Accueil
Fond

Accueil › 2BAC PC SVT › Examen national 2023 — Session normale

Examen national 2023 — Session normale

2BAC PC SVT · Mathématiques

Chargement du PDF…

Versions interactives à solutions cachées — leurs boutons « Voir la solution » ne fonctionnent que dans Adobe Acrobat Reader (calques PDF non pris en charge par les navigateurs et le lecteur ci-dessus). Le lecteur affiche donc les versions classiques.

  • 📥 Version à corrections cachées (Adobe Acrobat Reader)Télécharger

Examen national du baccalauréat — Session normale 2023

Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales (les deux parcours) — option française Code NS 24F (page 1) / NS 22F (pages suivantes) — 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 trois exercices et un problème indépendants entre eux et répartis Suivants les domaines comme suit :

DomaineBarème
Exercice 1Géométrie dans l’espace3 points
Exercice 2Nombres complexes3 points
Exercice 3Calcul des probabilités3 points
ProblèmeEtude des fonctions numériques Et des uites numériques11 points

Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)

Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O;\vec i,\vec j,\vec k), on considère les Points A(0,1,4)A(0,1,4), B(2,1,2)B(2,1,2), C(2,5,0)C(2,5,0) et Ω(3,4,4)\Omega(3,4,4)

1) a) (0,25 pt) Montrer que AB→∧AC→=4(2i⃗+j⃗+2k⃗)\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}=4\left(2\vec i+\vec j+2\vec k\right)

Voir la solution

AB→(2,0,−2)\overrightarrow{AB}(2,0,-2) et AC→(2,4,−4)\overrightarrow{AC}(2,4,-4). Donc :

AB→∧AC→=∣04−2−4∣i⃗−∣22−2−4∣j⃗+∣2204∣k⃗=8i⃗−(−8+4)j⃗+8k⃗=8i⃗+4j⃗+8k⃗.\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}=\begin{vmatrix}0&4\\-2&-4\end{vmatrix}\vec i-\begin{vmatrix}2&2\\-2&-4\end{vmatrix}\vec j+\begin{vmatrix}2&2\\0&4\end{vmatrix}\vec k=8\vec i-(-8+4)\vec j+8\vec k=8\vec i+4\vec j+8\vec k.

Donc AB→∧AC→=4(2i⃗+j⃗+2k⃗)\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}=4\left(2\vec i+\vec j+2\vec k\right).

b) (0,5 pt) En déduire l’aire du triangle ABC et la distance d(B,(AC))d(B,(AC))

Voir la solution

∥AB→∧AC→∥=422+12+22=4×3=12\left\|\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}\right\|=4\sqrt{2^2+1^2+2^2}=4\times3=12.

AABC=12∥AB→∧AC→∥=122=6.\mathcal{A}_{ABC}=\frac12\left\|\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}\right\|=\frac{12}{2}=6.

AC=22+42+(−4)2=36=6AC=\sqrt{2^2+4^2+(-4)^2}=\sqrt{36}=6, donc :

d(B,(AC))=∥AB→∧AC→∥AC=126=2.d(B,(AC))=\frac{\left\|\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}\right\|}{AC}=\frac{12}{6}=2.

2) Soit D le milieu du segment [AC][AC]

a) (0,5 pt) Vérifier que DΩ→=14(AB→∧AC→)\overrightarrow{D\Omega}=\dfrac14\left(\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}\right)

Voir la solution

D(0+22,1+52,4+02)D\left(\dfrac{0+2}{2},\dfrac{1+5}{2},\dfrac{4+0}{2}\right), soit D(1,3,2)D(1,3,2). Donc DΩ→(3−1,4−3,4−2)\overrightarrow{D\Omega}(3-1,4-3,4-2), soit DΩ→(2,1,2)\overrightarrow{D\Omega}(2,1,2).

Et 14(AB→∧AC→)=2i⃗+j⃗+2k⃗\dfrac14\left(\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}\right)=2\vec i+\vec j+2\vec k. Donc DΩ→=14(AB→∧AC→)\overrightarrow{D\Omega}=\dfrac14\left(\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}\right).

b) (0,25 pt) En déduire que d(Ω,(ABC))=3d(\Omega,(ABC))=3

Voir la solution

AB→∧AC→\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC} est normal au plan (ABC)(ABC), donc DΩ→\overrightarrow{D\Omega} aussi (2) a)). Comme D∈(ABC)D\in(ABC) (milieu de [AC][AC]), DD est le projeté orthogonal de Ω\Omega sur (ABC)(ABC), d’où :

d(Ω,(ABC))=DΩ=22+12+22=3.d(\Omega,(ABC))=D\Omega=\sqrt{2^2+1^2+2^2}=3.

