Retour

pbm_008d.tex

Télécharger le fichier
\exo {\' Etude d'une fonction comportant un logarithme}
 
\let \partie \centerpartie
 
Dans tout le problème, le plan $P$ est rapporté à un repère
orthonormal $(O, \vec \imath, \vec \jmath \,)$ d'unité graphique
2~cm.
 
Soit $f$ la fonction définie sur $]0, +\infty [$ par
$$
   f (x) = {x+2+\ln x\over x}.
$$
 
La courbe représentative $C$ de la fonction $f$ dans le repère $(O,
\vec \imath, \vec \jmath \,)$ est tracée sur la feuille ci-jointe
({\bf à compléter au fur et à mesure et à rendre avec la copie}).
 
\partie {I -- \' Etude de la fonction $f$}
 
\itemnum Déterminer graphiquement la limite de $f$ en $0$ (aucun
calcul n'est démandé). 
 
\itemitemalphnum  Vérifier que pour tout $x$ de $]0, +\infty [$,
$$
   f (x) = 1 + {2\over x} + {\ln x \over x}.
$$
 
\itemitemalph Déterminer la limite de $f$ en $+\infty $.
 
\itemitemalph En déduire l'existence d'une asymptote $D$ à la courbe
$C$. Donner son équation et la tracer sur la feuille ci-jointe.
 
\itemitemalphnum Prouver que, pour tout $x$ de $]0, +\infty [$,
$$
   f' (x) = {-1-\ln x\over x^2}.
$$
 
\itemitemalph \' Etudier le signe de $f' (x)$, et montrer que $f' (x)$
s'annule en changeant de signe en $1/e$. 
 
\itemitemalph \' Etablir le tableau de variation de $f$. Dans ce
tableau, on donnera la valeur exacte du maximum de~$f$.
 
\partie {II -- Position relative de deux courbes}
 
\itemnum Soit $g$ la fonction définie sur $]0, +\infty [$ par
$$
   g (x) = {x+2\over x}
$$
et $H$ la courbe représentative de $g$ dans le repère $(O, \vec \imath
, \vec \jmath )$.
 
\itemitemalph Calculer les limites de $g$ aux bornes de son intervalle
de définition.
 
\itemitemalph Soit $g'$ la fonction dérivée de la fonction
$g$. Calculer $g' (x)$ pour $x\in ]0; +\infty [$.
 
\itemitemalph En déduire le tableau de variation de la fonction $g$.
 
\itemnum Donner les équations des deux asymptotes de la courbe
$H$.
 
\itemitemalphnum Calculer $f (x) - g (x)$  et étudier son signe.
 
\itemitemalph Montrer que les deux courbes $C$ et $H$ se coupent en un
point $K$ d'abscisse~1.
 
\itemitemalph \' Etudier la position relative des deux courbes $C$ et
$H$.
 
\itemnum Placer le point $K$ et construire la courbe $H$ sur la
feuille ci-jointe.
 
\partie {III -- Calcul d'une aire}
 
On note $A$ l'aire du domaine plan limité par les courbes
$C$ et $H$ et par les droites d'équation $x=1$ et $x=e^2 $.
 
\itemnum Hachurer l'aire
correspondante sur le graphique (feuille ci-jointe) à rendre avec la
copie.
 
\itemnum Soit $u$ la fonction définie sur $]0, +\infty [$ par
$$
   u (x) = {1\over 2} \big( \ln x \big) ^2.
$$
Vérifier que $u$ est une primitive de \smash {$\displaystyle {\ln x\over x}$}
sur $]0, +\infty [$.
 
\itemnum Calculer $A$ en cm$^2$.
 
%% \centerline {\fourteenbf Feuille annexe (à rendre avec la copie)}
%% 
%% \def \epspath {%
%%    $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/ln/}
%% 
%% \catcode`\|=12
%% 
%% \input /usr/share/texmf/tex/generic/pstricks/pstricks.tex
%% %%\epsfxsize = 210mm
%% 
%% \psset{unit=1pt}
%% \pspicture(-37.98,-53.23)(342.86,431.76)
%% %% \pspicture(-61.66,-53.23)(603.33,211.76)
%% \psset{xunit=54.16,yunit=30.48}
%% %% \psset{xunit=30.48,yunit=30.48}
%% \rput{90}(5,2.6){\epsfbox{\epspath pbm_008a.ps}}
%% \endpspicture
 
\finexo
 
\corrige
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {I}
%%
\vskip -5mm
%
\itemnum On a 
$$
   \lim _{x\to 0^+} f (x)
      = \lim _{x\to 0^+} {x+2+\ln x \over x} = -\infty 
     \qquad {\rm puisque} \qquad
   \lim _{x\to 0^+} x = 0^+
     \quad {\rm et} \quad
   \lim _{x\to 0^+} x+2+\ln x = -\infty .
$$
Donc 
\dresultat {\lim _{x\to 0^+} f (x) = -\infty },
ce qui prouve que la droite d'équation $x=0$ est asymptote verticale
à la courbe de $f$. 
 
