Bonjour !
Dans cette séquence de mathématiques, tu vas chercher à répondre à la grande question écrite en haut de la page. Elle se fait en 2 séances. Pour chaque séance : lis la consigne, étudie les documents, réponds aux questions sur ta feuille ou sur l'ENT, puis recopie l'essentiel dans ton cahier. Tu peux imprimer cette page avec le bouton « Imprimer ».
À la fin, je serai capable de :
- Connaître la définition de exp (f' = f, f(0) = 1) et ses propriétés algébriques
- Étudier signe, variations et courbe de exp, dériver t ↦ e^(at)
- Modéliser une croissance ou une décroissance exponentielle et la relier aux suites géométriques
Les mots importants
Ressources de la séquence
Les notions, les repères et les pistes pour aller plus loin, utiles pour toutes les séances.
Les notions à maîtriser
- Fonction exponentielle
- Unique fonction dérivable sur ℝ telle que exp' = exp et exp(0) = 1 ; on note exp(x) = eˣ.
- Nombre e
- e = exp(1) ≈ 2,718.
- Propriétés algébriques
- e^(a + b) = e^a e^b ; e^(−a) = 1/e^a ; e^(a − b) = e^a/e^b ; (e^a)ⁿ = e^(na).
- Signe et variations
- eˣ > 0 pour tout x ; exp est strictement croissante sur ℝ.
- Dérivée de e^(at)
- (e^(at))' = a e^(at) : croissance si a > 0, décroissance si a < 0.
- Lien avec les suites
- Pour a réel, la suite (e^(na)) est géométrique de raison e^a.
Repères
| Date | Événement |
|---|---|
| 1683 | Jacques Bernoulli étudie les intérêts composés de plus en plus souvent et rencontre le nombre e. |
| 1748 | Euler publie l'Introductio : définitions de e et de l'exponentielle. |
| 1768 | Euler expose sa méthode d'approximation des solutions d'équations différentielles. |
| 1896 | Becquerel découvre la radioactivité, dont la décroissance est exponentielle. |
Pour aller plus loin
Sources et bibliographie
- Eli Maor, e: The Story of a Number, Princeton University Press, 1994.
- Ian Stewart, 17 Equations That Changed the World, Profile Books, 2012.
- Hervé Lehning, Toutes les mathématiques du monde, Flammarion, 2017.
Mon parcours : je choisis mon rythme
- Pour les élèves qui ont besoin de plus de temps : énoncé découpé en petites questions, rappel de cours en marge, calculatrice ou tableur autorisés pendant l'entraînement, correction pas à pas en vidéo ou en classe virtuelle.
- Pour les élèves qui avancent vite : question d'approfondissement (démonstration, généralisation, programme Python à écrire), problème ouvert à rédiger et à présenter à l'oral.
Séance 1 · Définition et propriétés algébriques
65 minSéance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.
La question du jour
Existe‑t‑il une fonction égale à sa dérivée ?
Mon plan de travail
- 10 min → Lancement en classe virtuelle : Je suis le lancement (ou j'écoute la capsule) et je recopie la problématique.
- 12 min → Travail autonome : Je fais l'activité 1 ; j'utilise les coups de pouce seulement si je bloque.
- 18 min → Travail autonome : Je fais l'activité 2 ; j'utilise les coups de pouce seulement si je bloque.
- 15 min → Travail à rendre : Je fais l'activité 3 et je la dépose sur l'ENT (ou j'envoie une photo) dans les trois jours.
- 10 min → Mise en commun : Je corrige avec une autre couleur et je complète la trace écrite.
Le cours à lire · La fonction exp
On admet qu'il existe une unique fonction dérivable sur ℝ telle que f' = f et f(0) = 1 : c'est la fonction exponentielle, notée exp. Méthode d'Euler : comme f(x + h) ≈ f(x) + h f'(x) = (1 + h) f(x), on construit point par point une approximation : f(0) = 1, f(h) ≈ 1 + h, f(2h) ≈ (1 + h)²… On démontre que exp ne s'annule pas et que exp(a + b) = exp(a) × exp(b). On note e = exp(1) ≈ 2,718 et exp(x) = eˣ : les règles sont celles des puissances, e^(−a) = 1/e^a, e^(a − b) = e^a/e^b, (e^a)ⁿ = e^(na).
Document 1 · La méthode d'Euler sur tableur
Situation-problème.
Le professeur dépose sur l'ENT un tableur : colonne A les valeurs x = 0 ; 0,1 ; 0,2 ; … ; 1, colonne B les valeurs approchées obtenues par B(suivant) = B(précédent) × 1,1, en partant de 1.
Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).
Activité 1 · Chercher
12 minSupports : Document 1
Exploitez le tableur.
- Pourquoi multiplie‑t‑on par 1,1 à chaque ligne ?
- Valeur approchée obtenue pour x = 1 ?
