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Examen national du baccalauréat — Session normale 2022
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales (les deux parcours) — option française
Code NS 22F — Durée : 3 h — Coefficient : 7
Instructions générales
L’utilisation de la calculatrice non programmable est autorisée
Le candidat peut traiter les exercices de l’épreuve suivant l’ordre qui lui convient
L’utilisation de la couleur rouge lors de la rédaction des solutions est à éviter
Composantes du sujet
L’épreuve est composée de quatre exercices et un problème indépendants entre eux et répartis suivant les domaines comme suit :
Domaine
Barème
Exercice 1
Géométrie dans l’espace
3 points
Exercice 2
Nombres complexes
3 points
Exercice 3
Calcul des probabilités
3 points
Exercice 4
Equations différentielles et calcul intégral
2,5 points
Problème
Etude des fonctions numériques et des suites numériques
8,5 points
On désigne par z le conjugué du nombre complexe z et par ∣z∣ son module.
Ln désigne la fonction logarithme népérien
Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct, on considère les points A(0,1,1) ; B(1,2,0) et C(−1,1,2).
L’équation admet une unique solution t=1 : la droite (Δ) coupe (S) en un unique point D(−1+1,1,2+1), soit D(0,1,3).
Donc (Δ) est tangente à (S) au point D(0,1,3).
c)(0,5 pt) Calculer le produit scalaire AC⋅(i+k), puis en déduire la distance d(A,(Δ)).
Voir la solution
AC−101 et i+k101, donc :
AC⋅(i+k)=−1+0+1=0.
Ainsi AC est orthogonal au vecteur directeur de (Δ). Comme C∈(Δ), le projeté orthogonal de A sur (Δ) est C, et :
d(A,(Δ))=AC=(−1)2+02+12=2.
Exercice 2 — Nombres complexes (3 points)
Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé (O;u,v), on considère le point A d’affixe a=−1−i3, le point B d’affixe b=−1+i3 et la translation t de vecteur OA.
1)(0,5 pt) Prouver que l’affixe du point D image du point B par la translation t est d=−2.
Voir la solution
L’écriture complexe de t est z′=z+a. L’affixe de D=t(B) est donc :
d=b+a=(−1+i3)+(−1−i3)=−2.
2)(0,5 pt) On considère la rotation R de centre D et d’angle 32π. Montrer que l’affixe du point C image du point B par la rotation R est c=−4.
Voir la solution
L’écriture complexe de R est z′=d+(z−d)ei32π. L’affixe de C=R(B) est :
D’après a) : a−cb−c=ei3π, donc (a−cb−c)2=ei32π.
D’autre part : b−dc−d=−1+i3−(−2)−4−(−2)=1+i3−2=1+3−2(1−i3)=4−2+2i3=−21+i23=ei32π.
Donc (a−cb−c)2=b−dc−d.
4) Soit (Γ) le cercle de centre D et de rayon 2, (Γ′) le cercle de centre O et de rayon 4 et M un point d’affixe z appartenant aux deux cercles (Γ) et (Γ′).
a)(0,25 pt) Vérifier que : ∣z+2∣=2
Voir la solution
M∈(Γ) signifie ∣z−d∣=2, or d=−2, donc ∣z+2∣=2.
b)(0,5 pt) Prouver que : z+z=−8 (remarquer que ∣z∣=4).
Voir la solution
M∈(Γ′) donc ∣z∣=4, soit zz=16.
D’après a) : ∣z+2∣2=4, c’est-à-dire (z+2)(z+2)=4, soit zz+2(z+z)+4=4.
Donc 16+2(z+z)=0, soit z+z=−8.
c)(0,25 pt) En déduire que les cercles (Γ) et (Γ′) se coupent en un point unique qu’on déterminera.
Voir la solution
Soit z=x+iy avec x,y∈R. Alors z+z=2x=−8, donc x=−4.
De plus ∣z∣=4 : (−4)2+y2=16, soit y2=0 et y=0.
Ainsi z=−4 : les cercles (Γ) et (Γ′) se coupent en l’unique point d’affixe −4, qui est le point C.
Exercice 3 — Calcul des probabilités (3 points)
Une urne contient dix boules : trois boules blanches, trois boules vertes et quatre boules rouges indiscernables au toucher. On tire au hasard simultanément trois boules de l’urne.
1)(0,75 pt) Montrer que p(A)=61 ; où A est l’événement « N’obtenir aucune boule rouge ».
Voir la solution
Le nombre de façons de tirer 3 boules parmi 10 est (310)=120.
L’événement A consiste à tirer 3 boules parmi les 6 non rouges : (36)=20.
Donc p(A)=12020=61.
2)(0,75 pt) Calculer p(B) ; où B est l’événement « Obtenir trois boules blanches ou trois boules vertes ».
Voir la solution
(33)=1et(33)=1,
donc p(B)=1201+1=1202=601.
3)(0,75 pt) Montrer que p(C)=21 ; où C est l’événement « Obtenir exactement une boule rouge ».
Voir la solution
Exactement une rouge parmi 4, et 2 non rouges parmi 6 :
p(C)=(310)(14)(26)=1204×15=12060=21.
4)(0,75 pt) Calculer p(D) ; où D est l’événement « Obtenir au moins deux boules rouges ».
Voir la solution
D = « exactement 2 rouges » ou « exactement 3 rouges » :
b)(0,5 pt) A partir de la courbe ci-contre de la fonction g, déterminer le signe de g(x) sur R (Remarquer que g(α)=0).
Voir la solution
D’après la courbe (Cg) :
g(x)>0 pour x∈]−∞,α[ ;
g(α)=0 ;
g(x)<0 pour x∈]α,0[ ;
g(0)=0 ;
g(x)>0 pour x∈]0,+∞[.
c)(0,5 pt) Etudier la concavité de la courbe (C) et déterminer les abscisses des deux points d’inflexion.
Voir la solution
Comme 21ex/2>0 pour tout x, f′′ a le même signe que g.
Sur ]−∞,α] : f′′≥0, (C) est convexe ;
sur [α,0] : f′′≤0, (C) est concave ;
sur [0,+∞[ : f′′≥0, (C) est convexe.
f′′ s’annule en changeant de signe en α et en 0 : (C) admet deux points d’inflexion d’abscisses α et 0.
6)(1 pt) Construire la courbe (C) dans le repère (O;i,j) (On prend ln4≃1,4, α≃−4,5 et f(α)≃−3,5).
Voir la solution
On place notamment : l’asymptote y=x au voisinage de −∞ ; les points d’inflexion d’abscisses α≃−4,5 et 0 ; le point d’abscisse ln4≃1,4 sur la droite y=x ; la branche parabolique au voisinage de +∞.
7) a)(0,5 pt) Montrer que la fonction f admet une fonction réciproque f−1 définie sur R.
Voir la solution
f est continue et strictement croissante sur R (d’après 4) c) : f′≥0 et f′ ne s’annule qu’en 0), et x→−∞limf(x)=−∞, x→+∞limf(x)=+∞.
Donc f réalise une bijection de R sur R : elle admet une fonction réciproque f−1 définie sur R.
b)(0,25 pt) Calculer (f−1)′(ln4).
Voir la solution
On cherche a tel que f(a)=ln4. Or f(ln4)=ln4⋅(e(ln4)/2−1)2=ln4⋅(eln2−1)2=ln4⋅(2−1)2=ln4.