CARACTÉRISATION DE LA FONCTION EXPONENTIELLE

Cours

On cherche à déterminer une fonction dérivable sur $\mathbb{R}$ qui soit égale à sa fonction dérivée.

On admet que cette fonction existe.

Propriété 1 :

Il existe une unique fonction $f$ dérivable sur $\mathbb{R}$ telle que $f(0) = 1$ et $f' = f$.

$\forall x \in \mathbb{R},\ f(x) \neq 0$

Démonstration :

  • La première partie de la propriété est admise.
  • On montre $\forall x \in \mathbb{R},\ f(x) \neq 0$.

Soit $h : x \mapsto h(x) = f(x) \times f(-x)$ ;

$h$ est le produit de 2 fonctions dérivables sur $\mathbb{R}$, donc $h$ est dérivable sur $\mathbb{R}$.

$\forall x \in \mathbb{R},\ h'(x) = f'(x) \times f(-x) + f(x) \times (-1) \times f'(-x) = f'(x) \times f(-x) - f(x) \times f'(-x)$.

or $f' = f$ donc $\forall x \in \mathbb{R},\ h'(x) = f(x) \times f(-x) - f(x) \times f(-x) = 0$.

Donc $h$ est une fonction constante sur $\mathbb{R}$.

De plus, $h(0) = f(0) \times f(-0) = f(0)^2 = 1^2 = 1$.

Donc $\forall x \in \mathbb{R},\ h(x) = f(x) \times f(-x) = 1$
d'où $\forall x \in \mathbb{R},\ f(x) \neq 0$ ($A \times B \neq 0 \implies A \neq 0 \text{ et } B \neq 0$).

Définition 1 :

On appelle fonction exponentielle, notée exp, la fonction dérivable sur $\mathbb{R}$ telle que :

$$ \exp' = \exp \quad \text{et} \quad \exp(0) = 1 $$

Propriété 2 :

$\forall x, y \in \mathbb{R},\ \exp(x + y) = \exp(x) \times \exp(y)$

Démonstration :

Soit $y$ un réel fixé.

On considère la fonction $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = \dfrac{\exp(x+y)}{\exp(x)}$ (d'après la propriété 1, $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(x) \neq 0$).

$f$ est le quotient de 2 fonctions dérivables sur $\mathbb{R}$, donc $f$ est dérivable sur $\mathbb{R}$.

$$ \begin{aligned} \forall x \in \mathbb{R},\ f'(x) &= \dfrac{1 \times \exp'(x+y) \times \exp(x) - \exp(x+y) \times \exp'(x)}{(\exp(x))^2} \\[5pt] &= \dfrac{\exp(x+y) \times \exp(x) - \exp(x+y) \times \exp(x)}{(\exp(x))^2} = 0 \end{aligned} $$

donc $f$ est une fonction constante.

Or $f(0) = \dfrac{\exp(0+y)}{\exp(0)} = \exp(y)$ donc $\forall x \in \mathbb{R},\ f(x) = \exp(y)$.

Donc $\forall x \in \mathbb{R},\ f(x) = \dfrac{\exp(x+y)}{\exp(x)} = \exp(y)$
d'où $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(x+y) = \exp(x) \times \exp(y)$.

Propriété 3 :

  • • $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(-x) = \dfrac{1}{\exp(x)}$
  • • $\forall x, y \in \mathbb{R},\ \exp(x - y) = \dfrac{\exp(x)}{\exp(y)}$

Démonstration :

  • D'après la propriété 2, $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(x + (-x)) = \exp(x) \times \exp(-x)$
    or $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(x + (-x)) = \exp(0) = 1$
    donc $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(x) \times \exp(-x) = 1 \iff \forall x \in \mathbb{R},\ \exp(-x) = \dfrac{1}{\exp(x)}$.
  • $\forall x, y \in \mathbb{R},\ \exp(x - y) = \exp(x + (-y)) = \exp(x) \times \exp(-y)$.
    On applique le résultat précédent :
    $\forall x, y \in \mathbb{R},\ \exp(x) \times \exp(-y) = \exp(x) \times \dfrac{1}{\exp(y)} = \dfrac{\exp(x)}{\exp(y)}$.
    Donc $\forall x, y \in \mathbb{R},\ \exp(x - y) = \dfrac{\exp(x)}{\exp(y)}$.

Propriété 4 :

$\forall x \in \mathbb{R},\ \forall n \in \mathbb{N},\ \exp(nx) = (\exp(x))^n$

Propriété admise.

Notation :

On note $\exp(1) = e$. En utilisant la calculatrice, on obtient : $e \approx 2{,}718$.

D'où, on peut écrire, $\exp(1 \times n) = (\exp(1))^n = e^n$. On admet qu'on peut étendre cette notation aux réels.

On note donc : $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(x) = e^x$.

Récapitulatif :

  • $\forall x \in \mathbb{R},\ \exp(x) = e^x \quad;\quad e^0 = 1 \quad;\quad e^1 = e \approx 2{,}718 \quad;\quad e^{-x} = \dfrac{1}{e^x}$
  • $\forall x, y \in \mathbb{R},\ e^{x+y} = e^x \times e^y \quad;\quad e^{x-y} = \dfrac{e^x}{e^y} \quad;\quad e^{nx} = (e^x)^n$

Remarque : Pour tout réel $a$, la suite $(e^{na})$ est une suite géométrique de raison $e^a$.