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Prepa Help › Cours › Outils mathématiques, 1re et 2e années

Fonctions usuelles et lecture des graphes en prépa : exponentielle, logarithmes, échelles semi-log et log-log

Connaître et tracer les fonctions du physicien, lire un graphe et choisir son échelle : affine, puissance, exponentielle, logarithme, trigonométrie, échelles semi-logarithmique et log-log, tracés avec matplotlib, en physique, en chimie et en SII.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Lire un graphe, c'est regarder dans l'ordre les axes, les échelles, la forme et les valeurs repères, puis traduire ce qu'on lit en paramètres d'une loi. Une évolution exponentielle s'écrit y(t)=y∞+(y0−y∞) e−t/τy(t) = y_\infty + (y_0 - y_\infty)\,\mathrm e^{-t/\tau} et se lit avec trois nombres ; une droite en semi-log signale une exponentielle, une droite en log-log une loi de puissance, dont l'exposant se compte en décades. Ce chapitre d'outils mathématiques vaut pour les filières scientifiques du Maroc et de France, avec des fonctions exigibles réduites en ATS II et ATS GC ; il sert en physique, en chimie et en sciences industrielles, en TP comme à l'écrit des concours.

Ce que tu sauras faire

Un débit relevé d'heure en heure, une tension qui remonte en arrondi, un diagramme aux axes gradués 11, 1010, 100100 : en physique, en chimie et en sciences industrielles, une grande part des points se gagne en lisant une courbe. Une courbe bien lue dit la loi, ses paramètres et son domaine ; mal lue, elle fait perdre une question entière pour un axe mal regardé. Ce chapitre donne les fonctions que tu dois reconnaître d'un coup d'œil et les gestes de lecture que les concours attendent. À la fin, tu dois savoir :

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Notations
  • y0y_0, y∞y_\infty, τ\tau : valeurs initiale et finale, constante de temps ; t5 %t_{5\,\%} : temps de réponse à 5 %5\ \% ; t1/2t_{1/2} : temps de demi-réaction.
  • ln⁡\ln népérien, log⁡\log décimal ; y=a1x+a0y = a_1x + a_0 ; y=Kxαy = Kx^\alpha ; H(t)\mathrm H(t) : échelon.
  • Ps\mathcal P_s : puissance surfacique, dont l'irradiance. Jamais u(I)u(I) pour une tension : u(x)u(x) est une incertitude-type.
À retenir Lire un graphe

Dans l'ordre : axes (grandeur, unité, facteur en tête d'axe), échelles (linéaire ou logarithmique, sens, origine), forme, valeurs repères. Une pente a pour unité le quotient des unités des axes ; elle se calcule sur deux points de la droite moyenne, éloignés l'un de l'autre.

Allures à reconnaître d'un coup d'œil : droite, x², racine de x, 1/x, croissance et décroissance exponentielles, logarithme, cosinus.
Allures à reconnaître d'un coup d'œil : droite, x², racine de x, 1/x, croissance et décroissance exponentielles, logarithme, cosinus.
À retenir Puissances

y=Kxαy = Kx^\alpha : multiplier xx par ss multiplie yy par sαs^\alpha. Parabole y=a2x2+a1x+a0y = a_2x^2 + a_1x + a_0 : sommet en x=−a1/(2a2)x = -a_1/(2a_2).

À retenir Exponentielle
  • Forme canonique : y(t)=y∞+(y0−y∞) e−t/τy(t) = y_\infty + (y_0 - y_\infty)\,\mathrm e^{-t/\tau}.
  • Trajet parcouru : 63,2 %63{,}2\ \% à τ\tau ; 86,5 %86{,}5\ \% à 2τ2\tau ; 95,0 %95{,}0\ \% à 3τ3\tau ; 99,3 %99{,}3\ \% à 5τ5\tau. Le pourcentage porte sur le trajet y∞−y0y_\infty - y_0, pas sur y∞y_\infty.
  • La tangente à l'origine coupe l'asymptote en t=τt = \tau.
  • t5 %≃3,0 τt_{5\,\%} \simeq 3{,}0\,\tau au premier ordre seulement.
  • t1/2=τln⁡2t_{1/2} = \tau\ln2 ; ordre 1 : t1/2=ln⁡2/kt_{1/2} = \ln2/k, indépendant de [A]0[\mathrm A]_0 ; ordre 2 : t1/2=1/(k[A]0)t_{1/2} = 1/(k[\mathrm A]_0).
À retenir Logarithmes

