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Cours de maths Terminale · Chapitre 9

Exponentielle : limites, dérivées et équations différentielles

Croissances comparées, dérivée de e^u, résolution de y' = ay + b et interprétation de l'état d'équilibre.

La définition et les règles de calcul de l'exponentielle ont été vues en première. Ce chapitre traite ce que la terminale y ajoute : son comportement aux bornes, la dérivée des fonctions composées, et les équations différentielles — celles qui décrivent une grandeur dont la vitesse de variation est proportionnelle à elle-même.

I) Rappels indispensables

\[\mathrm{e}^{a+b} = \mathrm{e}^{a}\mathrm{e}^{b} \qquad \mathrm{e}^{-a} = \frac{1}{\mathrm{e}^{a}}\]

\[\left(\mathrm{e}^{a}\right)^{n} = \mathrm{e}^{na}\]

\[\mathrm{e}^{x} > 0 \quad \text{pour TOUT réel } x\]

L'exponentielle ne s'annule jamais et ne change jamais de signe.

⭐ La stricte positivité est l'outil le plus rentable du chapitre : dans une dérivée, un facteur \(\mathrm{e}^{u(x)}\) ne change jamais le signe. Le signe se lit donc sur le reste, et l'étude de variations s'en trouve considérablement simplifiée.

II) Limites

\[\lim_{x \to +\infty} \mathrm{e}^{x} = +\infty\]

\[\lim_{x \to -\infty} \mathrm{e}^{x} = 0^{+}\]

l'axe des abscisses est asymptote

Croissances comparées — l'exponentielle l'emporte sur toute puissance :

\[\lim_{x \to +\infty} \frac{\mathrm{e}^{x}}{x^{\,n}} = +\infty \qquad \lim_{x \to -\infty} x^{\,n}\,\mathrm{e}^{x} = 0\]

💡 Retiens la phrase, elle donne le résultat sans calcul : « l'exponentielle écrase la puissance, qui écrase le logarithme ». Dans une forme indéterminée \(\frac{\infty}{\infty}\) ou \(0 \times \infty\) où figure une exponentielle, c'est elle qui décide.

Exemple 1 : une croissance comparée

Calculer \(\lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{\mathrm{e}^{x} - x^{2}}{\mathrm{e}^{x} + 1}\).

✅ Voir la correction

Numérateur et dénominateur tendent vers \(+\infty\) : forme indéterminée. On factorise par \(\mathrm{e}^{x}\), le terme dominant :

\[\frac{\mathrm{e}^{x} - x^{2}}{\mathrm{e}^{x} + 1} = \frac{\mathrm{e}^{x}\left(1 - \dfrac{x^{2}}{\mathrm{e}^{x}}\right)}{\mathrm{e}^{x}\left(1 + \dfrac{1}{\mathrm{e}^{x}}\right)} = \frac{1 - \dfrac{x^{2}}{\mathrm{e}^{x}}}{1 + \dfrac{1}{\mathrm{e}^{x}}}\]

Par croissances comparées, \(\dfrac{x^{2}}{\mathrm{e}^{x}} \to 0\) ; et \(\dfrac{1}{\mathrm{e}^{x}} \to 0\). Donc :

\[\lim_{x \to +\infty} \frac{\mathrm{e}^{x} - x^{2}}{\mathrm{e}^{x} + 1} = \frac{1 - 0}{1 + 0} = 1\]

💡 La méthode est toujours la même qu'avec les polynômes : factoriser par le terme qui domine. Ici c'est l'exponentielle, jamais la puissance.

III) Dérivée d'une composée

\[\left(\mathrm{e}^{u}\right)' = u' \,\mathrm{e}^{u}\]

⚠️ Le facteur \(u'\) s'oublie une fois sur deux. \(\left(\mathrm{e}^{3x}\right)'\) vaut \(3\mathrm{e}^{3x}\), pas \(\mathrm{e}^{3x}\). Vérification rapide : si \(u\) est une constante, la dérivée doit être nulle — c'est bien le cas puisque \(u' = 0\).

Exemple 2 : étude de variations

Étudier les variations de \(f(x) = (x - 1)\,\mathrm{e}^{x}\) sur \(\mathbb{R}\), puis déterminer ses limites aux bornes.

✅ Voir la correction

Dérivée — produit, avec \(u = x-1\) et \(v = \mathrm{e}^{x}\) :

\[f'(x) = 1 \times \mathrm{e}^{x} + (x-1)\,\mathrm{e}^{x} = \mathrm{e}^{x}\big(1 + x - 1\big) = x\,\mathrm{e}^{x}\]

Signe — comme \(\mathrm{e}^{x} > 0\) toujours, \(f'\) a le signe de \(x\) : \(f\) décroît sur \(]-\infty\,;0]\) puis croît sur \([0\,;+\infty[\). Elle admet un minimum en \(0\), valant \(f(0) = -1\).

Limites :

\[\lim_{x \to +\infty} (x-1)\mathrm{e}^{x} = +\infty \qquad \lim_{x \to -\infty} (x-1)\mathrm{e}^{x} = 0^{-}\]

La seconde est une croissance comparée : \(x\,\mathrm{e}^{x} \to 0\) et \(\mathrm{e}^{x} \to 0\). La courbe s'approche de l'axe des abscisses par en dessous.