\itemalphnum En réduisant l'expression proposée au même dénominateur,
on vérifie immédiatement que l'on a bien
\dresultat {f (x) = 1 + {2\over x} + {\ln x\over x}}.
 
\itemalph En utilisant l'écriture précédente, il vient
$$
   \lim _{x\to +\infty } f (x) 
      = \lim _{x\to +\infty } 1 + {2\over x} + {\ln x\over x}
     \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {\lim _{x\to +\infty } f (x) = 1}
$$
puisque
$$
   \lim _{x\to +\infty } {2\over x} = 0
     \qquad {\rm et} \qquad
   \lim _{x\to +\infty } {\ln x\over x} = 0
       \quad \hbox {d'après le cours}.
$$
 
\itemalph Le résultat précédent prouve alors que la droite
\tresultat {$y=1$ est asymptote horizontale à la courbe de $f$}.
 
\itemalphnum Calculons la dérivée à partir de la première écriture de $f (x)$.
Il vient~:
$$
   f' (x) = {(1+{1\over x})\times x - (x+2+\ln x)\over x^2}
      = {x+1-x-2-\ln x \over x^2} 
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {f' (x) = {-1-\ln x \over x^2}}.
$$
 
\itemalph \alph \ Il est clair que $f' (x)$ est du signe de $-1-\ln x$ puisque $x^2$ 
est toujours positif. Or 
$$
   -1 - \ln x \geq 0
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   -1  \geq \ln x
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   e^{-1}  \geq x
$$
d'où le tableau récapitulatif suivant~:
$$\dresultat {
\vcenter {\halign {\offinterlineskip 
   %% preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \hss \  $#$\hss \  
   \cr
      x&& 0&& e^{-1}&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule }
      f' (x)&& &+& 0& -& 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      \bbuucenter {$f (x)$}&& \down {$-\infty $}& \bbrightuuparrow & 
      \bbuup {$1+e$}& 
      \bbrightddownarrow & \down {$1$}
   \cr
}}
}
      \qquad {\rm} \qquad
   \vcenter {\hsize = 50mm
   $$\eqalign {
      f (e^{-1}) &= 1 + {2\over e^{-1}} + {\ln e^{-1}\over e^{-1}}
   \cr
      &= 1 + 2e - e
   \cr 
      \rm soit \quad & \dresultat {f (e^{-1}) = 1+e \approx 3, 718}
   \cr }
   $$}
$$
 
\partie {II}
%%
\vskip -5mm
%%
\itemalphnum Il vient
$$\displaylines {
   \dresultat {\lim _{x\to 0^+} g (x) = +\infty }
      \qquad {\rm puisque} \qquad
   \lim _{x\to 0^+} x+2 = 2
      \quad {\rm et} \quad
   \lim _{x\to 0^+} x = 0^+
\cr
   \lim _{x\to +\infty } g (x) 
      = \lim _{x\to +\infty } {x(1+{2\over x})\over x}
      = \lim _{x\to +\infty } 1+{2\over x}
      \qquad {\rm d'où} \qquad
   \dresultat {\lim _{x\to +\infty } g (x) = 1}
\cr }
$$
 
\itemalph Avec la formule de la dérivée d'un quotient, on trouve
\dresultat {g' (x) = -2/x^2}, dont le signe est  
\tresultat {toujours négatif}. 
 