3) Soit (S)(S) la sphère d’équation : x2+y2+z2−6x−8y−8z+32=0x^2+y^2+z^2-6x-8y-8z+32=0

a) (0,5 pt) Déterminer le centre et le rayon de la sphère (S)(S)

Voir la solution

x2−6x=(x−3)2−9x^2-6x=(x-3)^2-9, y2−8y=(y−4)2−16y^2-8y=(y-4)^2-16, z2−8z=(z−4)2−16z^2-8z=(z-4)^2-16. Donc :

M∈(S)  ⟺  (x−3)2+(y−4)2+(z−4)2=9+16+16−32=9=32.M\in(S)\iff(x-3)^2+(y-4)^2+(z-4)^2=9+16+16-32=9=3^2.

(S)(S) a pour centre Ω(3,4,4)\Omega(3,4,4) et pour rayon R=3R=3.

b) (0,5 pt) Montrer que le plan (ABC) est tangent à la sphère (S)(S) en un point que l’on déterminera

Voir la solution

D’après 2) b), d(Ω,(ABC))=3=Rd(\Omega,(ABC))=3=R : le plan (ABC)(ABC) est tangent à (S)(S).

Le point de contact est le projeté orthogonal de Ω\Omega sur (ABC)(ABC), c’est-à-dire D(1,3,2)D(1,3,2) (2) b)).

4) (0,5 pt) Soient (Q1)(Q_1) et (Q2)(Q_2) les deux plans parallèles à (ABC) tels que chacun d’eux coupe la sphère (S) suivant un cercle de rayon 5\sqrt5

Déterminer une équation cartésienne pour chacun des deux plans (Q1)(Q_1) et (Q2)(Q_2)

Voir la solution

n⃗(2,1,2)\vec n(2,1,2) est normal à (ABC)(ABC). Un plan parallèle à (ABC)(ABC) a une équation de la forme 2x+y+2z+d=02x+y+2z+d=0, d∈Rd\in\mathbb{R}.

Il coupe (S)(S) suivant un cercle de rayon r=5r=\sqrt5 si et seulement si d(Ω,(Q))=R2−r2=9−5=2d(\Omega,(Q))=\sqrt{R^2-r^2}=\sqrt{9-5}=2 :

∣2×3+4+2×4+d∣22+12+22=2  ⟺  ∣18+d∣=6  ⟺  d=−12 ou d=−24.\frac{|2\times3+4+2\times4+d|}{\sqrt{2^2+1^2+2^2}}=2\iff|18+d|=6\iff d=-12\ \text{ou}\ d=-24.

Donc (Q1): 2x+y+2z−12=0(Q_1):\ 2x+y+2z-12=0 et (Q2): 2x+y+2z−24=0(Q_2):\ 2x+y+2z-24=0.

Exercice 2 — Nombres complexes (3 points)

Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O;u⃗,v⃗)(O;\vec u,\vec v), on considère les points A, B, C et D d’affixes respectives a=2+i2a=\sqrt2+i\sqrt2, b=1+2+ib=1+\sqrt2+i, c=b‾c=\overline b et d=2id=2i

1) (0,25 pt) Ecrire le nombre complexe aa sous forme trigonométrique

Voir la solution

∣a∣=2+2=2|a|=\sqrt{2+2}=2, donc :

a=2(22+i22)=2(cos⁡π4+isin⁡π4).a=2\left(\frac{\sqrt2}{2}+i\frac{\sqrt2}{2}\right)=2\left(\cos\frac\pi4+i\sin\frac\pi4\right).

