Corrigé – Métropole 2023 J2 (accessible) – Exercice 4

Thème : Fonctions, logarithme, convexité.

f(x) = ln(1 + e−x) définie sur ℝ.

1. a. Limite en −∞

 lim  (− x) = + ∞,     lim   eX = + ∞
x→ −∞               X →+ ∞

Donc lim x→−∞e−x = +∞.

           − x
xl→im−∞ (1 + e   ) = + ∞,   Xl→im+ ∞ lnX  = + ∞

lim x→−∞f(x) = +∞

1. b. Limite en +∞

       −x                      −x
xl→i+m∞ e   = 0  =⇒   xli→m+∞ (1 + e  ) = 1

lim x→+∞f(x) = ln 1 = 0

La droite y = 0 est asymptote horizontale en +∞.

1. c. Dérivée

f = ln ∘u avec u(x) = 1 + e−x, u′(x) = −e−x.

  ′     u-′(x)    -−-e−x--
f (x) =  u(x) =  1 + e−x

f′(x) = −--e−x---
1 + e−x = −---1--
1 + ex

1. d. Variations

Pour tout x ∈ ℝ, 1 + ex > 0 et −1 < 0, donc f′(x) < 0.

f est strictement décroissante sur ℝ.

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2. a. Tangente T0 au point d’abscisse 0

f′(0) = −1+1e0 = −12, f(0) = ln(1 + e0) = ln 2.

T0 : y = f′(0)(x − 0) + f(0).

y = −1
2-x + ln 2

2. b. Convexité

f′ est dérivable sur ℝ :

           ex
f′′(x) = ------x-2
        (1 + e )

Pour tout x ∈ ℝ, ex > 0 et (1 + ex)2 > 0, donc f′′(x) > 0.

f est convexe sur ℝ.

2. c. Position relative

f convexe donc 𝒞 est au-dessus de ses tangentes, en particulier T0 :

f(x) ≥−1
--
2x + ln 2 (∀x ∈ ℝ)

3. a. Relation f(x) − f(−x)

                       − x           x
f(x) − f(− x) = ln (1 + e  ) − ln(1 + e )

                   (      −x)
f (x) − f(− x) = ln   1-+-e---
                      1 + ex

                  (  −x  x     )
f(x) − f(− x) = ln  e--(e--+-1)   = ln(e−x)
                       1 + ex

f(x) − f(−x) = −x

3. b. Parallélisme de T0 et (MaNa)

Ma(  a  )

  f(a) , Na(  − a )

 f (− a ) .

Coefficient directeur de (MaNa) :

     f(a)-−-f(−-a)-  −-a      1-   ′
m =    a − (− a)   =  2a =  − 2 = f (0)

Les droites T0 et (MaNa) ont même coefficient directeur. Elles sont parallèles.