\itemalph D'où le tableau récapitulatif suivant~:
$$\dresultat {
\vcenter {\halign {\offinterlineskip 
   %% preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \hss \  $#$\hss \  
   \cr
      x&& 0&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule }
      g' (x)&&& -& 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      \bbucenter {$g (x)$}&& 
      \bbup {$+\infty $}& 
      \bbrightdownarrow & \down {$1$}
   \cr
}}
}
$$
 
\itemnum Les limites précédentes nous indiquent deux asymptotes pour la courbe $H$~:
$$
   \tresultat {$x=0$ asymptote verticale}
      \qquad {\rm et} \qquad
   \tresultat {$y=1$ asymptote horizontale}
$$
 
\itemnum Il vient facilement \dresultat {f (x) - g (x) = (\ln x)/x}, qui est 
du signe de $\ln x$ puisque $x$ est toujours positif sur l'intervalle considéré.
Et comme l'étude du signe de cette différence nous donne les positions relatives des 
courbes $C$ et $H$, on a le tableau récapitulatif suivant
$$\dresultat {
\vcenter {\halign {\offinterlineskip 
   %% preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {#} 
   \cr
      x&& 0&& 1&& $+\infty$
   \cr
   \noalign {\hrule }
      f (x) - g (x)&&& $-$ & $0$& $+$ 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      \hbox {positions relatives}&&& $C$ au dessous de $H$& \tv & 
      $C$ au dessus de $H$%
   \cr
}}
}
$$
tableau qui nous prouve entre autre que le point $K$ d'abscisse $1$ 
est \tresultat {le seul point d'intersection entre $H$ et $C$}.
 
\partie {III}
%%
\vskip -5mm
%%
\itemnum 
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/ln/}
 
$$
   \superboxepsillustrate {pbm_008b.ps}
$$
 
\itemnum La fonction $u$ est de la forme $k U^2$, donc sa dérivée est
$2k U'U$. Il vient donc
$$ 
   u' (x) = {1\over 2} \times 2 \times {1\over x} \times \ln x
     \qquad {\rm soit} \qquad
   u' (x) = {\ln x \over x},
$$
ce qui prouve que 
\tresultat {$u$ est une primitive de $\displaystyle {\ln x\over x}$}.
 
\itemnum L'unité d'aire est de $2~\cm \times 2~\cm = 4\cm ^2$. 
De plus, étant donné que la courbe $C$ est au dessus de la courbe $H$ 
pour $x>1$, on a 
$$
   A = 4\times \int _1^{e^2} f (x) - g (x) \, dx
      = 4\times \int _1^{e^2} {\ln x\over x}\, dx
      = 4\times \Big[ u (x)\Big] _1^{e^2}
      = 4\times \Big(u \big({e^2} \big) - u (1)\Big)
      \quad {\rm soit} \quad
   \dresultat {A = 8\cm ^2}
$$
puisque $\ln e^2 = 2$ et $\ln 1 = 0$.
 
 
%% $$
%% %% xsize: 133.85 mm
%% %% ysize: 93.13 mm
%% \superboxit {0pt}{
%% \psset{unit=1pt}
%% \pspicture(-37.98,-53.23)(342.86,211.76)
%% \psset{xunit=30.48,yunit=30.48}
%% \rput(5,2.6){\epsfbox{\epspath pbm_008b.ps}}
%% \uput[u](6,4){$\displaystyle {C_f~: y={x+2+\ln x \over x}}$}
%% \uput[u](6,3){$\displaystyle {H~: y={x+2\over x}}$}
%% \endpspicture
%% }
%% $$
 