💡 Le geste décisif est la factorisation par \(\mathrm{e}^{x}\) dans la dérivée : elle isole un facteur toujours positif et laisse un signe évident. Fais-le systématiquement.

IV) Équations et inéquations

\[\mathrm{e}^{a} = \mathrm{e}^{b} \iff a = b\]

\[\mathrm{e}^{a} < \mathrm{e}^{b} \iff a < b\]

le sens est conservé

⚠️ Une équation du type \(\mathrm{e}^{x} = -3\) n'a AUCUNE solution, puisque l'exponentielle est strictement positive. On le dit, on ne calcule pas.

V) Équations différentielles

Les solutions de \(\;y' = a y\;\) sont les fonctions \(\;f(x) = C\,\mathrm{e}^{ax}\), avec \(C \in \mathbb{R}\).

Les solutions de \(\;y' = a y + b\;\) (avec \(a \neq 0\)) sont \(\;f(x) = C\,\mathrm{e}^{ax} - \dfrac{b}{a}\).

💡 Sens physique : \(y' = ay\) dit que la vitesse de variation est proportionnelle à la quantité présente. C'est le modèle d'une population qui croît, d'un capital qui capitalise, d'un noyau qui se désintègre (\(a < 0\)) ou d'un objet qui refroidit. D'où l'exponentielle partout en sciences.

⚠️ La constante \(C\) ne se devine pas : elle se calcule avec la condition initiale donnée par l'énoncé (souvent \(f(0)\)). Une réponse laissée avec un \(C\) inconnu est incomplète quand une condition est fournie.

Exemple 3 : résoudre avec une condition initiale

Résoudre \(y' = -2y + 6\) avec \(f(0) = 5\).

✅ Voir la correction

On identifie \(a = -2\) et \(b = 6\). Les solutions générales sont :

\[f(x) = C\,\mathrm{e}^{-2x} - \frac{6}{-2} = C\,\mathrm{e}^{-2x} + 3\]

On applique la condition initiale :

\[f(0) = C\,\mathrm{e}^{0} + 3 = C + 3 = 5 \iff C = 2\]

La solution est donc :

\[f(x) = 2\,\mathrm{e}^{-2x} + 3\]

💡 Contrôle en dix secondes : \(f'(x) = -4\mathrm{e}^{-2x}\), et \(-2f(x) + 6 = -4\mathrm{e}^{-2x} - 6 + 6 = -4\mathrm{e}^{-2x}\). Les deux coïncident, et \(f(0) = 5\). Vérifie toujours ta solution en la réinjectant : c'est immédiat et cela rattrape une erreur de signe.

⚠️ Remarque le comportement : quand \(x \to +\infty\), \(f(x) \to 3\). La valeur \(-\frac{b}{a}\) est l'état d'équilibre vers lequel le modèle tend — la température de la pièce, la population maximale. Une question d'interprétation porte presque toujours là-dessus.

À toi de jouer

  1. Dériver \(f(x) = \mathrm{e}^{-x^{2}}\).
  2. Résoudre \(\mathrm{e}^{2x-1} = \mathrm{e}^{x+3}\).
  3. Calculer \(\lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{x^{3}}{\mathrm{e}^{x}}\).
  4. Résoudre \(y' = 3y\) avec \(f(0) = 4\).
  5. Étudier le signe de \(g'(x)\) pour \(g(x) = (2 - x)\,\mathrm{e}^{x}\).
✅ Voir les réponses
  1. \[f'(x) = -2x\,\mathrm{e}^{-x^{2}}\]

  2. \[2x - 1 = x + 3 \iff x = 4\]

  3. Croissance comparée : l'exponentielle l'emporte, donc la limite vaut \(0\).

  4. \[f(x) = C\,\mathrm{e}^{3x}, \quad f(0) = C = 4 \quad\Longrightarrow\quad f(x) = 4\,\mathrm{e}^{3x}\]

  5. \[g'(x) = -\mathrm{e}^{x} + (2-x)\mathrm{e}^{x} = \mathrm{e}^{x}(1 - x)\]

    Comme \(\mathrm{e}^{x} > 0\), le signe est celui de \(1 - x\) : \(g\) croît sur \(]-\infty\,;1]\), décroît ensuite, avec un maximum en \(1\).

Ce qu'il faut retenir

  • \(\mathrm{e}^{x} > 0\) toujours : dans une dérivée, ce facteur ne change jamais le signe.
  • Croissances comparées : l'exponentielle écrase la puissance, qui écrase le logarithme.
  • \(\left(\mathrm{e}^{u}\right)' = u'\,\mathrm{e}^{u}\) — le \(u'\) s'oublie une fois sur deux.
  • Devant une forme indéterminée : factoriser par \(\mathrm{e}^{x}\), comme on factorise par le terme de plus haut degré.
  • \(y' = ay \Rightarrow f(x) = C\mathrm{e}^{ax}\) · \(y' = ay + b \Rightarrow f(x) = C\mathrm{e}^{ax} - \frac{b}{a}\).
  • La constante \(C\) se calcule avec la condition initiale, et \(-\frac{b}{a}\) est l'état d'équilibre du modèle.
  • Réinjecter sa solution dans l'équation prend dix secondes et rattrape les erreurs de signe.
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