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Analyse · 4 affiches · formule n° 63

Le logarithme népérien

Le logarithme népérien ln x est l’aire sous la courbe y = 1/t entre 1 et x. Il transforme les produits en sommes : ln(ab) = ln a + ln b, pour a et b strictement positifs.

Voir les 4 affiches 9 contrôles par le calcul

Pour x>0x > 0, a>0a > 0 et b>0b > 0. Dessin : sous l’hyperbole y=1ty = \frac{1}{t}, les aires de 12\frac{1}{2} à 11, de 11 à 22, de 22 à 44 et de 44 à 88 sont égales ; chacune vaut ln⁡2≈0,693\ln 2 \approx 0{,}693.

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

Pour tout réel xx strictement positif, le logarithme népérien de xx est défini par une intégrale, et il vérifie une règle de calcul remarquable : pour tous réels a>0a > 0 et b>0b > 0,

ln⁡x=∫1xdttln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\ln x = \int_{1}^{x} \frac{\mathrm{d}t}{t} \qquad \ln(ab) = \ln a + \ln b
  • ln⁡x\ln x : le logarithme népérien, ou naturel, de xx.
  • ∫1xdtt\int_{1}^{x} \frac{\mathrm{d}t}{t} : l’intégrale de la fonction t↦1tt \mapsto \frac{1}{t} de 1 à xx. Pour x>1x > 1, c’est l’aire sous l’hyperbole y=1ty = \frac{1}{t} entre t=1t = 1 et t=xt = x ; pour 0<x<10 < x < 1, les bornes sont dans l’autre sens et l’intégrale vaut l’opposé de l’aire entre xx et 1, donc ln⁡x<0\ln x < 0.
  • tt : la variable d’intégration, qui va de 1 à xx.
  • aa, bb : deux réels strictement positifs ; abab est leur produit.

Autrement dit, ln\ln est la primitive de x↦1xx \mapsto \frac{1}{x} sur ]0;+∞[]0\,; +\infty[ qui s’annule en 1 : ln⁡1=0\ln 1 = 0 et (ln⁡x)′=1x(\ln x)' = \frac{1}{x}. C’est aussi la fonction réciproque de la fonction exponentielle : eln⁡x=xe^{\ln x} = x pour x>0x > 0 et ln⁡(ey)=y\ln(e^y) = y pour tout réel yy. En particulier ln⁡e=1\ln e = 1.

Règles qui en découlent, pour a>0a > 0 et b>0b > 0 : ln⁡1a=−ln⁡a\ln\frac{1}{a} = -\ln a, ln⁡ab=ln⁡a−ln⁡b\ln\frac{a}{b} = \ln a - \ln b, et ln⁡(an)=nln⁡a\ln(a^n) = n \ln a pour tout entier nn (et même tout réel nn).

Les conditions comptent. Le logarithme d’un nombre négatif ou nul n’est pas défini en analyse réelle : l’intégrale ne peut pas franchir t=0t = 0, où 1t\frac{1}{t} n’existe pas. Avec a=b=−2a = b = -2, le produit ab=4ab = 4 a bien un logarithme, environ 1,386, mais ln⁡(−2)+ln⁡(−2)\ln(-2) + \ln(-2) n’a aucun sens. Pour des nombres non nuls de signe quelconque, la règle correcte est ln⁡|ab|=ln⁡|a|+ln⁡|b|\ln|ab| = \ln|a| + \ln|b|.

Un exemple

Un logarithme connu en donne d’autres. Sachant que ln⁡2\ln 2 vaut environ 0,693 147 et ln⁡3\ln 3 environ 1,098 612 :

  1. ln⁡8=ln⁡(23)=3ln⁡2\ln 8 = \ln(2^3) = 3 \ln 2, environ 2,079 441.
  2. ln⁡6=ln⁡2+ln⁡3\ln 6 = \ln 2 + \ln 3, environ 1,791 759.
  3. ln⁡12=−ln⁡2\ln \frac{1}{2} = -\ln 2, environ −0,693147-0{,}693\,147.