2) a) (0,25 pt) Vérifier que b−d=cb-d=c

Voir la solution

b−d=1+2+i−2i=1+2−i=b‾=cb-d=1+\sqrt2+i-2i=1+\sqrt2-i=\overline b=c.

b) (0,5 pt) Montrer que (2+1)(b−a)=b−d\left(\sqrt2+1\right)(b-a)=b-d et déduire que les points A, B et D sont alignés

Voir la solution

b−a=1+2+i−2−i2=1+i(1−2)b-a=1+\sqrt2+i-\sqrt2-i\sqrt2=1+i\left(1-\sqrt2\right). Donc :

(2+1)(b−a)=2+1+i(2+1)(1−2)=2+1+i(1−2)=1+2−i=b−d.\left(\sqrt2+1\right)(b-a)=\sqrt2+1+i\left(\sqrt2+1\right)\left(1-\sqrt2\right)=\sqrt2+1+i(1-2)=1+\sqrt2-i=b-d.

Ainsi b−db−a=2+1∈R\dfrac{b-d}{b-a}=\sqrt2+1\in\mathbb{R} : les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et DB→\overrightarrow{DB} sont colinéaires, donc les points A, B et D sont alignés.

3) a) (0,25 pt) Vérifier que a c=2ba\,c=2b

Voir la solution

a c=(2+i2)(1+2−i)=2+2−i2+i2+2i+2=2+22+2i=2(1+2+i)=2b.a\,c=\left(\sqrt2+i\sqrt2\right)\left(1+\sqrt2-i\right)=\sqrt2+2-i\sqrt2+i\sqrt2+2i+\sqrt2=2+2\sqrt2+2i=2\left(1+\sqrt2+i\right)=2b.

b) (0,5 pt) En déduire que 2arg⁡(b)≡π4 [2π]2\arg(b)\equiv\dfrac\pi4\ [2\pi]

Voir la solution

a c=2ba\,c=2b, donc arg⁡(a)+arg⁡(c)≡arg⁡(2b) [2π]\arg(a)+\arg(c)\equiv\arg(2b)\ [2\pi].

Or arg⁡(a)≡π4\arg(a)\equiv\dfrac\pi4, arg⁡(c)=arg⁡(b‾)≡−arg⁡(b)\arg(c)=\arg\left(\overline b\right)\equiv-\arg(b) et arg⁡(2b)≡arg⁡(b)\arg(2b)\equiv\arg(b) (car 2>02>0). Donc :

π4−arg⁡(b)≡arg⁡(b) [2π],soit2arg⁡(b)≡π4 [2π].\frac\pi4-\arg(b)\equiv\arg(b)\ [2\pi],\quad\text{soit}\quad2\arg(b)\equiv\frac\pi4\ [2\pi].

4) Soit R la rotation de centre O et d’angle π4\dfrac\pi4 et qui transforme chaque point M du Plan d’affixe z en un point M’ d’affixe z’

a) (0,25 pt) Montrer que z′=12 a zz'=\dfrac12\,a\,z

Voir la solution

L’écriture complexe de RR est z′=eiπ4zz'=e^{i\frac\pi4}z. D’après 1), a=2eiπ4a=2e^{i\frac\pi4}, donc eiπ4=12ae^{i\frac\pi4}=\dfrac12a et z′=12 a zz'=\dfrac12\,a\,z.

b) (0,5 pt) En déduire que R(C)=BR(C)=B et que R(A)=DR(A)=D

Voir la solution
  • 12 a c=12×2b=b\dfrac12\,a\,c=\dfrac12\times2b=b (3) a)), donc R(C)=BR(C)=B.
  • 12 a a=12a2=12(2)2(1+i)2=12×2×2i=2i=d\dfrac12\,a\,a=\dfrac12a^2=\dfrac12\left(\sqrt2\right)^2(1+i)^2=\dfrac12\times2\times2i=2i=d, donc R(A)=DR(A)=D.

c) (0,5 pt) Montrer que b−ac−a=(2−12)a\dfrac{b-a}{c-a}=\left(\dfrac{\sqrt2-1}{2}\right)a, puis déduire une mesure de l’angle (AC→,AB→)\left(\overrightarrow{AC},\overrightarrow{AB}\right)

Voir la solution

D’après 2), b−a=b−d2+1=(2−1)(b−d)=(2−1)cb-a=\dfrac{b-d}{\sqrt2+1}=\left(\sqrt2-1\right)(b-d)=\left(\sqrt2-1\right)c.

