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Fonctions exponentielles et logarithmes

Logarithme népérien ln(x) : courbe, propriétés, dérivée et primitive

Le logarithme népérien ln x : sa courbe, ses propriétés algébriques, pourquoi sa dérivée vaut 1/x, sa primitive x ln x - x + C et des exemples corrigés.

Fonctions exponentielles et logarithmes Mis à jour Lecture : 3 min

En bref

f(x) = \ln x
Domaine de définition
(0, \infty)
Ensemble image
(-\infty, \infty)
Dérivée
\frac{1}{x}
Primitive
x\ln x - x + C
Valeurs clés
\ln 1 = 0, \ln e = 1
Réciproque
e^x
Asymptote
x = 0
Sur cette page
  1. Définition et formule
  2. Courbe de ln x
  3. Propriétés principales
  4. Propriétés algébriques du logarithme
  5. Dérivée de ln x
  6. Primitive de ln x
  7. Exemples corrigés
  8. Erreurs fréquentes
  9. Liens avec le reste du cours

Le logarithme népérien \ln x répond à la question « à quelle puissance faut-il élever e pour obtenir x ? ». C'est la réciproque de la fonction exponentielle, et sa dérivée est l'expression remarquablement simple \frac{1}{x}, ce qui en fait le logarithme de référence en analyse.

Définition et formule

\ln x = y \iff e^y = x, \qquad x > 0

De manière équivalente, \ln x est l'aire sous la courbe de la fonction inverse entre 1 et x :

\ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt

Courbe de ln x

Courbe de y = ln(x) et de sa réciproque y = eˣ
Le logarithme népérien est le symétrique de e^x par rapport à la droite y = x. Il coupe l'axe des x en (1, 0) et admet une asymptote verticale d'équation x = 0.

Propriétés principales

  • Domaine de définition (0, \infty), ensemble image tous les réels.
  • Valeurs clés : \ln 1 = 0, \ln e = 1, \ln e^k = k.
  • Strictement croissante partout (\frac{1}{x} > 0) et concave (-\frac{1}{x^2} < 0).
  • Asymptote verticale x = 0 : \lim_{x \to 0^+}\ln x = -\infty. De plus \lim_{x \to \infty}\ln x = \infty, mais très lentement ; \ln x croît moins vite que toute puissance positive de x.
  • Identités de réciprocité : e^{\ln x} = x pour x > 0 et \ln e^x = x pour tout x.

Propriétés algébriques du logarithme

Propriété Formule
Produit \ln(ab) = \ln a + \ln b
Quotient \ln\frac{a}{b} = \ln a - \ln b
Puissance \ln(a^k) = k\ln a
Changement de base \log_b x = \frac{\ln x}{\ln b}

Ces formules sont valables pour a, b > 0. Il n'existe aucune formule pour \ln(a + b).

Dérivée de ln x

\frac{d}{dx}\ln x = \frac{1}{x}

Idée de la preuve : si y = \ln x, alors e^y = x. En dérivant implicitement, on obtient e^y y' = 1, donc y' = \frac{1}{e^y} = \frac{1}{x}. Avec la règle de dérivation en chaîne :

\frac{d}{dx}\ln g(x) = \frac{g'(x)}{g(x)}

Primitive de ln x

Par intégration par parties avec u = \ln x, dv = dx, donc du = \frac{1}{x}\,dx et v = x :

\int \ln x\,dx = x\ln x - \int x \cdot \frac{1}{x}\,dx = x\ln x - x + C

Le sens inverse est le plus fréquent : \int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x| + C.

Exemples corrigés

Exemple 1 : règle de dérivation en chaîne. \frac{d}{dx}\ln(x^2 + 1) = \frac{2x}{x^2 + 1}.

Exemple 2 : simplifier d'abord. \frac{d}{dx}\ln\frac{x^3}{x + 1} = \frac{d}{dx}\left[3\ln x - \ln(x + 1)\right] = \frac{3}{x} - \frac{1}{x + 1}.

Exemple 3 : règle du produit. \frac{d}{dx}(x^2\ln x) = 2x\ln x + x.

Exemple 4 : intégrale définie. \int_1^e \ln x\,dx = \left[x\ln x - x\right]_1^e = (e - e) - (0 - 1) = 1.

Exemple 5 : intégrale logarithmique. Avec u = x^2 + 4, \int \frac{2x}{x^2 + 4}\,dx = \ln(x^2 + 4) + C. Pas besoin de valeur absolue puisque x^2 + 4 > 0.

Erreurs fréquentes

  1. Couper le logarithme d'une somme. \ln(x + 1) \ne \ln x + \ln 1.
  2. Écrire \frac{d}{dx}\ln(5x) = \frac{1}{5x}. La règle de dérivation en chaîne donne \frac{5}{5x} = \frac{1}{x}.
  3. Écrire \int \ln x\,dx = \frac{1}{x} + C. C'est la dérivée, pas la primitive.
  4. Confondre \ln x^2 et (\ln x)^2. Le premier vaut 2\ln x ; le second est un carré.
  5. Prendre le \ln de 0 ou d'un nombre négatif. Vérifiez le domaine de définition, surtout après un changement de variable.

Liens avec le reste du cours

Prendre le \ln des deux membres transforme des produits et des puissances difficiles en sommes : c'est l'idée de la dérivation logarithmique. Les logarithmes dans d'autres bases ne sont que des logarithmes népériens multipliés par une constante ; voir les fonctions logarithmes. Pour vous entraîner davantage, lisez le guide sur les dérivées des fonctions exponentielles et logarithmes.

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Questions fréquentes

Quelle est la dérivée de ln x ?

La dérivée de \ln x est \frac{1}{x} pour x > 0. Plus généralement, \frac{d}{dx}\ln|x| = \frac{1}{x} pour tout x \ne 0.

Quelle est la primitive de ln x ?

On intègre par parties avec u = \ln x et dv = dx : \int \ln x\,dx = x\ln x - x + C.

Quelle est la différence entre ln et log ?

\ln x est le logarithme de base e \approx 2.718. Dans la plupart des manuels, \log x désigne le logarithme décimal (base 10), même si certains ouvrages avancés utilisent aussi \log pour la base e.

Quelle est la dérivée de ln(2x) ?

Par la règle de dérivation en chaîne, \frac{d}{dx}\ln(2x) = \frac{2}{2x} = \frac{1}{x}. On peut aussi écrire \ln(2x) = \ln 2 + \ln x, et la constante \ln 2 a pour dérivée 0.

Pourquoi le ln d'un nombre négatif n'est-il pas défini ?

Parce que e^y est strictement positif pour tout réel y : aucune puissance réelle de e n'est égale à un nombre négatif ou nul. Donc \ln x n'est défini que pour x > 0.

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