Analyse · 4 affiches · formule n° 62
La fonction exponentielle
La fonction exponentielle est la seule fonction égale à sa propre dérivée qui vaut 1 en 0. Elle transforme les sommes en produits : e^(a+b) = e^a × e^b.
Quatre styles
Les affiches
La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.
Ce que dit la formule
La fonction exponentielle, notée , est l’unique fonction définie et dérivable sur l’ensemble des réels qui vérifie à la fois et . On écrit , où vaut environ 2,718 281 828. L’affiche réunit ses deux propriétés fondamentales : pour tous réels , et ,
- , , : des nombres réels quelconques, positifs, négatifs ou nuls.
- : la valeur de la fonction exponentielle en . Pour un entier , elle coïncide avec la puissance habituelle ( facteurs), ce qui justifie la notation.
- : la dérivée de la fonction . Dire qu’elle est égale à signifie qu’en tout point, la pente de la courbe est égale à sa hauteur.
- : l’exponentielle transforme une somme en produit. C’est la « règle des puissances » prolongée à tous les exposants réels.
Conséquences directes. ; pour tout ; ; pour tout , la droite étant la tangente en 0. La fonction est strictement croissante, tend vers quand tend vers et vers 0 quand tend vers : l’axe des abscisses est une asymptote.
La condition compte. La fonction est elle aussi égale à sa dérivée, mais elle vaut 3 en 0. Plus généralement, les fonctions égales à leur dérivée sont exactement les , avec constante. Et une autre base ne convient pas : la dérivée de vaut , environ .
Un exemple
Une somme devenue produit. , environ 7,389 056.
Une croissance de 3 % par unité de temps. Une quantité dont la vitesse de variation est proportionnelle à elle-même, , avec , vaut . On le vérifie : la dérivée de est .
- Au temps : , environ 1 349,858.
- La quantité double quand , c’est-à-dire , environ 23,104 9, où est le logarithme népérien, réciproque de l’exponentielle.
Une approximation par la tangente. Près de 0, : pour , cela donne 1,1, alors que vaut environ 1,105 170 9. En ajoutant le terme , on obtient 1,105, à moins de 0,000 171 près. C’est le début de la formule de Taylor appliquée à l’exponentielle.
Pourquoi c’est vrai
On admet ici l’existence d’une fonction dérivable sur avec et : on peut la construire comme la somme de la série ou comme la limite de , mais la démonstration complète dépasse le cadre de cette page. Tout le reste se démontre avec la seule règle « une fonction de dérivée nulle sur un intervalle est constante ».
Elle ne s’annule jamais. Posons . Sa dérivée vaut . Donc est constante, égale à : , et n’est jamais nul.
La somme devient produit. Fixons et posons . Sa dérivée vaut . Donc est constante, égale à : .
Elle est unique. Si vérifie aussi et , la dérivée de vaut , donc est constante, égale à 1 : .
La pente égale la hauteur. La tangente à la courbe au point d’abscisse a pour équation . Elle coupe l’axe des abscisses quand , soit en : toujours une unité plus à gauche. C’est ce que montre l’affiche.
Les programmes de l’atelier vérifient tout cela par le calcul : dérivée numérique égale à la fonction en 10 000 points, sur 10 000 couples, solution de calculée pas à pas (méthode de Runge-Kutta) qui retrouve en , série , et les contre-exemples et .
Un peu d’histoire
La première apparition connue de la fonction exponentielle est généralement rapportée à Jacques Bernoulli, qui étudie en 1683 les intérêts composés : en capitalisant de plus en plus souvent, on tombe sur la limite de , le nombre que l’on note aujourd’hui .
C’est Leonhard Euler qui fait de l’exponentielle une fonction à part entière. Dans son Introductio in analysin infinitorum, publiée en 1748, il introduit les puissances pour un exposant réel quelconque, présente le logarithme comme leur réciproque, définit comme le nombre dont le logarithme « hyperbolique » vaut 1 et donne le développement de l’exponentielle en série. Dans le même ouvrage, il relie l’exponentielle aux fonctions trigonométriques : c’est la formule d’Euler.