D’après 4) b), R(A)=DR(A)=D donne d=12a⋅ad=\dfrac12a\cdot a, d’où 12a (c−a)=12ac−12a2=b−d=c\dfrac12a\,(c-a)=\dfrac12ac-\dfrac12a^2=b-d=c. Donc c−a=2cac-a=\dfrac{2c}{a} et :

b−ac−a=(2−1)c2ca=(2−12)a.\frac{b-a}{c-a}=\frac{\left(\sqrt2-1\right)c}{\frac{2c}{a}}=\left(\frac{\sqrt2-1}{2}\right)a.

Comme 2−12>0\dfrac{\sqrt2-1}{2}>0 :

(AC→,AB→)≡arg⁡(b−ac−a)≡arg⁡(a)≡π4 [2π].\left(\overrightarrow{AC},\overrightarrow{AB}\right)\equiv\arg\left(\frac{b-a}{c-a}\right)\equiv\arg(a)\equiv\frac\pi4\ [2\pi].

Exercice 3 — Calcul des probabilités (3 points)

Une urne U1U_1 contient six boules portant les nombres : 0 ; 0 ; 1 ; 1 ; 1 ; 2 et une urne U2U_2 contient cinq boules portant les nombres : 1 ; 1 ; 1 ; 2 ; 2

On suppose que les boules des deux urnes sont indiscernables au toucher

On considère l’expérience aléatoire suivante :

« On tire une boule de l’urne U1U_1 et on note le nombre aa qu’elle porte, puis on la met Dans l’urne U2U_2, ensuite on tire une boule de l’urne U2U_2 et on note le nombre bb qu’elle Porte »

On considère les événements suivants :

  • A : « la boule tirée de l’urne U1U_1 porte le nombre 1 »
  • B : « le produit abab est égal à 2 »

1) a) (0,5 pt) Calculer p(A)p(A) ; la probabilité de l’événement A

Voir la solution

L’urne U1U_1 contient 6 boules dont 3 portent le nombre 1 : p(A)=36=12p(A)=\dfrac36=\dfrac12.

b) (0,5 pt) Montrer que p(B)=14p(B)=\dfrac14 (on peut utiliser l’arbre des possibilités)

Voir la solution

Après le premier tirage, U2U_2 contient 6 boules : les 5 boules initiales et la boule portant aa.

ab=2ab=2 si et seulement si (a=1a=1 et b=2b=2) ou (a=2a=2 et b=1b=1) :

  • a=1a=1 (probabilité 36\frac36) : U2U_2 contient 1;1;1;1;2;21;1;1;1;2;2, et p(b=2)=26p(b=2)=\frac26 ;
  • a=2a=2 (probabilité 16\frac16) : U2U_2 contient 1;1;1;2;2;21;1;1;2;2;2, et p(b=1)=36p(b=1)=\frac36.

p(B)=36×26+16×36=636+336=936=14.p(B)=\frac36\times\frac26+\frac16\times\frac36=\frac{6}{36}+\frac{3}{36}=\frac{9}{36}=\frac14.

2) (0,75 pt) Calculer p(A/B)p(A/B) ; la probabilité de l’événement A sachant que l’événement B est Réalisé.

Voir la solution

A∩BA\cap B : « a=1a=1 et b=2b=2 », donc p(A∩B)=36×26=16p(A\cap B)=\dfrac36\times\dfrac26=\dfrac16.

p(A/B)=p(A∩B)p(B)=1614=46=23.p(A/B)=\frac{p(A\cap B)}{p(B)}=\frac{\frac16}{\frac14}=\frac46=\frac23.

3) Soit X la variable aléatoire qui associe à chaque résultat de l’expérience, le Produit abab

a) (0,25 pt) Montrer que p(X=0)=13p(X=0)=\dfrac13

Voir la solution

Toutes les boules de U2U_2 portent un nombre non nul sauf éventuellement celle ajoutée. ab=0  ⟺  a=0ab=0\iff a=0 (si a=0a=0 et b=0b=0, on a aussi a=0a=0). Donc :

p(X=0)=p(a=0)=26=13.p(X=0)=p(a=0)=\frac26=\frac13.

b) (0,5 pt) Donner la loi de probabilité de X (remarquer que les valeurs prises par X sont : 0 ; 1 ; 2 ; 4)

Voir la solution
  • p(X=0)=13p(X=0)=\dfrac13 ;
  • X=1  ⟺  a=1X=1\iff a=1 et b=1b=1 : U2U_2 contient alors quatre boules « 1 » sur 6, donc p(X=1)=36×46=13p(X=1)=\dfrac36\times\dfrac46=\dfrac13 ;
  • p(X=2)=p(B)=14p(X=2)=p(B)=\dfrac14 ;
  • X=4  ⟺  a=2X=4\iff a=2 et b=2b=2 : p(X=4)=16×36=112p(X=4)=\dfrac16\times\dfrac36=\dfrac{1}{12}.