Résoudre une équation où l’inconnue est en exposant. À partir de combien de doublements dépasse-t-on 1 000 ? On cherche le plus petit entier nn tel que 2n>10002^n > 1\,000. Le logarithme est strictement croissant, donc cette inégalité équivaut à nln⁡2>ln⁡1000n \ln 2 > \ln 1\,000, soit n>ln⁡1000ln⁡2n > \frac{\ln 1\,000}{\ln 2}, environ 9,965 7. Il faut donc n=10n = 10 doublements : on vérifie que 29=5122^9 = 512 et 210=10242^{10} = 1\,024.

Pourquoi c’est vrai

Par la dérivée. Fixons a>0a > 0 et posons, pour x>0x > 0, g(x)=ln⁡(ax)−ln⁡xg(x) = \ln(ax) - \ln x. En dérivant, g′(x)=a×1ax−1x=0g'(x) = a \times \frac{1}{ax} - \frac{1}{x} = 0. Une fonction de dérivée nulle sur un intervalle est constante, donc g(x)=g(1)=ln⁡a−ln⁡1=ln⁡ag(x) = g(1) = \ln a - \ln 1 = \ln a. Ainsi ln⁡(ax)=ln⁡a+ln⁡x\ln(ax) = \ln a + \ln x pour tout x>0x > 0 ; on prend x=bx = b.

Par les aires, comme sur l’affiche. On découpe l’intégrale en deux : ln⁡(ab)=∫1adtt+∫aabdtt\ln(ab) = \int_1^a \frac{\mathrm{d}t}{t} + \int_a^{ab} \frac{\mathrm{d}t}{t}. Dans la seconde, on pose t=aut = a u, donc dt=adu\mathrm{d}t = a\,\mathrm{d}u, et uu va de 1 à bb :

∫aabdtt=∫1baduau=∫1bduu=ln⁡b.\int_a^{ab} \frac{\mathrm{d}t}{t} = \int_1^{b} \frac{a\,\mathrm{d}u}{a u} = \int_1^{b} \frac{\mathrm{d}u}{u} = \ln b.

Géométriquement : étirer une bande sous l’hyperbole d’un facteur aa en largeur l’écrase du même facteur en hauteur, car la hauteur est 1t\frac{1}{t}. L’aire ne change pas. L’aire de aa à abab est donc toujours celle de 1 à bb : de 1 à 2, de 2 à 4 et de 4 à 8, on trouve chaque fois ln⁡2\ln 2.

Les programmes de l’atelier vérifient tout cela par le calcul : l’intégrale calculée par la méthode de Simpson redonne ln⁡x\ln x sur 1 000 valeurs ; la règle ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\ln(ab) = \ln a + \ln b est contrôlée sur 300 couples avec la seule intégrale, puis sur 10 000 couples ; ln⁡2\ln 2 est recalculé par la série ∑1n2n\sum \frac{1}{n\,2^n} et comparé à ses décimales publiées (suite A002162 de l’OEIS).

Un peu d’histoire

Les logarithmes naissent comme outil de calcul : en 1614, l’Écossais John Napier (Neper en français) publie Mirifici Logarithmorum Canonis Descriptio, avec des tables qui ramènent multiplications et divisions à des additions et des soustractions. Le logarithme « népérien » porte son nom en hommage, mais ses tables ne sont pas, à proprement parler, des tables de logarithmes népériens.

Le lien avec l’aire sous l’hyperbole vient ensuite. On date en général cette découverte des travaux de Grégoire de Saint-Vincent, publiés en 1647 : il montre que ces aires ont la propriété d’additivité des logarithmes, et son élève Alphonse Antoine de Sarasa fait explicitement le rapprochement en 1649. On a longtemps parlé de « logarithme hyperbolique ». En 1668, Nicolaus Mercator publie le développement en série de ln⁡(1+x)\ln(1 + x), qui permet de calculer ces logarithmes. Euler, dans son Introductio in analysin infinitorum de 1748, l’appelle logarithme « naturel ou hyperbolique » et le relie à la base ee. La notation ln\ln est celle recommandée par les normes, notamment ISO 80000-2 ; beaucoup de mathématiciens et de langages de programmation écrivent encore log\log.

