Résumé — La fonction exponentielle
Un capital qui rapporte des intérêts, une population de bactéries qui double, un échantillon radioactif qui fond : dans tous ces phénomènes, la vitesse d’évolution est proportionnelle à la quantité présente. La fonction taillée pour ce mécanisme est l’exponentielle — définie par une propriété unique en son genre : elle est sa propre dérivée.
Une définition pas comme les autres
La fonction exponentielle est l’unique fonction dérivable sur vérifiant :
L’existence et l’unicité sont admises en première. On la note . Concrètement, : en chaque point de la courbe, la pente de la tangente est égale à la hauteur du point.
Les propriétés algébriques
La propriété fondamentale
L’exponentielle transforme les sommes en produits. Conséquence immédiate : exp(x) × exp(−x) = exp(0) = 1, donc l’exponentielle ne s’annule jamais et exp(−x) = 1/exp(x).
On pose . La propriété fondamentale donne pour tout entier , ce qui justifie la notation pour tout réel. Les règles sont celles des puissances :
Signe, variations, courbe
- Pour tout réel : — strictement positif, jamais nul, jamais négatif.
- L’exponentielle est strictement croissante sur (sa dérivée est strictement positive).
- La courbe passe par et , avec pour tangente en la droite ; elle s’écrase vers à gauche et grimpe de plus en plus vite à droite.
L’arme pour les équations
Croissance stricte oblige : et . Exemple : . Pour , aucune écriture exacte disponible en première : encadre la solution par balayage à la calculatrice ().
Dériver les fonctions exponentielles
La dérivée de t ↦ e^(at)
Le coefficient a descend en facteur, l’exponentielle reste intacte. C’est la seule fonction composée au programme de première.
Pour une valeur : est strictement croissante (croissance exponentielle) et strictement décroissante (décroissance exponentielle) — leurs courbes sont symétriques par rapport à l’axe des ordonnées.
Le lien avec les suites géométriques
Pour un réel fixé, : la suite est géométrique de raison . Autrement dit, aux abscisses entières, la fonction redonne exactement une suite géométrique : le modèle continu prolonge le modèle discret.
Modéliser avec l’exponentielle
- Croissance : un capital de euros multiplié par chaque année suit la suite géométrique ; le modèle continu du même phénomène s’écrit , avec .
- Décroissance : la masse d’une substance radioactive suit (avec ) : est la quantité initiale, et l’exposant négatif signe la désintégration.
Les pièges classiques
Les quatre erreurs qui coutent cher
n’est pas : l’exponentielle transforme les sommes en produits. , et non . n’est jamais nul : dans une factorisation, le facteur ne change ni le signe ni les solutions. Enfin, pour résoudre , la première ne dispose pas encore de l’outil exact (il arrive en terminale) : balayage à la calculatrice ou lecture graphique, et c’est tout.