xi0124p(X=xi)131314112\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline x_i&0&1&2&4\\\hline p(X=x_i)&\frac13&\frac13&\frac14&\frac1{12}\\\hline\end{array}

Vérification : 13+13+14+112=4+4+3+112=1\dfrac13+\dfrac13+\dfrac14+\dfrac1{12}=\dfrac{4+4+3+1}{12}=1.

c) (0,5 pt) On considère les événements :

  • M : « le produit abab est pair ou nul »
  • N : « le produit abab est égal à 1 »

Montrer que les événements M et N sont équiprobables

Voir la solution

p(N)=p(X=1)=13p(N)=p(X=1)=\dfrac13.

Remarque sur l’énoncé. Tel qu’il est écrit (« pair ou nul »), M={X=0}∪{X=2}∪{X=4}M=\{X=0\}\cup\{X=2\}\cup\{X=4\} (0 est pair), et p(M)=13+14+112=23≠p(N)p(M)=\dfrac13+\dfrac14+\dfrac1{12}=\dfrac23\neq p(N) : l’égalité demandée serait fausse. L’énoncé voulu est « le produit abab est pair non nul » (c’est la formulation reprise dans le corrigé de Prof Fayssal). Avec cette lecture, M={X=2}∪{X=4}M=\{X=2\}\cup\{X=4\} et :

p(M)=p(X=2)+p(X=4)=14+112=3+112=13=p(N).p(M)=p(X=2)+p(X=4)=\frac14+\frac1{12}=\frac{3+1}{12}=\frac13=p(N).

Donc les événements M et N sont équiprobables.

Exercice 4 — Problème (11 points)

On considère la fonction numérique ff définie sur ]0,+∞[]0,+\infty[ par :

f(x)=2−2x+(1−ln⁡x)2f(x)=2-\frac2x+\left(1-\ln x\right)^2

Soit (Cf)(C_f) sa courbe représentative dans un repère orthonormé (O;i⃗,j⃗)(O;\vec i,\vec j) (unité : 1cm)

1) a) (0,25 pt) Vérifier que pour tout x∈]0,+∞[x\in]0,+\infty[ ; f(x)=3x−2−2xln⁡x+x(ln⁡x)2xf(x)=\dfrac{3x-2-2x\ln x+x(\ln x)^2}{x}

Voir la solution

Soit x>0x>0 : (1−ln⁡x)2=1−2ln⁡x+(ln⁡x)2(1-\ln x)^2=1-2\ln x+(\ln x)^2, donc :

f(x)=3−2x−2ln⁡x+(ln⁡x)2=3x−2−2xln⁡x+x(ln⁡x)2x.f(x)=3-\frac2x-2\ln x+(\ln x)^2=\frac{3x-2-2x\ln x+x(\ln x)^2}{x}.

b) (0,5 pt) Montrer que lim⁡x→0+x(ln⁡x)2=0\displaystyle\lim_{x\to0^+}x(\ln x)^2=0 et que lim⁡x→+∞(ln⁡x)2x=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{(\ln x)^2}{x}=0 (on peut poser t=xt=\sqrt x)

Voir la solution

On pose t=xt=\sqrt x, donc x=t2x=t^2 et ln⁡x=2ln⁡t\ln x=2\ln t :

  • quand x→0+x\to0^+, t→0+t\to0^+ : x(ln⁡x)2=t2×4(ln⁡t)2=4(tln⁡t)2→4×02=0x(\ln x)^2=t^2\times4(\ln t)^2=4\left(t\ln t\right)^2\to4\times0^2=0, car lim⁡t→0+tln⁡t=0\displaystyle\lim_{t\to0^+}t\ln t=0 ;
  • quand x→+∞x\to+\infty, t→+∞t\to+\infty : (ln⁡x)2x=4(ln⁡t)2t2=4(ln⁡tt)2→0\dfrac{(\ln x)^2}{x}=\dfrac{4(\ln t)^2}{t^2}=4\left(\dfrac{\ln t}{t}\right)^2\to0, car lim⁡t→+∞ln⁡tt=0\displaystyle\lim_{t\to+\infty}\frac{\ln t}{t}=0.

