Première · Mathématiques

Fonction exponentielle

Chapitre 4

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Lis la situation de chaque question, prends une feuille et un stylo pour les calculs, puis sélectionne toutes les propositions exactes. Une, deux, trois ou quatre réponses peuvent être justes ; ouvre ensuite la correction détaillée.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Valeur à l'origine

La fonction exponentielle x ↦ eˣ est étudiée sur ℝ. Quelles valeurs et propriétés à l'origine sont exactes ?

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Réponse attendue : D

  1. A — Faux. L'exponentielle d'un réel est strictement positive, que l'exposant soit positif ou négatif. Par exemple, si x est négatif, eˣ est l'inverse de e à un exposant positif ; cet inverse reste strictement supérieur à zéro.

  2. B — Faux. La dérivée de eˣ est eˣ ; elle vaut e⁰ = 1 au point zéro, donc la tangente n'est pas horizontale.

  3. C — Faux. L'exponentielle ne s'annule jamais et sa valeur à l'origine est précisément 1.

  4. D — Vrai. La condition initiale caractérisant l'exponentielle donne la valeur 1 au point zéro. Le point de la courbe est donc (0 ; 1), et la dérivée y prend aussi la valeur 1.

  5. E — Faux. Cette formule ne correspond pas à l'exponentielle simple ; sa dérivée est exactement eˣ.

Méthode à retenir. Sa définition comprend la condition e⁰ = 1 et le fait qu'elle est sa propre dérivée.

Question 2

Exposant opposé

Pour tout réel x, relier e−x à eˣ, puis spécialiser à x = 2.

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Réponse attendue : A, C

  1. A — Vrai. Le produit eˣe⁻ˣ vaut e^{x−x} = e⁰ = 1 et eˣ n'est jamais nul.

  2. B — Faux. Un exposant négatif donne un inverse positif, non l'opposé d'un nombre positif. À x=2, e−2=1/e² ; confondre inverse et opposé changerait même le signe du résultat.

  3. C — Vrai. Les exposants −2 et 2 s'additionnent en zéro ; le produit vaut e⁰ = 1.

  4. D — Faux. La relation eˣe⁻ˣ = 1 résulte d'une propriété valable pour tout réel x. On vérifie aussi l'identité pour x=−2 : les exposants sont alors 2 et −2, de somme nulle.

  5. E — Faux. L'exponentielle ne s'annule pour aucun réel fini ; elle peut seulement s'approcher de zéro.

Méthode à retenir. Utilise eˣe⁻ˣ = e⁰ = 1 ; les deux facteurs restent positifs.

Question 3

Décroissance e⁻²ˣ

On étudie g(x) = e−2x sur ℝ. Quelles propriétés de signe et de variation sont exactes ?

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Réponse attendue : B, C, D, E

  1. A — Faux. Le signe du coefficient vient de la dérivée de −2x et vaut −2, pas +2.

  2. B — Vrai. L'exposant vaut zéro à l'origine et toute exponentielle e⁰ vaut 1. La valeur initiale ne préjuge pas de l'évolution ensuite : la dérivée −2e−2x est négative partout.

  3. C — Vrai. La règle de chaîne multiplie e^{-2x} par la dérivée −2 de l'exposant. Le facteur −2 vient de la dérivée de −2x ; l'oublier donnerait une pente positive erronée.

  4. D — Vrai. Pour tout x, e^{-2x} > 0 ; la dérivée est donc strictement négative.

  5. E — Vrai. Pour x positif, l'exposant −2x est négatif, mais l'exponentielle e^{-2x} demeure strictement positive.

Méthode à retenir. La dérivée vaut −2e⁻²ˣ : l'exponentielle est positive, le facteur −2 fixe le signe.

Question 4

Somme dans un exposant

On simplifie e2+3 et on compare avec le produit e²e³. Cocher les égalités justes.

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Réponse attendue : C, E

  1. A — Faux. Une somme d'exposants produit un produit de valeurs, et non une somme de valeurs. En particulier, l'égalité exacte est e2+3=e⁵=e²e³ ; remplacer le produit par une somme modifie l'identité.

  2. B — Faux. Le produit des puissances de même base additionne les exposants 2 et 3 ; leur produit 6 ne convient pas.

  3. C — Vrai. Pour des puissances de même base e, on additionne les exposants : 2 + 3 = 5.

  4. D — Faux. Chacun des facteurs exponentiels est strictement positif ; leur produit reste positif. Même sans calculer e² et e³ séparément, leur positivité impose déjà le signe du produit.