Ce que montre l’affiche
Le dessin trace la courbe entre et , et ses tangentes aux points d’abscisses , et . Sous chaque tangente, un triangle coloré a pour hauteur (écrite près du point) et pour base le segment qui va du pied de la tangente au pied de la verticale ; le programme calcule où chaque tangente coupe l’axe, et la base mesure toujours exactement 1, soulignée et marquée « 1 » sous l’axe. La pente de chaque tangente, hauteur divisée par base, est donc égale à la hauteur : c’est la formule rendue visible. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.
Pour aller plus loin
- Le nombre e, la valeur de l’exponentielle en 1.
- Le logarithme népérien, sa fonction réciproque.
- La dérivée, pour la notion de pente d’une tangente.
- La formule de Taylor, qui retrouve la série .
- La formule d’Euler, l’exponentielle des nombres imaginaires.
Sources : Fonction exponentielle (Wikipédia) (nouvel onglet), Exponential function (Wikipedia) (nouvel onglet), Exponential Function (MathWorld) (nouvel onglet), NIST DLMF, § 4.2 (nouvel onglet), Introductio in analysin infinitorum (Wikipedia) (nouvel onglet).
Vérifiée par le calcul
Les contrôles de cette formule
Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode
- (eˣ)′ = eˣ : dérivée numérique sur 10 000 réels tirés au hasard dans [−20, 20]écart relatif maximal 6.67e-9
- e^(a+b) = eᵃ·eᵇ sur 10 000 couples tirés au hasardécart relatif maximal 3.53e-16
- y′ = y, y(0) = 1 résolue pas à pas (Runge-Kutta, 4 000 pas) : y(1) = eobtenu 2.7182818284590518, attendu 2.718281828459045, écart 2.45e-15 (tolérance 1e-13)
- série Σ 1/n! = e = 2,718 281 828 459 045… (OEIS A001113)obtenu 2.7182818284590455, attendu 2.718281828459045, écart 1.63e-16 (tolérance 1e-15)
- série Σ xⁿ/n! = eˣ sur 2 000 réels de [−3, 10]écart relatif maximal 9.43e-15
- e⁰ = 1 ; eˣ > 0, e^(−x)·eˣ = 1 et eˣ ≥ 1 + x sur 10 000 réels
- dessin : tangentes en -1.5 ; 0 ; 1.5 : pieds sur l’axe en -2.500000000 ; -1.000000000 ; 0.500000000 = a − 1
- contre-exemple : (2ˣ)′ = 2ˣ·ln 2 ≠ 2ˣ (en x = 1 : 1,386… et non 2)dérivée 1.386294361
- contre-exemple : 3eˣ est égale à sa dérivée mais vaut 3 en 0 (la condition f(0) = 1 est nécessaire)
Sources
Questions fréquentes
Quelle est la dérivée de e^x ?
La dérivée de est elle-même : en chaque point, la pente de la courbe est égale à sa hauteur. Plus généralement, la dérivée de est .
Pourquoi e^x est-elle toujours positive ?
Pour tout réel , , donc n’est jamais nul ; comme la fonction est continue et vaut 1 en 0, elle ne peut pas changer de signe. On peut aussi écrire , un carré non nul.
Que vaut e^0 ?
, par définition de la fonction exponentielle, et cela découle aussi de .
Quelle est la limite de e^x en moins l’infini ?
Quand tend vers , tend vers 0 sans jamais l’atteindre ; quand tend vers , tend vers , plus vite que toute puissance de .
Quelle différence entre exp(x) et e^x ?
Aucune : ce sont deux notations de la même fonction. La notation rappelle que, pour entier, il s’agit bien de la puissance -ième du nombre .