c) (0,5 pt) Déduire que lim⁡x→0+f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}f(x)=-\infty, puis donner une interprétation géométrique du résultat

Voir la solution

lim⁡x→0+xln⁡x=0\displaystyle\lim_{x\to0^+}x\ln x=0 et, d’après 1) b), lim⁡x→0+x(ln⁡x)2=0\displaystyle\lim_{x\to0^+}x(\ln x)^2=0. Donc :

lim⁡x→0+(3x−2−2xln⁡x+x(ln⁡x)2)=−2etlim⁡x→0+x=0+,\lim_{x\to0^+}\left(3x-2-2x\ln x+x(\ln x)^2\right)=-2\quad\text{et}\quad\lim_{x\to0^+}x=0^+,

d’où, avec 1) a), lim⁡x→0+f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}f(x)=-\infty.

Interprétation : la droite d’équation x=0x=0 (l’axe des ordonnées) est une asymptote verticale à (Cf)(C_f).

d) (0,75 pt) Calculer lim⁡x→+∞f(x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x), puis montrer que la courbe (Cf)(C_f) admet une branche parabolique de direction l’axe des abscisses au voisinage de +∞+\infty

Voir la solution

lim⁡x→+∞ln⁡x=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\ln x=+\infty, donc lim⁡x→+∞(1−ln⁡x)2=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}(1-\ln x)^2=+\infty ; et lim⁡x→+∞(2−2x)=2\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\left(2-\frac2x\right)=2. Donc lim⁡x→+∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty.

f(x)x=2x−2x2+1x−2ln⁡xx+(ln⁡x)2x→x→+∞0\frac{f(x)}{x}=\frac2x-\frac{2}{x^2}+\frac1x-\frac{2\ln x}{x}+\frac{(\ln x)^2}{x}\xrightarrow[x\to+\infty]{}0

(car lim⁡x→+∞ln⁡xx=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{\ln x}{x}=0 et 1) b)). Donc (Cf)(C_f) admet une branche parabolique de direction l’axe des abscisses au voisinage de +∞+\infty.

2) (0,5 pt) Montrer que pour tout x∈]0,+∞[x\in]0,+\infty[ : f′(x)=2(1−x+xln⁡x)x2f'(x)=\dfrac{2(1-x+x\ln x)}{x^2}

Voir la solution

ff est dérivable sur ]0,+∞[]0,+\infty[ et, pour x>0x>0 :

f′(x)=2x2+2(1−ln⁡x)×(−1x)=2x2−2(1−ln⁡x)x=2−2x+2xln⁡xx2=2(1−x+xln⁡x)x2.f'(x)=\frac{2}{x^2}+2(1-\ln x)\times\left(-\frac1x\right)=\frac{2}{x^2}-\frac{2(1-\ln x)}{x}=\frac{2-2x+2x\ln x}{x^2}=\frac{2(1-x+x\ln x)}{x^2}.

3) En expliquant le tableau de variation ci-dessous, de la fonction dérivée f′f' de ff sur ]0,+∞[]0,+\infty[

Figure

(on donne β≃4,9\beta\simeq4,9)

a) (0,5 pt) Prouver que ff est strictement croissante sur ]0,+∞[]0,+\infty[ puis dresser le tableau de variations de ff

Voir la solution

D’après le tableau de variation de f′f' :

  • sur ]0,1]]0,1], f′f' décroît de +∞+\infty à f′(1)=0f'(1)=0, donc f′(x)>0f'(x)>0 pour 0<x<10<x<1 ;
  • sur [1,+∞[[1,+\infty[, f′f' croît de 00 à f′(β)>0f'(\beta)>0 puis décroît vers 00 (sans l’atteindre), donc f′(x)>0f'(x)>0 pour x>1x>1.

