, sa dérivée est elle-même, et elle est strictement positive.
| croissante | croissante | croissante |
Les deux extrémités du tableau restent vides : le comportement à l'infini sera étudié en Terminale.
5.3 Courbe
La courbe de la fonction exponentielle :
- passe par les points et ;
- reste au-dessus de l'axe des abscisses ; à gauche, elle s'en rapproche sans jamais le toucher ;
- monte de plus en plus vite à droite : ;
- a pour tangente au point d'abscisse ;
- a pour tangente au point d'abscisse , qui passe par l'origine du repère. En effet, cette tangente a pour équation .
| (valeur approchée) |
5.4 Comparer deux exponentielles
La fonction étant strictement croissante, pour tous réels et : En particulier, , et .
5.5 Résoudre
Exemple 14. .
Exemple 15. Comme , on a .
Exemple 16. Résolvons . On pose , et l'équation devient , de racines et . L'équation donne . L'équation n'a pas de solution, car une exponentielle est strictement positive. La seule solution est .
Attention. Une équation comme a bien une solution, mais nos outils ne permettent pas de l'écrire exactement. On utilise alors une valeur approchée donnée (leçon 8).
5.6 Une inégalité à connaitre
Propriété. Pour tout réel , . La courbe reste au-dessus de sa tangente au point d'abscisse .
Pourquoi ? Soit . Alors . La fonction exponentielle est strictement croissante et vaut en : est négatif avant et positif après.
| décroissante | croissante |
Le minimum de vaut . Donc pour tout réel .
5.7 Une étude complète
Exemple 17. Soit . C'est un produit : Comme , a le signe de .
décroissante croissante Le minimum de vaut .
Automatisme. Dans une dérivée, on met en facteur : ce facteur est strictement positif, et le signe se lit sur ce qui reste.
Leçon 6 : La fonction t ↦ exp(at)
6.1 Un premier cas
Soit . C'est un produit, avec :
6.2 La formule
Propriété. Pour tout réel , la fonction est dérivable sur , et sa dérivée est
Pourquoi ? Si , la fonction est constante, et la formule reste vraie. Si , soit . Le taux de variation entre et est Avec , le dernier quotient est le taux de variation de entre et . Quand se rapproche de , aussi, et ce taux se rapproche de . Il reste .
Exemple 18.
- a pour dérivée .
- a pour dérivée .
- a pour dérivée .
Exemple 19 (un produit). Soit . Alors .
6.3 Sens de variation
Comme , la dérivée a le signe de .
| Signe de | Fonction | |
|---|---|---|
| strictement croissante | ||
| strictement décroissante |
6.4 Les courbes de
Soit un réel strictement positif. Toutes les courbes de passent par le point , et la pente de la tangente en ce point vaut . Plus est grand, plus la courbe est raide. Toutes ces fonctions sont strictement croissantes.
6.5 Les courbes de
La valeur de en est la valeur de en . La courbe de est donc la symétrique de celle de par rapport à l'axe des ordonnées. Elle passe par , avec une pente égale à , et la fonction est strictement décroissante.
6.6 Représenter à la main
Trois points et une tangente suffisent.
Exemple 20. Représentons .
La tangente au point a pour pente . On relie les points par une courbe lisse, qui reste au-dessus de l'axe des abscisses.
Leçon 7 : Lien avec les suites géométriques
7.1 La suite de terme général
Propriété. Pour tout réel , la suite définie par est géométrique, de raison et de premier terme .
En effet, pour tout entier naturel , On peut aussi écrire .
7.2 Sur la courbe
Exemple 21. Pour des abscisses espacées de , chaque ordonnée s'obtient en multipliant la précédente par .
(valeur approchée)
Ajouter un même nombre à l'abscisse revient à multiplier l'ordonnée par un même nombre.
7.3 Sens de variation
| Signe de | Raison | Suite |
|---|---|---|
| strictement croissante | ||
| strictement décroissante |
Exemple 22. Pour : , , , . Les termes semblent se rapprocher de .
7.4 Un capital, en temps discret
Exemple 23. On place euros à par an, avec des intérêts versés une fois par an. Chaque année, le capital est multiplié par . Au bout de années, il vaut C'est une suite géométrique : le temps avance par sauts. On obtient euros.
7.5 Le même capital, en temps continu
Exemple 24. Imaginons des intérêts versés en continu : à chaque instant, le capital grandit à une vitesse égale à de sa valeur. On a et où est un réel positif. Pour tout entier, , avec : aux instants entiers, on retrouve une suite géométrique. Et euros. Les deux modèles sont très proches.
7.6 Discret et continu
| Temps discret | Temps continu | |
|---|---|---|
| Variable | entier | réel |
| Évolution | ||
| Expression |
Les deux modèles sont reliés par . À partir de , on calcule . L'inverse, retrouver à partir de , demandera un outil de Terminale.
7.7 Un peu d'histoire
La notation exponentielle et les fonctions exponentielles apparaissent vers la fin du XVIIe siècle. On cherche alors à traiter des phénomènes de croissance comparables à ceux des intérêts composés. La modélisation de ces situations fait apparaitre naturellement la caractérisation de ce chapitre : la seule fonction telle que et .
