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Exponentielle et logarithme népérien ln : propriétés et limites

L’essentiel

La fonction ln, ou logarithme népérien, est la réciproque de la fonction exponentielle : ln(exp(x)) = x, et exp(ln x) = x pour x > 0. Elle transforme les produits en sommes : ln(ab) = ln a + ln b. L’exponentielle fait l’inverse : exp(a + b) = exp(a) × exp(b).

Les fonctions ln et exponentielle

La fonction ln est définie sur ]0 ; +∞[ et la fonction exponentielle sur tous les réels. Ce sont deux fonctions réciproques : leurs courbes sont symétriques par rapport à la droite y = x.

La fonction exponentielle est l’unique fonction égale à sa dérivée et qui vaut 1 en 0. Le nombre e est exp(1), environ 2,718. On écrit aussi exp(x) = eˣ.

Pour tout x > 0 et tout réel y : y = ln x équivaut à x = exp(y). Valeurs à connaître : ln 1 = 0, ln e = 1, exp(0) = 1.

Les deux fonctions face à face
expln
Ensemble de définitionTous les réels]0 ; +∞[
SigneToujours strictement positiveNégative sur ]0 ; 1[, positive sur ]1 ; +∞[
Dérivéeexp(x)1/x
VariationsStrictement croissanteStrictement croissante

Les propriétés du logarithme népérien et de l’exponentielle

Ces formules sont valables pour a et b strictement positifs dans le cas de ln, et pour tous réels dans le cas de exp. Elles sont le cœur des calculs.

Règles de calcul
Logarithme népérienExponentielle
ln(ab) = ln a + ln bexp(a + b) = exp(a) × exp(b)
ln(a/b) = ln a − ln bexp(a − b) = exp(a) ÷ exp(b)
ln(1/a) = −ln aexp(−a) = 1 ÷ exp(a)
ln(aⁿ) = n × ln aexp(n × a) = (exp(a))ⁿ
ln(√a) = 1/2 × ln aexp(a/2) = √(exp(a))
  • ln 12 = ln(4 × 3) = ln 4 + ln 3 = 2 ln 2 + ln 3.
  • ln(8) − ln(2) = ln(8/2) = ln 4 = 2 ln 2.
  • exp(3) × exp(−1) = exp(3 − 1) = exp(2).

Astuce : Il n’existe aucune formule pour ln(a + b) ni pour ln a × ln b. Le produit de deux logarithmes reste tel quel : ln x × ln x s’écrit (ln x)².

Limites : ln x en 0 et croissances comparées

ln 0 n’existe pas : 0 n’appartient pas à l’ensemble de définition. On parle en revanche de la limite de ln x quand x tend vers 0 par valeurs positives.

Croissances comparées : en +∞, exp(x) l’emporte sur xⁿ, et xⁿ l’emporte sur ln x, pour tout entier n ≥ 1.

Les limites à connaître
ExpressionEn quel pointLimite
exp(x)−∞0
exp(x)+∞+∞
ln x0 par valeurs positives−∞
ln x+∞+∞
exp(x)/xⁿ, n entier positif+∞+∞
xⁿ × exp(x), n entier positif−∞0
ln(x)/x+∞0
x ln x0 par valeurs positives0

Résoudre une équation ou une inéquation

  • Étape 1 : avec ln, écris d’abord le domaine de validité. Ce qui est dans le ln doit être strictement positif.
  • Étape 2 : isole exp(…) ou ln(…).
  • Étape 3 : applique la fonction réciproque. Comme ln et exp sont croissantes, le sens d’une inégalité est conservé.
  • Étape 4 : compare avec le domaine et donne l’ensemble des solutions.
  • Énoncé 1. Résoudre exp(2x − 1) = 5.
  • 2x − 1 = ln 5, donc x = (1 + ln 5) ÷ 2 ≈ 1,30.
  • Énoncé 2. Résoudre ln(x − 2) ≤ 1.
  • Domaine : x − 2 > 0, soit x > 2. Puis x − 2 ≤ exp(1), soit x ≤ 2 + e.
  • Ensemble des solutions : ]2 ; 2 + e].
  • Énoncé 3, seuil de suite. Trouver le plus petit entier n tel que 1,05ⁿ ≥ 2.
  • n × ln(1,05) ≥ ln 2, et ln(1,05) > 0, donc n ≥ ln 2 ÷ ln(1,05) ≈ 14,2. Le plus petit entier est n = 15.

Astuce : Si la base est comprise entre 0 et 1, son ln est négatif : quand tu divises, l’inégalité change de sens. Ainsi 0,9ⁿ ≤ 0,1 donne n ≥ ln(0,1) ÷ ln(0,9) ≈ 21,9, soit n = 22.

Les erreurs à éviter

  • ln(a + b) = ln a + ln b ln(ab) = ln a + ln b

    Le logarithme transforme un produit en somme, pas une somme en somme.

  • ln 0 = 0 ln 0 n’existe pas, et ln 1 = 0

    La fonction ln n’est définie que pour x > 0.

  • exp(a) × exp(b) = exp(ab) exp(a) × exp(b) = exp(a + b)

    Les exposants s’additionnent quand on multiplie.

  • ln(x) × ln(x) = ln(x²) ln(x²) = 2 ln x

    ln(x²) vaut 2 ln x, alors que ln x × ln x vaut (ln x)². Ce sont deux expressions différentes.

Exercices corrigés

  1. 1. Combien vaut ln(e³) ?

    Voir la correction

    3. ln et exp sont réciproques : ln(exp(3)) = 3.

  2. 2. À quoi est égal exp(2) × exp(3) ?

    Voir la correction

    exp(5). exp(a) × exp(b) = exp(a + b), donc exp(2 + 3) = exp(5).

  3. 3. Quelle écriture est égale à ln 12 ?

    Voir la correction

    2 ln 2 + ln 3. 12 = 2² × 3, donc ln 12 = 2 ln 2 + ln 3.

  4. 4. Quelle est la solution de exp(x) = 7 ?

    Voir la correction

    x = ln 7. On applique ln des deux côtés : x = ln 7.

  5. 5. Quelle est la solution de ln x = 2 ?

    Voir la correction

    x = exp(2). On applique exp des deux côtés : x = exp(2), soit e².

  6. 6. Quelle est la limite de ln(x)/x quand x tend vers +∞ ?

    Voir la correction

    0. C’est une croissance comparée : x l’emporte sur ln x en +∞.

Questions fréquentes

Que vaut ln 0 ?

ln 0 n’existe pas. En revanche, quand x tend vers 0 par valeurs positives, ln x tend vers −∞.

Que vaut ln a + ln b ?

ln a + ln b = ln(ab), pour a et b strictement positifs. C’est la propriété fondamentale du logarithme népérien.

Quelle est la dérivée de ln x et de exp(x) ?

La dérivée de ln x est 1/x sur ]0 ; +∞[. La fonction exp est égale à sa dérivée.

Pourquoi parle-t-on de croissance exponentielle ?

Une grandeur qui est multipliée par le même nombre, plus grand que 1, à intervalles réguliers croît de cette façon. Elle finit par dépasser toute croissance de type puissance.

Pour aller plus loin