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Leçon 1

Définition de la fonction exponentielle

Vidéo 1 : Définition de la fonction exponentielle · 4 min 31 s · sous-titres en français

Le cours écrit

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 f(t)f(t) est la masse à l'instant tt, la vitesse à laquelle elle change est le nombre dérivé f′(t)f'(t), et la situation s'écrit f′(t)=k f(t).f'(t) = k\,f(t). Le cas le plus simple est k=1k = 1 : on cherche une fonction égale à sa dérivée.

1.2 Aucune fonction connue ne convient

f(x)f(x) x2x^2 x3x^3 1x\dfrac{1}{x}
f′(x)f'(x) 2x2x 3x23x^2 −1x2-\dfrac{1}{x^2}

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 ff, dérivable sur R\mathbb{R}, telle que f′=fetf(0)=1.f' = f \quad \text{et} \quad f(0) = 1. Cette fonction s'appelle la fonction exponentielle. On la note exp⁡\exp, et on lit « exp de xx » pour exp⁡(x)\exp(x).

L'existence et l'unicité sont admises. On retient donc : exp⁡′=exp⁡etexp⁡(0)=1.\exp' = \exp \quad \text{et} \quad \exp(0) = 1.

1.4 Sur la courbe

Dire que exp⁡′(x)=exp⁡(x)\exp'(x) = \exp(x), 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 exp⁡′(0)=exp⁡(0)=1\exp'(0) = \exp(0) = 1. La tangente à la courbe au point d'abscisse 00 a pour équation y=exp⁡(0)+exp⁡′(0)(x−0)y = \exp(0) + \exp'(0)(x - 0), soit y=x+1.y = x + 1. Près de 00, la courbe et sa tangente se confondent presque. C'est l'approximation linéaire du chapitre 5 : pour hh proche de 00, exp⁡(h)≈1+h.\exp(h) \approx 1 + h.

Exemple 1. exp⁡(0,01)≈1,01\exp(0{,}01) \approx 1{,}01 et exp⁡(−0,02)≈0,98\exp(-0{,}02) \approx 0{,}98.

1.6 Dériver avec exp

La fonction exp⁡\exp se dérive avec les règles habituelles (somme, produit, quotient).

Exemple 2. Soit f(x)=3exp⁡(x)+x2f(x) = 3\exp(x) + x^2. Alors f′(x)=3exp⁡(x)+2xf'(x) = 3\exp(x) + 2x.

Exemple 3. Soit g(x)=xexp⁡(x)g(x) = x\exp(x). C'est un produit, avec u(x)=xu(x) = x et v(x)=exp⁡(x)v(x) = \exp(x) : g′(x)=1×exp⁡(x)+x×exp⁡(x)=(x+1)exp⁡(x).g'(x) = 1 \times \exp(x) + x \times \exp(x) = (x + 1)\exp(x).

1.7 Une autre valeur de départ

Soit cc un réel et f(x)=cexp⁡(x)f(x) = c\exp(x). Alors f′(x)=cexp⁡(x)=f(x)f'(x) = c\exp(x) = f(x) et f(0)=cexp⁡(0)=cf(0) = c\exp(0) = c. La fonction x↦cexp⁡(x)x \mapsto c\exp(x) est égale à sa dérivée et vaut cc en 00.

Exemple 4. La fonction x↦5exp⁡(x)x \mapsto 5\exp(x) est égale à sa dérivée et vaut 55 en 00.

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Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : utiliser la définition
  • Exercice 2 : égale à sa dérivée ?

Exercices du chapitre (PDF, 198 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 154 Ko)

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