Ce que montre l’affiche

Le dessin trace l’hyperbole y=1ty = \frac{1}{t} pour tt positif et colorie, sous la courbe, quatre bandes : de 12\frac{1}{2} à 1, de 1 à 2, de 2 à 4 et de 4 à 8. Chaque bande est deux fois plus large que la précédente, et deux fois moins haute ; le programme calcule son aire par intégration numérique et trouve chaque fois ln⁡2\ln 2, environ 0,693. L’étiquette « ln⁡2\ln 2 » est posée dans la bande quand elle y tient, sinon juste à côté ; les bornes sont écrites sous l’axe. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Sources : Logarithme népérien (Wikipédia) (nouvel onglet), Natural logarithm (Wikipedia) (nouvel onglet), Natural Logarithm (MathWorld) (nouvel onglet), Suite A002162 (OEIS) (nouvel onglet), John Napier (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

  • ∫₁ˣ dt/t (méthode de Simpson) = ln x sur 1 000 réels de [e⁻³, e³]écart maximal 1.68e-11
  • ln(ab) = ln a + ln b avec la seule définition par l’intégrale (300 couples)écart maximal 3.32e-10
  • ln(ab) = ln a + ln b sur 10 000 couples de réels positifs (de e⁻⁵⁰ à e⁵⁰)écart maximal 4.44e-16
  • (ln x)′ = 1/x et e^(ln x) = x sur 10 000 réels positifsécart relatif maximal 5.10e-11
  • ln 2 = Σ 1/(n·2ⁿ) = 0,693 147 180 559 945… (OEIS A002162)obtenu 0.6931471805599451, attendu 0.6931471805599453, écart 3.20e-16 (tolérance 1e-15)
  • ln 1 = 0 ; ln e = 1
  • dessin : aires des bandes [0.5 ; 1], [1 ; 2], [2 ; 4], [4 ; 8] = ln 20.693147180560 ; 0.693147180560 ; 0.693147180560 ; 0.693147180560
  • légende : ln 2 ≈ 0,693 (tronqué)
  • contre-exemple : a = b = −2 donne ab = 4 et ln 4 ≈ 1,386, mais ln(−2) n’existe pas

Sources

Questions fréquentes

Que vaut ln 1 ?

ln⁡1=0\ln 1 = 0, car l’intégrale de 1 à 1 est nulle. Le logarithme est négatif entre 0 et 1, positif au-delà de 1.

Peut-on calculer le logarithme de 0 ou d’un nombre négatif ?

Non : ln⁡x\ln x n’est défini que pour x>0x > 0. Quand xx tend vers 0 par valeurs positives, ln⁡x\ln x tend vers −∞-\infty.

Quelle est la dérivée de ln x ?

Pour x>0x > 0, la dérivée de ln⁡x\ln x est 1x\frac{1}{x}. C’est la définition même : ln\ln est la primitive de 1x\frac{1}{x} qui s’annule en 1.

Quelle différence entre ln et log ?

ln\ln désigne le logarithme népérien, de base ee ; au lycée, log\log désigne souvent le logarithme décimal, de base 10, avec log⁡x=ln⁡xln⁡10\log x = \frac{\ln x}{\ln 10}. Mais dans beaucoup d’ouvrages de mathématiques et de langages de programmation, log\log désigne le logarithme népérien : il faut vérifier la convention.

Pourquoi ln(e) = 1 ?

Parce que le logarithme népérien est la réciproque de l’exponentielle et que e=e1e = e^1 : ln⁡(e1)=1\ln(e^1) = 1. Géométriquement, l’aire sous l’hyperbole y=1ty = \frac{1}{t} entre 1 et ee vaut exactement 1.