ln⁡(a/b)=ln⁡a−ln⁡b\ln(a/b) = \ln a - \ln b ; ln⁡10≃2,30\ln10 \simeq 2{,}30 ; log⁡2≃0,30\log2 \simeq 0{,}30 ; log⁡3≃0,48\log3 \simeq 0{,}48 ; log⁡5≃0,70\log5 \simeq 0{,}70. Une décade : facteur 1010. Doubler une puissance : +3,0+3{,}0 dB. Diluer dix fois un acide fort : +1+1 de pH, loin de pH=7\mathrm{pH} = 7. L'argument est sans dimension. Incertitude : u(ln⁡y)=u(y)/∣y∣u(\ln y) = u(y)/\lvert y\rvert.

À retenir Sinusoïde

Amplitude : moitié de l'écart entre maximum et minimum. ω=2π/T0\omega = 2\pi/T_0. ∣φ∣=2π ∣Δt∣/T0\lvert\varphi\rvert = 2\pi\,\lvert\Delta t\rvert/T_0. Le maximum qui vient le premier est en avance.

À retenir Réponse à un échelon

Regarder l'entrée. Tangente à l'origine de pente non nulle : premier ordre ; horizontale : ordre au moins 2. Gain statique : rapport des variations, avec son unité.

À retenir Comportements

Terme dominant aux deux bouts, en comparant des grandeurs de même dimension. Une asymptote est une forme suivie, pas seulement une limite. Un extremum : y′=0y' = 0, nature, valeur, signification.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 20 méthodes, 17 pièges corrigés, la carte mentale, 39 exercices corrigés, 4 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Les trois premiers chapitres de chaque matière sont offerts avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

  1. Lire un graphe dans l'ordre : axes, unités, échelles, origine, forme, valeurs repères
  2. Calculer une pente et une ordonnée à l'origine avec leurs unités
  3. Reconnaître une fonction à son allure et à deux valeurs repères, prévoir l'effet d'un doublement
  4. Mettre une évolution sous forme canonique et lire y0y_0, y∞y_\infty, τ\tau
  5. Lire τ\tau sur un graphe : tangente à l'origine, 63 %, t5 %t_{5\,\%}
  6. Lire un temps de demi-réaction et tester s'il dépend de la valeur initiale
  7. Lire une réponse indicielle : ordre, gain statique, t5 %t_{5\,\%}, dépassement
  8. Trouver un comportement asymptotique : terme dominant, cas limites
  9. Tracer l'allure d'une fonction du physicien sans étude complète
  10. Trouver un extremum et dire ce qu'il signifie
  11. Lire une sinusoïde : amplitude, période, décalage, déphasage
  12. Choisir la transformation qui rend une loi rectiligne
  13. Reconnaître une exponentielle en semi-log et en tirer τ\tau
  14. Placer et lire un point sur un axe logarithmique, compter des décades
  15. Reconnaître une loi de puissance en log-log, en tirer l'exposant et la constante
  16. Lire un réseau de courbes, un abaque, des courbes iso-valeur
  17. Tracer un graphe de compte rendu : titre, axes, unités, points, barres, échelle
  18. Tracer avec matplotlib : courbe, nuage, deux courbes, axes logarithmiques
  19. Lire un diagramme de Bode : point, pente, coupure, signal de sortie
  20. Passer d'un tableau à un graphe et rédiger une courte synthèse

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (16)

Entraînement (17)

Approfondissement (6)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Questions fréquentes

Comment déterminer graphiquement une constante de temps ?

Lis d'abord la valeur initiale y0y_0 et la valeur finale y∞y_\infty. Trace ensuite la tangente à l'origine : elle coupe l'asymptote y=y∞y = y_\infty à l'instant t=τt = \tau. Tu peux aussi calculer y0+0,632 (y∞−y0)y_0 + 0{,}632\,(y_\infty - y_0) et lire l'instant où la courbe atteint cette valeur. Sur des mesures bruitées, la tangente est difficile à poser : la droite ln⁡∣y−y∞∣\ln\lvert y - y_\infty\rvert en fonction de tt, de pente −1/τ-1/\tau, exploite tous les points utiles, si y∞y_\infty est connu.

