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La fonction $f$ est définie sur $D_f$ par $f(x)=3x-3ln\left(e^x+1\right)$.
  1. Déterminer l'ensemble de définition $D_f$ de $f$.
    Pour que $f$ soit définie il faut $e^x+1 >0$
    $ln$ est définie sur $]0;+\infty[$ donc il faut $e^x+1 > 0$
    Pour tout réel $x$ on a $e^x >0$ donc $e^x+1>1>0$
  2. Déterminer l'ensemble de dérivabilité de $f$ puis calculer $f'(x)$.

    Équations et inéquations avec exponentielle


    Pour se ramener à une égalité de la forme $e^A=e^B$ on utilise $e^{ln(a)}=a$ ($a > 0$).
    Par exemple:
    $e^{x+1}=3 \Longleftrightarrow e^{x+1}=e^{ln(3)}$
    $~~~~~~~~ \Longleftrightarrow x+1=ln(3)$
    $~~~~~~~~ \Longleftrightarrow x=ln(3)-1$
    On pose $u(x)=e^x+1$ et on a $f(x)=3x-3ln(u(x))$
    On pose $u(x)=e^x+1$ dérivable sur $D_f=\mathbb{R}$ avec $u(x)>0$
    donc $-3ln(u)$ est dérivable sur $D_f$.
    Si on pose $v(x)=3x$ on a $v$ dérivable sur $D_f$
    donc la somme $f=v-3ln(u)$ est dérivable sur $D_f$
    $u'(x)=e^x+0=e^x$
    $f'(x)=v'(x)-3\dfrac{u'(x)}{u(x)}=3-3\dfrac{e^x}{e^x+1}$
  3. En déduire le sens de variation de $f$ sur $D_f$.
    Il faut réduire $f'(x)$ au même dénominateur
    $f'(x)=3-3\dfrac{e^x}{e^x+1}$
    $\phantom{f'(x)}=\dfrac{3(e^x+1)-3e^x}{e^x+1}$
    $\phantom{f'(x)}=\dfrac{3e^x+3-3e^x}{e^x+1}$
    $\phantom{f'(x)}=\dfrac{3}{e^x+1}$
    $e^x+1 >0$ donc $f'(x)>0$
  4. Calculer $f''(x)$ et en déduire la convexité de $f$.

    Signe de la dérivée seconde


    Soit $f$ définie et dérivable sur un intervalle I de $\mathbb{R}$
    si $f''(x)>0$ sur $I$ alors $f$ est convexe
    si $f''(x)<0$ sur $I$ alors $f$ est concave
    On pose $v(x)=e^x+1$
    On pose $v(x)= e^x+1 $ et $v(x)= e^x $
    $f'(x)=3\times \dfrac{-v'(x)}{(v(x))^2}$
    $\phantom{f'(x)}=3\times \dfrac{-e^x}{( e^x+1 )^2}$
    $\phantom{f'(x)}=\dfrac{-3e^x}{( e^x+1 )^2}$
    $e^x>0$ donc $e^x+1>1$ et $-3e^x < 0$
    donc $f''(x)<0$

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