- Avec un pas de 0,01, on obtient 1,01¹⁰⁰ ≈ 2,705. Que conjecturer ?
Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés
Activité 2 · S'entraîner
18 minSupports : Cours
Simplifiez sans calculatrice.
- e² × e³ ; e⁴/e⁶.
- (eˣ)² × e^(−x).
- Résolvez e^(2x) = e^(x + 3).
Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats
Activité 3 · Démontrer
15 minSupports : Documents et cours
Démontrez que exp(x) × exp(−x) = 1 en étudiant la fonction g(x) = exp(x) exp(−x) (dérivée nulle). Rédigez en 6 à 8 lignes et déduisez‑en que exp ne s'annule jamais. Pour bien commencer : Je dérive g comme un produit… · La dérivée étant nulle, g est… · Comme g(0) = 1, …
Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction
Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)
Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.
L'exponentielle est l'unique fonction telle que f' = f et f(0) = ______. On a e^(a + b) = e^a × ______. e^(−a) est l'_______ de e^a. Le nombre e vaut environ ______.
Séance 2 · Variations et modèles exponentiels
65 minSéance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.
La question du jour
Comment décrire la disparition d'un médicament dans le sang ?
Mon plan de travail
- 10 min → Lancement en classe virtuelle : Je suis le lancement (ou j'écoute la capsule) et je recopie la problématique.
- 12 min → Travail autonome : Je fais l'activité 1 ; j'utilise les coups de pouce seulement si je bloque.
- 18 min → Travail autonome : Je fais l'activité 2 ; j'utilise les coups de pouce seulement si je bloque.
- 15 min → Travail à rendre : Je fais l'activité 3 et je la dépose sur l'ENT (ou j'envoie une photo) dans les trois jours.
- 10 min → Mise en commun : Je corrige avec une autre couleur et je complète la trace écrite.
Le cours à lire · Croissance et décroissance exponentielles
Comme exp' = exp et exp(x) > 0, la fonction exp est strictement croissante ; sa courbe passe par (0 ; 1), sa tangente en 0 a pour équation y = x + 1. Pour un réel a, la fonction t ↦ e^(at) a pour dérivée a e^(at) : elle est croissante si a > 0 (croissance exponentielle), décroissante si a < 0 (décroissance exponentielle, t ↦ e^(−kt)). Pour tout entier n, e^(na) = (e^a)ⁿ : la suite (e^(na)) est géométrique de raison e^a. Un modèle f(t) = C e^(at) traduit une variation proportionnelle à la quantité présente : f' = a f.
Document 1 · Élimination d'un médicament
Situation-problème.
Un patient reçoit une injection. La concentration du produit dans le sang est modélisée par C(t) = 20 e^(−0,1t) (mg/L), t en heures. Le médicament n'est plus efficace sous 5 mg/L. Valeurs fournies : e^(−0,5) ≈ 0,61 ; e^(−1) ≈ 0,37 ; e^(−1,4) ≈ 0,25.
Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).
Activité 1 · Chercher
12 minSupports : Document 1
Calculez.
- C(0), C(5), C(10) ?
- Vers quelle heure la concentration vaut‑elle 5 mg/L ?
- De quel pourcentage la concentration diminue‑t‑elle chaque heure (e^(−0,1) ≈ 0,905) ?
Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés
Activité 2 · Raisonner
18 minSupports : Cours
Étudiez le modèle.
- Calculez C'(t) et son signe.
- Vérifiez que C' = −0,1 C. Interprétez.
- Montrez que (C(n)) est géométrique.
Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats
Activité 3 · Communiquer
15 minSupports : Documents et cours
Rédigez une explication pour une affiche de prévention (8 lignes) : pourquoi le médicament disparaît vite au début puis lentement, et au bout de combien de temps une nouvelle prise est envisagée selon ce modèle (sans conseil médical). Pour bien commencer : La concentration est modélisée par… · Sa dérivée montre que… · Selon ce modèle, …
Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction
Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)
Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.
La fonction exp est strictement __________ sur ℝ. La dérivée de t ↦ e^(at) est ________. Si a < 0, on parle de ____________ exponentielle. La suite (e^(na)) est ___________ de raison e^a.
Fiche à trous · je complète
Complète le texte avec les mots de la banque (sur papier ou dans le document de l'ENT).
La fonction exponentielle est l'unique fonction dérivable sur ℝ telle que f' = f et f(0) = ______.
Pour tous réels a et b, e^(a + b) = _________.
La fonction exponentielle est strictement ________ et strictement croissante.
La dérivée de t ↦ e^(at) est t ↦ ________.
Ce que j'ai appris
- Connaître la définition de exp (f' = f, f(0) = 1) et ses propriétés algébriques
- Étudier signe, variations et courbe de exp, dériver t ↦ e^(at)
- Modéliser une croissance ou une décroissance exponentielle et la relier aux suites géométriques