Pourquoi 63 % pour la constante de temps ?

Après une durée τ\tau, l'écart à la valeur finale a été multiplié par e−1≃0,37\mathrm e^{-1} \simeq 0{,}37 : il reste 37 %37\ \% du trajet, donc 63 %63\ \% ont été parcourus. Le pourcentage porte sur le trajet de y0y_0 à y∞y_\infty, pas sur la valeur finale. Pour une montée de 22 à 1010 V, le point à τ\tau est à 7,17{,}1 V, et non à 6,36{,}3 V. Après 3τ3\tau, 95 %95\ \% du trajet sont faits ; après 5τ5\tau, 99,3 %99{,}3\ \%.

Le temps de réponse à 5 % vaut-il toujours trois fois la constante de temps ?

Non, seulement au premier ordre, où t5 %=τln⁡20≃3,0 τt_{5\,\%} = \tau\ln 20 \simeq 3{,}0\,\tau. Pour un second ordre, on lit le temps de réponse directement sur la courbe : c'est l'instant de la dernière entrée dans la bande à ±5 %\pm 5\ \% de la valeur finale. Pour reconnaître l'ordre, regarde la tangente à l'origine : pente non nulle au premier ordre, tangente horizontale pour un ordre au moins égal à 22.

Comment lire une échelle logarithmique ?

Chaque décade, où la grandeur est multipliée par 1010, a la même longueur, et les graduations se resserrent vers le haut : 22 est à 30 %30\ \% de la décade, 33 à 48 %48\ \%, 55 à 70 %70\ \%. Le milieu de la décade entre 1010 et 100100 vaut 3232, pas 5555. Un axe logarithmique n'a pas de zéro, et les longueurs n'y sont pas proportionnelles aux écarts : on ne lit pas linéairement entre deux graduations et on ne fait pas de rapport de longueurs.

Quelle est la différence entre un graphe semi-log et un graphe log-log ?

En semi-log, seule l'ordonnée est logarithmique : une droite signale une exponentielle, et une décade perdue correspond à une durée τln⁡10≃2,3 τ\tau\ln 10 \simeq 2{,}3\,\tau. En log-log, les deux axes sont logarithmiques : une droite signale une loi de puissance y=Kxαy = Kx^\alpha. Une droite ainsi obtenue suggère la loi ; elle ne la prouve pas sans examen des incertitudes.

Comment trouver l'exposant d'une loi de puissance sur un graphe log-log ?

Choisis deux points éloignés sur la droite, et compte les décades parcourues sur chaque axe : α\alpha est le nombre de décades parcourues en yy divisé par le nombre de décades parcourues en xx. Ne mesure pas la pente à la règle : les deux axes n'ont pas forcément la même longueur de décade. La constante KK est la valeur de yy en x=1x = 1. Sans graphe, deux points suffisent : α=ln⁡(y2/y1)/ln⁡(x2/x1)\alpha = \ln(y_2/y_1)/\ln(x_2/x_1).

Comment linéariser une loi pour obtenir une droite ?

On choisit les variables qui rendent la loi affine. Pour y=y0 e−t/τy = y_0\,\mathrm e^{-t/\tau}, on porte ln⁡y\ln y en fonction de tt, de pente −1/τ-1/\tau. Si la valeur finale n'est pas nulle, on porte ln⁡∣y−y∞∣\ln\lvert y - y_\infty\rvert. Pour y=Kxαy = Kx^\alpha, on porte ln⁡y\ln y en fonction de ln⁡x\ln x, de pente α\alpha. Pour la loi d'Arrhenius, on porte ln⁡k\ln k en fonction de 1/T1/T, de pente −Ea/R-E_a/R. L'argument d'un logarithme est rapporté à une unité, et u(ln⁡y)=u(y)/∣y∣u(\ln y) = u(y)/\lvert y\rvert : à bruit constant, les derniers points sont les moins fiables.

Comment y accéder

Ce chapitre fait partie de l'accès complet. Les trois premiers chapitres de chaque matière (deux par bloc en économie et droit, en management et gestion) sont offerts avec un compte d'essai gratuit. Créer un compte d'essai ou se connecter. Pour l'accès complet, les tarifs ou une question, écris-nous sur WhatsApp.

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