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Est-ce que (e(x)-e(-x))/2 est bijective sur l’ensemble R
alphonsio

Graphique de la fonction sinh

La fonction exex2\frac{e^x - e^{-x}}{2} est bijective sur l’ensemble R\mathbb{R}.


Pour démontrer la bijectivité, nous allons montrer qu’elle admet pour tout xRx \in \R une unique solution yy dans son ensemble d’arrivée, ici R\R.

Nous allons donc montrer que la fonction f(x)=yf(x)=y n'admet qu'une unique solution avec yRy \in \R.

Résolvons l'équation f(x)=yf(x)=y, d'inconnue xRx \in \R. Pour cela, nous posons X=exX=e^x.
Pour rappel, ex>0e^x>0, donc X>0X>0. Ce point est important pour la suite.

f(x)=exex2X1X=2yf(x)= \frac{e^x-e^{-x}}{2} \Longleftrightarrow X-\frac{1}{X}=2y
X22Xy1=0X^2 - 2Xy -1 =0
En utilisant la relation (Xy)2=X2+y22Xy(X-y)^2 = X^2 + y^2 -2Xy, on peut écrire :

(Xy)2y21=0(X-y)^2 -y^2 - 1 = 0
(Xy)2=y2+1(X-y)^2 = y^2+1

X=y±y2+1X = y \pm \sqrt{y^2 + 1}

Il existe donc deux solutions pour XX :

X1=y+y2+1X2=yy2+1\begin{align*} X_1 &=& y + \sqrt{y^2 + 1} \\ X_2 &=& y - \sqrt{y^2 + 1} \end{align*}

Analyse de X2X_2

Pour tout yRy \in \R, X2=yy2+1<0X_2 = y - \sqrt{y^2 + 1} <0, étant donné que yy2<y2+1y \leq \sqrt{y^2} < \sqrt{y^2+1} ).
X2X_2 ne peut pas être solution car X=ex>0X=e^x >0, or X2<0X_2<0.

Analyse de X1X_1

De la même façon, y+y2+1>0y+\sqrt{y^2+ 1} > 0, donc X=y+y2+1X = y + \sqrt{y^2 + 1}.
X1X_1 est donc solution de f(x)=yf(x)=y, car X1>0X_1>0 .

Conclusion

Ainsi, pour tout yRy \in \R, l'équation possède une unique solution (définie sur R\R ):

x=ln(y+y2+1)x = ln(y + \sqrt{y^2+1})

Donc, en conclusion, ff est bijective et sa réciproque est f1:{RRxln(y+y2+1)f^{-1} : \begin{cases} \R \rightarrow \R \\ x \rightarrow ln(y + \sqrt{y^2+1}) \end{cases}

Fonction réciproque de (e(x)-e(-x))/2

En résumé, la fonction exex2\frac{e^x - e^{-x}}{2} est bijective sur l’ensemble R\mathbb{R}.