  5. E — Vrai. La propriété e^{a+b} = e^a e^b s'applique avec a = 2 et b = 3.

Méthode à retenir. La relation exponentielle transforme une somme d'exposants en produit de deux exponentielles.

Question 5

Croissance continue d'une population

Le temps t est mesuré en années et P(t) = (100 milliers d'individus) × e(0,2 an⁻¹)·t pour t ≥ 0 an.

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Réponse attendue : B, C, E

  1. A — Faux. Sa dérivée vaut (20 milliers d'individus par an) multiplié par une exponentielle strictement positive. Comme le taux 0,2 an−1 est positif, P'(t) reste positif pour toute durée t admissible.

  2. B — Vrai. À l'origine e⁰ = 1 ; la valeur initiale de P est donc 100 milliers d'individus.

  3. C — Vrai. Au bout d'une année, le produit dans l'exposant vaut 0,2 et le coefficient garde son unité d'effectif.

  4. D — Faux. L'exponentielle de zéro vaut 1, pas zéro ; la population initiale est 100 milliers d'individus. À t=0, le facteur e⁰ vaut 1 ; on retrouve donc le coefficient initial 100 milliers.

  5. E — Vrai. La dérivation de l'exponentielle ajoute son coefficient temporel 0,2 an⁻¹ ; P′(t) est un effectif par année.

Méthode à retenir. Le taux 0,2 an⁻¹ multiplié par la durée t en années donne un exposant sans dimension.

Question 6

Égalité d'exponentielles

Résoudre e2x = e⁶ sur ℝ sans utiliser de logarithme.

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Réponse attendue : A, E

  1. A — Vrai. Après 2x = 6, on divise par 2 et vérifie e^{2×3} = e⁶. La stricte croissance de l'exponentielle garantit qu'aucun autre exposant que 6 ne donne e⁶.

  2. B — Faux. La positivité n'impose pas l'égalité de deux valeurs exponentielles ; seule x = 3 convient. Être positifs ne rend pas deux nombres égaux : e² et e⁶ sont positifs mais distincts.

  3. C — Faux. La base e reste la même dans les deux membres ; ce sont les exposants 2x et 6 qu'il faut comparer.

  4. D — Faux. Alors le membre gauche vaut e¹², différent de e⁶ puisque les exposants 12 et 6 diffèrent.

  5. E — Vrai. L'injectivité de l'exponentielle permet d'égaler les deux exposants réels : des images égales proviennent d'antécédents égaux.

Méthode à retenir. L'exponentielle est strictement croissante donc injective : égalité des images, égalité des exposants.

Question 7

Comparer des exponentielles

Comparer e−1, e⁰ et e² sans calculatrice. Lesquelles de ces relations sont justes ?

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Réponse attendue : A, C, E

  1. A — Vrai. Toutes les valeurs de l'exponentielle sont strictement positives, y compris celles d'exposant négatif.

  2. B — Faux. Un exposant négatif signifie réciproque 1/e, nombre positif, et non nombre opposé −e. La notation e−1 désigne 1/e ; un nombre négatif exigerait un signe moins extérieur.

  3. C — Vrai. Appliquer la croissance stricte de l'exponentielle à −1 < 0 < 2 donne e⁻¹ < e⁰ = 1 < e².

  4. D — Faux. À l'exposant zéro, la valeur est 1, condition fondamentale de l'exponentielle. L'ordonnée du point de la courbe d'abscisse zéro est e⁰=1, au-dessus de l'axe horizontal.

  5. E — Vrai. Comme 2 > 1 et que l'exponentielle est croissante, e² > e¹ = e.

Méthode à retenir. La fonction exponentielle est strictement croissante et −1 < 0 < 2.

Question 8

Puissance d'une exponentielle

Un élève élève (eˣ) à la puissance 3. Quelle forme simplifiée convient pour tout réel x ?

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Réponse attendue : D, E

  1. A — Faux. Même pour x négatif, eˣ > 0 ; une puissance entière positive reste positive.

  2. B — Faux. Multiplier par 3 est différent de former un produit de trois facteurs eˣ.

  3. C — Faux. Élever eˣ au cube multiplie l'exposant par 3 ; cela ne transforme pas x en x³.

  4. D — Vrai. Le cube est eˣ × eˣ × eˣ = e^{x+x+x} = e^{3x}. La règle eᵃeᵇ=ea+b est appliquée deux fois ; trois facteurs eˣ conduisent à l'exposant 3x.