 
\fincorrige
 
%% \corrige {}
%% 
%% \let \partie \llappartie
%% 
%% \partie {I}
%% %%
%% \vskip -5mm
%% %
%% \itemnum On a 
%% $$
%%    \lim _{x\to 0^+} f (x)
%% 	 = \lim _{x\to 0^+} {x+2+\ln x \over x} = -\infty 
%% 	\qquad {\rm puisque} \qquad
%%    \lim _{x\to 0^+} x = 0^+
%% 	\quad {\rm et} \quad
%%    \lim _{x\to 0^+} x+2+\ln x = -\infty .
%% $$
%% Donc 
%% \dresultat {\lim _{x\to 0^+} f (x) = -\infty },
%% ce qui prouve que la droite d'équation $x=0$ est asymptote verticale
%% à la courbe de $f$. 
%% 
%% \itemalphnum En réduisant l'expression proposée au même dénominateur,
%% on vérifie immédiatement que l'on a bien
%% \dresultat {f (x) = 1 + {2\over x} + {\ln x\over x}}.
%% 
%% \itemalph En utilisant l'écritre précédente, il vient
%% $$
%%    \lim _{x\to +\infty } f (x) 
%% 	 = \lim _{x\to +\infty } 1 + {2\over x} + {\ln x\over x}
%% 	\qquad {\rm soit} \qquad
%%    \dresultat {\lim _{x\to +\infty } f (x) = 1}
%% $$
%% puisque
%% $$
%%    \lim _{x\to +\infty } {2\over x} = 0
%% 	\qquad {\rm et} \qquad
%%    \lim _{x\to +\infty } {\ln x\over x} = 0
%% 	  \quad \hbox {daprès le cours}.
%% $$
%% 
%% \itemalph Le résultat précédent prouve alors que la droite
%% \tresultat {$y=1$ est asymptote horizontale à la courbe de $f$}.
%% 
%% \itemalphnum Calculons la dérivée à partir de la première écriture de $f (x)$.
%% Il vient~:
%% $$
%%    f' (x) = {(1+{1\over x})\times x - (x+2+\ln x)\over x^2}
%% 	 = {x+1-x-2-\ln x \over x^2} 
%% 	 \qquad {\rm soit} \qquad
%%    \dresultat {f' (x) = {-1-\ln x \over x^2}}.
%% $$
%% 
%% \itemalph \alph \ Il est clair que $f' (x)$ est du signe de $-1-\ln x$ puisque $x^2$ 
%% est toujours positif. Or 
%% $$
%%    -1 - \ln x \geq 0
%% 	 \quad \Longleftrightarrow \quad
%%    -1  \geq \ln x
%% 	 \quad \Longleftrightarrow \quad
%%    e^{-1}  \geq x
%% $$
%% d'où le tableau récapitulatif suivant~:
%% $$\dresultat {
%% \vcenter {\halign {\offinterlineskip 
%%    %% preamble
%% 	 \cc {$#$}& #\tv && \hss \  $#$\hss \  
%%    \cr
%% 	 x&& 0&& e^{-1}&& +\infty
%%    \cr
%%    \noalign {\hrule }
%% 	 f' (x)&& &+& 0& -& 
%%    \cr
%%    \noalign {\hrule }
%% 	 \bbuucenter {$f (x)$}&& \down {$-\infty $}& \bbrightuuparrow & 
%% 	 \bbuup {$1+e$}& 
%% 	 \bbrightddownarrow & \down {$1$}
%%    \cr
%% }}
%% }
%% 	 \qquad {\rm où} \qquad
%%    \vcenter {\hsize = 50mm
%%    $$\eqalign {
%% 	 f (e^{-1}) &= 1 + {2\over e^{-1}} + {\ln e^{-1}\over e^{-1}}
%%    \cr
%% 	 &= 1 + 2e - e
%%    \cr 
%% 	 \rm soit \quad & \dresultat {f (e^{-1}) = 1+e \approx 3, 718}
%%    \cr }
%%    $$}
%% $$
%% 
%% \partie {II}
%% %%
%% \vskip -7mm
%% %%
%% \itemalphnum On trouve facilement \dresultat {g' (x) = -2/x^2}, dont le signe est 
%% \tresultat {toujours négatif}. De plus, on a 
%% $$\displaylines {
%%    \dresultat {\lim _{x\to 0^+} g (x) = +\infty }
%% 	 \qquad {\rm puisque} \qquad
%%    \lim _{x\to 0^+} x+2 = 2
%% 	 \quad {\rm et} \quad
%%    \lim _{x\to 0^+} x = 0^+
%% \cr
%%    \lim _{x\to +\infty } g (x) 
%% 	 = \lim _{x\to +\infty } {x(1+{2\over x})\over x}
%% 	 = \lim _{x\to +\infty } 1+{2\over x}
%% 	 \qquad {\rm d'où} \qquad
%%    \dresultat {\lim _{x\to +\infty } g (x) = 1}
%% \cr }
%% $$
%% D'où le tableau récapitulatif suivant~:
%% $$\dresultat {
%% \vcenter {\halign {\offinterlineskip 
%%    %% preamble
%% 	 \cc {$#$}& #\tv && \hss \  $#$\hss \  
%%    \cr
%% 	 x&& 0&& +\infty