Leçon 8 : Modéliser une croissance ou une décroissance exponentielle
8.1 Reconnaitre une évolution exponentielle
- En continu : la vitesse de variation est proportionnelle à la valeur, . Alors . On le vérifie en dérivant, et on admet que c'est la seule possibilité.
- Sur des mesures à intervalles réguliers : le rapport de deux mesures successives est constant.
Si , c'est une croissance. Si , c'est une décroissance.
8.2 Une croissance : un levain
Exemple 25. Un levain pèse grammes à l'instant , et sa masse suit , où est en heures. Alors la vitesse est bien proportionnelle à la masse.
(valeur approchée) Le rapport de deux valeurs successives reste proche de .
8.3 Une équation sans solution exacte à notre niveau
Exemple 26. Quand le levain aura-t-il triplé ? On cherche tel que . Nos outils ne permettent pas de résoudre cette équation de manière exacte. On utilise une valeur donnée : . Il faut donc , soit . Le levain triple en h min environ. Et comme , il triple encore pendant les h min suivantes, quelle que soit sa masse.
8.4 Une décroissance radioactive
Le nombre de noyaux qui disparaissent en une année est proportionnel au nombre de noyaux présents.
Exemple 27. Pour le césium 137, , où est en années. Avec : La moitié des noyaux a disparu.
8.5 La demi-vie
Pour tout instant , : à partir de n'importe quel instant, il faut ans pour diviser par deux. Cette durée s'appelle la demi-vie.
| Part des noyaux restants |
Selon le modèle, la courbe ne touche jamais l'axe des abscisses.
8.6 Une dilution
Exemple 28. Un bassin de litres contient un colorant, à la concentration de grammes par litre. On fait entrer de l'eau claire, et le mélange sort au même débit, litres par minute. La concentration suit , où est en minutes.
Après minutes, grammes par litre. De plus, , donc : au départ, la concentration baisse de gramme par litre par minute, puis de moins en moins vite.
8.7 La méthode
- Repérer ce qui est proportionnel ; fixer la variable et son unité.
- Écrire , avec le bon signe de .
- Dériver : sens de variation et vitesse.
- Répondre, avec une valeur donnée si l'équation ne se résout pas.
- Conclure par une phrase, avec l'unité. Un modèle a ses limites : il décrit bien la réalité sur une certaine période seulement.
Leçon 9 : Valeur approchée de e avec Python
9.1 Des intérêts de plus en plus fréquents
Un euro est placé un an à .
| Versements | Capital au bout d'un an |
|---|---|
| fois | |
| fois | |
| fois | |
| fois |
Plus on verse souvent, plus on gagne, mais le gain semble se stabiliser.
9.2 Le lien avec la méthode d'Euler
Avec un pas , on atteint en pas, et chaque pas multiplie par . On obtient exactement une valeur approchée d'autant meilleure que est grand.
9.3 Le programme
def u(n):
return (1 + 1 / n) ** n
for k in range(1, 7):
n = 10 ** k
print(n, u(n))
9.4 Les résultats
Exemple 29.
nu(n)102.59374246010000231002.704813829421528510002.7169239322355936100002.71814592682492551000002.718268237192297510000002.7182804690957534Python donne
e(avecfrom math import e) :2.718281828459045. Pour , cinq décimales sont justes. Chaque fois que est multiplié par , on gagne environ une décimale.
Ces résultats permettent de conjecturer que la suite se rapproche de quand devient grand. L'exercice 18 le justifie par un encadrement.
9.5 Un seuil
from math import e
def seuil(p):
n = 1
while e - u(n) >= p:
n = n + 1
return n
Exemple 30.
seuil(0.1)renvoie13etseuil(0.01)renvoie135.
9.6 Les limites de la machine
Exemple 31.
u(10**15)affiche3.035035206549262, etu(10**16)affiche1.0. La machine garde un nombre limité de chiffres : pour , elle remplace par , et . Ce n'est pas la suite qui a changé, c'est le calcul. Un résultat numérique se vérifie toujours.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
- Définition : est l'unique fonction dérivable sur telle que et . On note , avec .
- Euler : un pas multiplie la valeur par ; après pas, on obtient .
- Calculs : , , , . Une somme d'exponentielles ne se simplifie pas.
- Étude : , et est strictement croissante. Tangentes en et en . Pour tout réel , .
- Comparer : et .
- Dérivée : a pour dérivée . Croissante si , décroissante si .
- Courbes : pour , celles de et de passent par et sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées.
- Suites : est géométrique de raison ; temps discret et temps continu sont reliés par .
- Modéliser : donne . La demi-vie est la durée qui divise la quantité par deux.
- Le nombre e : la suite de terme général en donne des valeurs approchées.
Rituel d'automatismes
Douze questions à réponses courtes, sans calculatrice, à faire en dix minutes environ : six sur ce chapitre, six sur des automatismes déjà travaillés. C'est le format de la première partie de l'épreuve anticipée. Télécharger le rituel du chapitre 11 (PDF, avec son corrigé).