3.1 Sens de variation et comparaison
Propriété. La fonction ln est strictement croissante sur ]0;+∞[.
Démonstration. Soient 0<a<b. Si l'on avait lna≥lnb, la croissance de l'exponentielle donnerait a=elna≥elnb=b, ce qui est faux. Donc lna<lnb.
Conséquences. Pour tous réels a>0 et b>0 :
lna=lnb⟺a=betlna<lnb⟺a<b.
On les utilise avec celles de l'exponentielle, vraies pour tous réels a et b : ea=eb⟺a=b et ea<eb⟺a<b.
3.2 Signe du logarithme
Comme ln1=0 et que ln est strictement croissante :
- lnx<0⟺0<x<1 ;
- lnx=0⟺x=1 ;
- lnx>0⟺x>1.
Par exemple, ln0,5<0 et ln3>0.
3.3 La méthode
- Chercher où l'équation a un sens : tout ce qui est dans un logarithme doit être strictement positif.
- Transformer l'équation, avec les règles de la leçon 2, pour comparer deux logarithmes ou deux exponentielles. Un réel k s'écrit k=ln(ek), et un réel k>0 s'écrit k=elnk.
- Résoudre avec les équivalences de 3.1.
- Garder seulement les solutions qui sont dans l'ensemble trouvé à l'étape 1.
Les équivalences les plus utilisées : pour tout réel k, lnx=k⟺x=ek et lnx<k⟺0<x<ek ; pour tout réel k>0, ex=k⟺x=lnk et ex<k⟺x<lnk.
3.4 Équations
Exemple 9. Résoudre lnx+ln(x−3)=ln10.
- Il faut x>0 et x−3>0, c'est-à-dire x>3.
- Pour x>3 : ln(x(x−3))=ln10.
- Donc x2−3x=10, soit x2−3x−10=0, c'est-à-dire (x−5)(x+2)=0 : x=5 ou x=−2.
- Seul 5 est strictement supérieur à 3. S={5}. Vérification : ln5+ln2=ln10.
Exemple 10. Résoudre e2x−1=7. Comme 7>0 : 2x−1=ln7, donc x=21+ln7≈1,473.
Exemple 11. Résoudre ln(2x+1)=3. Il faut 2x+1>0, soit x>−21. Alors 2x+1=e3, donc x=2e3−1≈9,543, qui vérifie bien x>−21.
3.5 Inéquations
Exemple 12. Résoudre ln(3−x)≥1. Il faut 3−x>0, soit x<3. Comme 1=lne et que ln est croissante : 3−x≥e, soit x≤3−e≈0,282. Ces nombres vérifient bien x<3. S=]−∞;3−e].
Exemple 13. Résoudre e−0,5x<0,2. Comme 0,2=eln0,2 : −0,5x<ln0,2. On divise par −0,5, qui est négatif : le sens de l'inégalité change, x>−2ln0,2. Or ln0,2=ln(51)=−ln5, donc x>2ln5≈3,219. S=]2ln5;+∞[.
Exemple 14. Résoudre ln(x−1)<ln(5−x). Il faut x>1 et x<5. Sur ]1;5[ : x−1<5−x⟺x<3. S=]1;3[.
3.6 Un changement de variable
Exemple 15. Résoudre e2x−5ex+6=0. On pose X=ex, avec X>0 ; comme e2x=(ex)2=X2, l'équation devient X2−5X+6=0, soit (X−2)(X−3)=0. Donc ex=2 ou ex=3 : S={ln2;ln3}.
Exemple 16. Résoudre (lnx)2−lnx−2=0 sur ]0;+∞[. On pose X=lnx : X2−X−2=0, soit (X−2)(X+1)=0. Donc lnx=2 ou lnx=−1 : S={e1;e2}.