  5. E — Vrai. L'exponentielle eˣ est strictement positive ; son cube conserve ce signe. Cette propriété vaut même lorsque x est négatif, car le cube d'un nombre positif reste positif.

Méthode à retenir. Répéter trois fois le même facteur ajoute trois fois l'exposant x.

Question 9

Comparer évolution discrète et continue

Pour n entier naturel, N(n) = 50e0,1n décrit un effectif après n périodes identiques. Étudier N(n + 1)/N(n).

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Réponse attendue : A, C, D

  1. A — Vrai. La formule donne 50e^{0,1(n+1)}/[50e^{0,1n}] = e^{0,1(n+1)−0,1n} = e^{0,1}. Le rapport ne dépend donc pas de n.

  2. B — Faux. Le nombre 0,1 est l'incrément d'exposant ; le multiplicateur des effectifs est e^{0,1}. Une raison géométrique relie deux termes successifs ; elle doit multiplier le terme, et non s'ajouter à l'exposant.

  3. C — Vrai. La raison e^{0,1} dépasse e⁰ = 1 ; multiplier chaque terme positif par cette raison le fait augmenter.

  4. D — Vrai. Le rapport de deux termes consécutifs est constant et indépendant de n, caractéristique d'une suite géométrique. Le quotient Nn+1/Nn ne dépend pas de n, car e0,1n se simplifie.

  5. E — Faux. Une suite géométrique de raison supérieure à 1 a des écarts qui grandissent ; ce n'est pas une suite arithmétique.

Méthode à retenir. Le quotient simplifie e^{0,1n} et laisse un facteur constant e^{0,1}.

Question 10

Dériver une exponentielle composée

Sur ℝ, f(x) = 3e2x. Déterminer f′(x) puis sa valeur en zéro.

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Réponse attendue : A, B

  1. A — Vrai. La dérivée de e^{2x} vaut 2e^{2x}, puis le coefficient extérieur 3 donne 6e^{2x}. On dérive d'abord l'exposant 2x en 2 ; ce facteur se multiplie ensuite au coefficient extérieur 3.

  2. B — Vrai. À l'origine, e⁰ = 1 ; la formule dérivée donne 6 × 1 = 6.

  3. C — Faux. Le nombre f′(0) vaut 6e⁰ = 6 ; la dérivée ne s'annule pas en zéro.

  4. D — Faux. Cette expression oublie le facteur 2 provenant de la dérivée de l'exposant 2x.

  5. E — Faux. L'exponentielle composée avec 2x est définie et dérivable sur tout ℝ. L'exposant 2x accepte tout réel x ; aucune racine carrée ni division par une expression variable n'intervient.

Méthode à retenir. La dérivée de e^{ax} est a e^{ax} ; conserve ensuite le facteur 3.

Question 11

Concentration décroissante

Le temps t est mesuré en heures. Une concentration suit C(t) = (8 mol·L⁻¹) × e−(0,5 h⁻¹)·t pour t ≥ 0 h.

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Réponse attendue : A, B, C

  1. A — Vrai. L'exposant vaut zéro au temps initial ; e⁰ = 1 laisse la concentration égale à 8 mol·L⁻¹.

  2. B — Vrai. À deux heures, l'exposant vaut −(0,5 h⁻¹) × (2 h) = −1 ; e⁻¹ = 1/e. Le temps de 2 h annule l'unité h−1 du taux ; l'exposant −1 est sans dimension.

  3. C — Vrai. Le coefficient 8 mol·L⁻¹ est positif et le facteur exponentiel ne s'annule jamais. Une exponentielle tend éventuellement vers zéro sans l'atteindre à un temps fini ; cela maintient le signe de C(t).

  4. D — Faux. Le modèle est exponentiel, pas affine : il faut évaluer le facteur e^{-1}, non retrancher une quantité.

  5. E — Faux. L'argument de l'exponentielle est sans dimension : 0,5 h⁻¹ multiplié par t en heures n'a pas d'unité.

Méthode à retenir. Le produit du taux 0,5 h⁻¹ par le temps t en heures est sans dimension.

Question 12

Inégalité par croissance

Déterminer les réels x tels que eˣ ≤ e−1. Plusieurs propositions portent sur le sens de l'inégalité.

