6.1 En +∞
Quand x→+∞, lnx et x tendent tous les deux vers +∞ : le quotient xlnx est une forme indéterminée.
Théorème. Pour tout entier n≥1,
limx→+∞xnlnx=0.
Démonstration. Cas n=1. On pose X=lnx, donc x=eX. Quand x→+∞, X→+∞, et
xlnx=eXX.
D'après la croissance comparée du chapitre 4, X→+∞limeXX=0. Donc x→+∞limxlnx=0.
Cas n≥2. xnlnx=xlnx×xn−11, produit de deux facteurs qui tendent vers 0.
6.2 En 0 : la limite de xlnx
Théorème (démonstration du programme).
limx→0+xlnx=0.
Démonstration. Quand x→0+, xlnx est de la forme « 0×(−∞) », indéterminée. On pose X=lnx, donc x=eX. Quand x→0+, X→−∞ (leçon 5), et
xlnx=eX×X=XeX.
D'après le chapitre 4, X→−∞limXeX=0. Donc x→0+limxlnx=0.
Conséquence. Pour tout entier n≥1, x→0+limxnlnx=0 : pour n≥2, xnlnx=xn−1×xlnx, produit de deux facteurs qui tendent vers 0.
6.3 La règle à retenir
En +∞ comme en 0, face à une puissance de x, c'est la puissance qui l'emporte sur le logarithme.
En +∞, les trois fonctions lnx, xn et ex tendent vers +∞, de plus en plus vite. Quelques valeurs :
- pour x=106 : lnx≈13,8 et xlnx≈0,000014 ;
- pour x=0,001 : lnx≈−6,9 et xlnx≈−0,0069.
6.4 Exemples
Exemple 24. x→+∞lim(x−lnx) : forme « ∞−∞ ». On factorise par x :
x−lnx=x(1−xlnx).
Par croissance comparée, la parenthèse tend vers 1 ; donc x→+∞lim(x−lnx)=+∞.
Exemple 25. x→0+limx(lnx−2)=x→0+lim(xlnx−2x)=0−0=0, et x→+∞limx23lnx=3×0=0.
Exemple 26 : étude de f(x)=xlnx sur ]0;+∞[.
- Limites. En 0+ : lnx→−∞ et x1→+∞, donc f(x)=lnx×x1→−∞ (ce n'est pas une forme indéterminée). En +∞ : f(x)→0 par croissance comparée. Les deux axes sont asymptotes.
- Dérivée. Par la règle du quotient : f′(x)=x2x1×x−lnx×1=x21−lnx, du signe de 1−lnx : positive si x<e, négative si x>e.
| x |
0 |
|
e |
|
+∞ |
| f′(x) |
‖ |
+ |
0 |
− |
|
| f |
−∞ |
croissante |
e1 |
décroissante |
0 |
Le maximum est f(e)=e1≈0,368. La courbe coupe l'axe des abscisses en x=1. Conséquence : lnx≤ex pour tout x>0 ; c'est la tangente de la leçon 5, qui passe par l'origine.