Première Analyse exponentielleedérivéeéquations

Fonction exponentielle

Définition, propriétés algébriques, dérivée et variations de la fonction exponentielle. Résolution d'équations et inéquations.

Définition

La fonction exponentielle, notée exp⁡\exp ou x↦exx \mapsto e^x, est l’unique fonction ff définie sur R\mathbb{R} telle que :

f′(x)=f(x)etf(0)=1f'(x) = f(x) \quad \text{et} \quad f(0) = 1

La constante e≈2,718e \approx 2{,}718 est la base de l’exponentielle.


Propriétés algébriques

Pour tous réels aa et bb :

ea+b=ea⋅eb\boxed{e^{a+b} = e^a \cdot e^b}

ea−b=eaebe−a=1ea(ea)n=enae^{a-b} = \frac{e^a}{e^b} \qquad e^{-a} = \frac{1}{e^a} \qquad (e^a)^n = e^{na}

Conséquences :

  • e0=1e^0 = 1
  • e1=ee^1 = e
  • ea>0e^a > 0 pour tout réel aa

Dérivée et variations

(ex)′=ex\boxed{(e^x)' = e^x}

Plus généralement, si uu est une fonction dérivable :

(eu(x))′=u′(x)⋅eu(x)\left(e^{u(x)}\right)' = u'(x) \cdot e^{u(x)}

Tableau de variations :

Comme ex>0e^x > 0 pour tout xx, la fonction exponentielle est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

xx−∞-\infty+∞+\infty
exe^x↗\nearrow (vers 0+0^+)↗\nearrow (vers +∞+\infty)

Courbe de la fonction exponentielle


Limites remarquables

lim⁡x→+∞ex=+∞lim⁡x→−∞ex=0\lim_{x \to +\infty} e^x = +\infty \qquad \lim_{x \to -\infty} e^x = 0

La droite y=0y = 0 est asymptote horizontale à la courbe en −∞-\infty.

Croissance comparée

lim⁡x→+∞exxn=+∞pour tout n∈N\lim_{x \to +\infty} \frac{e^x}{x^n} = +\infty \quad \text{pour tout } n \in \mathbb{N}

L’exponentielle croît plus vite que tout polynôme.


Résolution d’équations et inéquations

Équation ef(x)=eg(x)e^{f(x)} = e^{g(x)}

ef(x)=eg(x)  ⟺  f(x)=g(x)e^{f(x)} = e^{g(x)} \iff f(x) = g(x)

Car l’exponentielle est strictement croissante et injective.

Inéquation ef(x)>eg(x)e^{f(x)} > e^{g(x)}

ef(x)>eg(x)  ⟺  f(x)>g(x)e^{f(x)} > e^{g(x)} \iff f(x) > g(x)

Exemple : Résoudre e2x−1=ex+3e^{2x-1} = e^{x+3}

2x−1=x+3  ⟹  x=42x - 1 = x + 3 \implies x = 4

Exemple : Résoudre ex2>e2xe^{x^2} > e^{2x}

x2>2x  ⟹  x2−2x>0  ⟹  x(x−2)>0  ⟹  x<0 ou x>2x^2 > 2x \implies x^2 - 2x > 0 \implies x(x-2) > 0 \implies x < 0 \text{ ou } x > 2


Exemples de dérivées

FonctionDérivée
e3xe^{3x}3e3x3e^{3x}
e−xe^{-x}−e−x-e^{-x}
ex2e^{x^2}2x ex22x\,e^{x^2}
x⋅exx \cdot e^xex+x ex=(1+x)exe^x + x\,e^x = (1+x)e^x
exx\dfrac{e^x}{x}(x−1)exx2\dfrac{(x-1)e^x}{x^2}

Comparaison exe^x, x2x^2 et x3x^3


Étude de fonction avec exponentielle

Exemple : Étudier f(x)=(x−1)exf(x) = (x-1)e^x.

Dérivée : f′(x)=ex+(x−1)ex=ex(1+x−1)=x exf'(x) = e^x + (x-1)e^x = e^x(1 + x - 1) = x\,e^x

Comme ex>0e^x > 0, le signe de f′f' est celui de xx :

  • f′(x)<0f'(x) < 0 pour x<0x < 0 → ff décroissante
  • f′(0)=0f'(0) = 0
  • f′(x)>0f'(x) > 0 pour x>0x > 0 → ff croissante

f(0)=(0−1)e0=−1f(0) = (0-1)e^0 = -1 → minimum local −1-1 en x=0x = 0.

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