%%    \cr
%%    \noalign {\hrule }
%% 	 g' (x)&&& -& 
%%    \cr
%%    \noalign {\hrule }
%% 	 \bbucenter {$g (x)$}&& 
%% 	 \bbup {$+\infty $}& 
%% 	 \bbrightdownarrow & \down {$1$}
%%    \cr
%% }}
%% }
%% $$
%% 
%% \itemalph Les limites précédentes nous indiquent deux asymptotes pour la courbe $H$~:
%% $$
%%    \tresultat {$x=0$ asymptote verticale}
%% 	 \qquad {\rm et} \qquad
%%    \tresultat {$y=1$ asymptote horizontale}
%% $$
%% 
%% \itemnum Il vient facilement \dresultat {f (x) - g (x) = (\ln x)/x}, qui est 
%% du signe de $\ln x$ puisque $x$ est toujours positif sur l'intervalle considéré.
%% Et comme l'étude du signe de cette différence nous donne les positions relatives des 
%% courbes $C$ et $H$, on a le tableau récapitulatif suivant
%% $$\dresultat {
%% \vcenter {\halign {\offinterlineskip 
%%    %% preamble
%% 	 \cc {$#$}& #\tv && \cc {#} 
%%    \cr
%% 	 x&& 0&& 1&& $+\infty$
%%    \cr
%%    \noalign {\hrule }
%% 	 f (x) - g (x)&&& $-$ & $0$& $+$ 
%%    \cr
%%    \noalign {\hrule }
%% 	 \hbox {positions relatives}&&& $C$ au dessous de $H$& \tv & 
%% 	 $C$ au dessus de $H$%
%%    \cr
%% }}
%% }
%% $$
%% tableau qui nous prouve entre autre que le point $K$ d'abscisse $1$ 
%% est \tresultat {le seul point d'intersection entre $H$ et $C$}.
%% 
%% \partie {III}
%% %%
%% \vskip -5mm
%% %%
%% \itemnum La fonction $u$ est de la forme $k U^2$, donc sa dérivée est
%% $2k U'U$. Il vient donc
%% $$un 
%%    u' (x) = {1\over 2} \times 2 \times {1\over x} \times \ln x
%% 	\qquad {\rm soit} \qquad
%%    u' (x) = {\ln x \over x},
%% $$
%% ce qui prouve que 
%% \tresultat {$u$ est une primitive de $\displaystyle {\ln x\over x}$}.
%% 
%% \itemnum L'unité d'aire est de $2~\cm \times 2~\cm = 4\cm ^2$. 
%% De plus, étant donné que la courbe $C$ est au dessus de la courbe $H$ 
%% pour $x>1$, on a 
%% $$
%%    A (\alpha ) = 4\times \int _1^\alpha f (x) - g (x) \, dx
%% 	 = 4\times \int _1^\alpha {\ln x\over x}\, dx
%% 	 = 4\times \Big[ u (x)\Big] _1^\alpha
%% 	 = 4\times \big(u (\alpha ) - u (1)\big)
%% 	 \qquad {\rm soit} \qquad
%%    \dresultat {A (\alpha ) = 2(\ln \alpha )^2}
%% $$
%% 
%% \itemnum On a $\alpha > 1$, donc $\ln \alpha > 0$, or on veut
%% $$
%%    A (\alpha ) = 8
%% 	 \qquad {\rm soit} \qquad
%%    2(\ln \alpha )^2 = 8
%% 	 \qquad {\rm soit} \qquad
%%    \ln \alpha  = \sqrt 4 = 2
%% 	 \quad \hbox {puisque $\ln \alpha $ positif}
%% $$
%% %%    \qquad {\rm d'où} \qquad
%% d'où \dresultat {\alpha = e^{2} \approx 7, 38}.
%% 
%% 
%% %% \catcode`\|=12
%% 
%% %% \input /usr/share/texmf/tex/generic/pstricks/pstricks.tex
%% %% \input /usr/share/texmf/tex/generic/pstricks/pst-eps.tex
%% %% \input /usr/share/texmf/tex/generic/pstricks/pst-node.tex
%% %% \input /usr/share/texmf/tex/generic/pstricks/pst-tree.tex
%% 
%% \def \epspath {%
%%    $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/ln/}
%% 
%% %% $$
%% %%    \superboxepsillustrate {pbm_008b.ps}
%% %% $$
%% 
%% %% $$
%% %% %% xsize: 133.85 mm
%% %% %% ysize: 93.13 mm
%% %% \superboxit {0pt}{
%% %% \psset{unit=1pt}
%% %% \pspicture(-37.98,-53.23)(342.86,211.76)
%% %% \psset{xunit=30.48,yunit=30.48}
%% %% \rput(5,2.6){\epsfbox{\epspath pbm_008b.ps}}
%% %% \uput[u](6,4){$\displaystyle {C_f~: y={x+2+\ln x \over x}}$}
%% %% \uput[u](6,3){$\displaystyle {H~: y={x+2\over x}}$}
%% %% \endpspicture
%% %% }
%% %% $$
%% 
%% 
%% \fincorrige