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Réponse attendue : A, D

  1. A — Vrai. Les deux membres sont alors e⁻¹ ; la borne est incluse à cause du signe ≤.

  2. B — Faux. Le signe de l'exposant ne change pas le sens de variation de x ↦ eˣ, qui reste croissante.

  3. C — Faux. Cette réponse inverse l'ordre, alors que l'exponentielle croissante le conserve. L'inégalité initiale compare les exposants x et −1 ; une fonction croissante interdit de renverser leur ordre.

  4. D — Vrai. La croissance stricte donne eˣ ≤ e⁻¹ si et seulement si x ≤ −1. La borne −1 est incluse parce que l'inégalité autorise l'égalité eˣ=e−1.

  5. E — Faux. On aurait e⁰ = 1 > e⁻¹ puisque −1 < 0 et l'exponentielle est croissante.

Méthode à retenir. L'exponentielle est strictement croissante sur ℝ ; elle conserve donc l'ordre des exposants.

Question 13

Quotient d'exponentielles

Pour x réel, f(x) = (eˣ − 1)/(eˣ + 1). Étudier son domaine, son signe et sa variation.

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Réponse attendue : C, D, E

  1. A — Faux. Pour x négatif, eˣ reste positif ; eˣ + 1 est toujours non nul. La somme eˣ+1 dépasse 1 pour tout réel x ; aucune abscisse négative n'est à exclure du domaine.

  2. B — Faux. Les dérivées au numérateur et au dénominateur ne s'annulent pas dans la règle du quotient ; le résultat est positif.

  3. C — Vrai. Le numérateur eˣ − 1 est nul en zéro et croît avec x ; le dénominateur reste positif.

  4. D — Vrai. La dérivée du quotient vaut 2eˣ/(eˣ + 1)², strictement positive sur ℝ. Le numérateur 2eˣ est positif et le dénominateur carré l'est aussi ; leur quotient ne peut s'annuler.

  5. E — Vrai. Comme eˣ > 0, le dénominateur eˣ + 1 dépasse 1 et ne s'annule jamais.

Méthode à retenir. Le dénominateur est positif ; la dérivée du quotient se simplifie en 2eˣ/(eˣ + 1)².

Question 14

Tangente à l'origine

Pour f(x) = eˣ, écrire la tangente à la courbe au point d'abscisse 0.

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Réponse attendue : B, D

  1. A — Faux. Sa pente est f′(0) = e⁰ = 1, et non zéro. Une tangente horizontale exigerait f'(0)=0, alors que la pente calculée est strictement positive.

  2. B — Vrai. Au point zéro, l'exponentielle vaut 1, et la droite y = x + 1 a la même ordonnée.

  3. C — Faux. Cette droite passe par (0 ; 0), alors que la courbe exponentielle passe par (0 ; 1).

  4. D — Vrai. La formule y = f(0) + f′(0)(x − 0) donne y = 1 + x. L'équation passe bien par (0 ; 1) et possède le coefficient directeur f'(0)=1.

  5. E — Faux. La pente en zéro est e⁰ = 1 ; la valeur e correspond à l'image ou pente en x = 1.

Méthode à retenir. La courbe passe par (0 ; 1) et sa dérivée vaut aussi 1 au point zéro.

Question 15

Produit x eˣ

Sur ℝ, h(x) = xeˣ. On cherche son sens de variation et sa valeur minimale.

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Réponse attendue : B, C, D

  1. A — Faux. Sa dérivée est négative pour x < −1, donc la fonction décroît d'abord. Pour x<−1, le facteur x+1 est négatif tandis que eˣ reste positif ; le produit dérivé est négatif.

  2. B — Vrai. Dériver x donne 1 × eˣ, et dériver eˣ donne x × eˣ ; la somme se factorise.

  3. C — Vrai. En substituant x = −1, on obtient h(−1) = −e^{-1} = −1/e. La dérivée (x+1)eˣ change de signe en −1 ; ce changement confirme que la valeur obtenue est un minimum.

  4. D — Vrai. Le facteur x + 1 passe de négatif à positif en −1, tandis que eˣ reste positif.

  5. E — Faux. Cette expression oublie la dérivation de l'exponentielle dans le second facteur du produit.

Méthode à retenir. La règle du produit donne h′(x) = (x + 1)eˣ ; l'exponentielle reste positive.

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