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Séquence 1 · La fonction logarithme népérien

Comment « défaire » une exponentielle pour résoudre une équation comme 1,03ⁿ = 2, et quelles sont les propriétés de la fonction obtenue ?

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 :

Les mots importants

fonction réciproqueln(ab) = ln(a) + ln(b), ln(aⁿ) = n ln(a)équation et inéquation avec exp et lndérivée 1/x, limites en 0 et en +∞croissance comparée

Ressources de la séquence

Les notions, les repères et les pistes pour aller plus loin, utiles pour toutes les séances.

Les notions à maîtriser

Logarithme népérien
Pour x > 0, ln(x) est l'unique réel y tel que eʸ = x.
Propriétés algébriques
ln(ab) = ln a + ln b ; ln(a/b) = ln a − ln b ; ln(aⁿ) = n ln a ; ln(√a) = (ln a)/2.
Dérivée
ln est dérivable pour x > 0 et (ln x)' = 1/x ; ln est strictement croissante.
Limites
ln(x) tend vers −∞ en 0 et vers +∞ en +∞.
Croissance comparée
ln(x)/x tend vers 0 en +∞ ; x ln(x) tend vers 0 en 0.
Seuil
qⁿ ≥ a se résout avec ln en tenant compte du signe de ln q.

Repères

DateÉvénement
1614Napier publie les premières tables de logarithmes.
1624Briggs publie des logarithmes décimaux à 14 chiffres.
1647Grégoire de Saint-Vincent relie aires sous l'hyperbole et logarithmes.
1748Euler présente exponentielle et logarithme comme fonctions réciproques.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Mon parcours : je choisis mon rythme

Séance 1 · Définition et propriétés algébriques du logarithme

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Comment résoudre eˣ = 5 ou 1,03ⁿ ≥ 2 ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · ln, réciproque de exp

La fonction exponentielle est continue et strictement croissante sur ℝ, à valeurs dans ]0 ; +∞[ : pour tout x > 0, l'équation eʸ = x a une unique solution, notée ln(x). Ainsi e^(ln x) = x pour x > 0 et ln(eˣ) = x pour tout réel x ; ln 1 = 0, ln e = 1. De eᵃ⁺ᵇ = eᵃ × eᵇ découle l'équation fonctionnelle ln(ab) = ln a + ln b, puis ln(1/a) = −ln a, ln(a/b) = ln a − ln b, ln(aⁿ) = n ln a. Comme ln est strictement croissante, a < b équivaut à ln a < ln b (pour a, b > 0). Pour résoudre qⁿ ≥ a, on compose par ln : n ln q ≥ ln a ; si ln q < 0 (0 < q < 1), on change le sens en divisant.

Document 1 · Le placement de 1re revisité

Situation-problème.

En première, un programme Python a montré qu'un capital placé à 3 % par an double pour la première fois au bout de 24 ans. On veut retrouver ce résultat par le calcul, sans boucle.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Calculer

12 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Résolvez.

  1. eˣ = 5.
  2. ln(x) = 2.
  3. e^(2x − 1) = 1.

Ce qui est attendu (6 pts) : Résolutions justes

Activité 2 · Raisonner

18 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Retrouvez le seuil du document.

  1. Traduisez « le capital a doublé » par une inéquation.
  2. Résolvez-la avec ln.
  3. Conclusion ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement

Activité 3 · Démontrer

15 min
Travail à rendre

Supports : Cours

Consigne :

Démontrez par récurrence que ln(aⁿ) = n ln(a) pour a > 0 et n entier naturel, puis que ln(√a) = ln(a)/2. Pour bien commencer : Initialisation : pour n = 0, … · Hérédité : je suppose que ln(aⁿ) = n ln(a), alors… · Pour la racine carrée, j'utilise que √a × √a = a…

Ce qui est attendu (7 pts) : Démonstration · 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.

croissanteexponentielleln(b)

ln est la fonction réciproque de la fonction _____________. ln(ab) = ln(a) + ______ et ln(aⁿ) = n ln(a). ln étant strictement __________, elle conserve l'ordre.

Séance 2 · Étude de la fonction logarithme et croissance comparée

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Qui gagne en +∞ : ln(x) ou x ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Dérivée, limites, croissance comparée

ln est dérivable pour x > 0 et (ln x)' = 1/x (on dérive e^(ln x) = x : ln'(x) × x = 1). Comme 1/x > 0, ln est strictement croissante. Limites : ln(x) tend vers +∞ en +∞ et vers −∞ en 0. Les courbes de exp et ln sont symétriques par rapport à la droite y = x. Croissance comparée : ln(x)/x tend vers 0 en +∞ (ln croît beaucoup moins vite que x), et x ln(x) tend vers 0 en 0. Pour une fonction composée, (ln u)' = u'/u, avec u > 0. Exemple : f(x) = x − ln x, f'(x) = (x − 1)/x, minimum f(1) = 1, donc ln x < x.

Document 1 · Exp et ln dans le même repère

Activité numérique.

Dans GeoGebra, tracez f(x) = eˣ, g(x) = ln(x) et la droite y = x. Placez un point A sur la courbe de exp et son symétrique A' par rapport à la droite. Tracez ensuite h(x) = ln(x)/x pour x allant jusqu'à 1 000.

Source : Activité construite pour la séance ; logiciel calculatrice graphique GeoGebra.

Activité 1 · Observer

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Observez et conjecturez.

  1. Où se trouve A' ?
  2. Que devient h(x) quand x devient grand ?
  3. Conjecture sur ln x et x ?

Ce qui est attendu (6 pts) : Conjectures

Activité 2 · Démontrer

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez f(x) = x − ln(x) pour x > 0.

  1. f'(x) ?
  2. Variations de f ?
  3. Conséquence ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Étude et conclusion

Activité 3 · Problème

15 min
Travail à rendre

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez f(x) = ln(x² + 1) sur ℝ : dérivée, variations, minimum, limites. Pour bien commencer : La dérivée de ln(u) est u′/u, donc… · Le signe de f′(x) est celui de… · Le minimum est atteint en…

Ce qui est attendu (7 pts) : Étude · 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.

01/xsymétriques

La dérivée de ln est x ↦ ______, donc ln est strictement croissante. Les courbes de exp et ln sont ___________ par rapport à la droite y = x. En +∞, ln(x)/x tend vers ______.

Fiche à trous · je complète

Complète le texte avec les mots de la banque (sur papier ou dans le document de l'ENT).

01/xln(b)x

Pour tout x > 0, e^(ln x) = ______ et pour tout réel x, ln(eˣ) = x.

ln(ab) = ln(a) + ______.

La dérivée de ln est la fonction x ↦ ______.

En +∞, ln(x)/x tend vers ______.

Ce que j'ai appris

Les 3 idées que je retiens :
Une méthode ou une formule que je veux retenir :
Ce qui reste difficile pour moi / ma question pour le professeur :