Donc f′(x)>0f'(x)>0 pour tout x≠1x\neq1 et f′(1)=0f'(1)=0 : f′f' ne s’annule qu’en un point isolé, donc ff est strictement croissante sur ]0,+∞[]0,+\infty[.

f(1)=2−2+(1−0)2=1f(1)=2-2+(1-0)^2=1.

x01+∞f′(x)+0+f(x)−∞↗1↗+∞\begin{array}{|c|ccccc|}\hline x&0&&1&&+\infty\\\hline f'(x)&&+&0&+&\\\hline f(x)&-\infty&\nearrow&1&\nearrow&+\infty\\\hline\end{array}

b) (0,5 pt) Donner le tableau de signe de la dérivée seconde f′′f'' de la fonction ff sur ]0,+∞[]0,+\infty[

Voir la solution

f′′f'' est la dérivée de f′f' : son signe se lit sur les variations de f′f'. f′f' est strictement décroissante sur ]0,1]]0,1], strictement croissante sur [1,β][1,\beta] et strictement décroissante sur [β,+∞[[\beta,+\infty[, donc :

x01β+∞f′′(x)−0+0−\begin{array}{|c|ccccccc|}\hline x&0&&1&&\beta&&+\infty\\\hline f''(x)&&-&0&+&0&-&\\\hline\end{array}

c) (1 pt) Déduire la concavité de la courbe (Cf)(C_f) en précisant les abscisses de ses deux points d’inflexion

Voir la solution
  • Sur ]0,1]]0,1] : f′′≤0f''\leq0, (Cf)(C_f) est concave ;
  • sur [1,β][1,\beta] : f′′≥0f''\geq0, (Cf)(C_f) est convexe ;
  • sur [β,+∞[[\beta,+\infty[ : f′′≤0f''\leq0, (Cf)(C_f) est concave.

f′′f'' s’annule en changeant de signe en 11 et en β\beta : (Cf)(C_f) admet deux points d’inflexion d’abscisses 11 et β\beta, soit I(1 ; 1)I(1\,;\,1) et J(β ; f(β))J(\beta\,;\,f(\beta)).

4) La courbe (Cg)(C_g) ci-contre est la représentation Graphique de la fonction g:x↦f(x)−xg:x\mapsto f(x)-x Et qui s’annule en α\alpha et 11 (α≃0,3)(\alpha\simeq0,3)

Soit (Δ)(\Delta) la droite d’équation y=xy=x

Figure

a) (0,5 pt) A partir de la courbe (Cg)(C_g), déterminer le signe de la fonction gg sur ]0,+∞[]0,+\infty[

Voir la solution

D’après la courbe (Cg)(C_g) :

  • g(x)<0g(x)<0 pour x∈]0,α[x\in]0,\alpha[ (courbe en dessous de l’axe des abscisses) ;
  • g(x)>0g(x)>0 pour x∈]α,1[x\in]\alpha,1[ (courbe au-dessus) ;
  • g(x)<0g(x)<0 pour x∈]1,+∞[x\in]1,+\infty[ ;
  • g(α)=g(1)=0g(\alpha)=g(1)=0.

b) (0,5 pt) Déduire que la droite (Δ)(\Delta) est en dessous de (Cf)(C_f) sur l’intervalle [α,1][\alpha,1] et est au dessus de (Cf)(C_f) sur les intervalles ]0,α]]0,\alpha] et [1,+∞[[1,+\infty[

Voir la solution

g(x)=f(x)−xg(x)=f(x)-x est la différence entre l’ordonnée du point de (Cf)(C_f) et celle du point de (Δ)(\Delta) de même abscisse.

  • Sur [α,1][\alpha,1] : g(x)≥0g(x)\geq0, soit f(x)≥xf(x)\geq x : (Δ)(\Delta) est en dessous de (Cf)(C_f) ;
  • sur ]0,α]]0,\alpha] et sur [1,+∞[[1,+\infty[ : g(x)≤0g(x)\leq0, soit f(x)≤xf(x)\leq x : (Δ)(\Delta) est au-dessus de (Cf)(C_f).

(Elles se coupent aux points d’abscisses α\alpha et 11.)

5) (1,5 pt) Construire la courbe (Cf)(C_f) et la droite (Δ)(\Delta) dans le repère (O;i⃗,j⃗)(O;\vec i,\vec j)

(on prend α≃0,3\alpha\simeq0,3 ; β≃4,9\beta\simeq4,9 et f(β)≃1,9f(\beta)\simeq1,9)

Voir la solution

Éléments utilisés : asymptote verticale x=0x=0 ; branche parabolique de direction (Ox)(Ox) en +∞+\infty ; ff strictement croissante ; points d’inflexion I(1 ; 1)I(1\,;\,1) (tangente horizontale, f′(1)=0f'(1)=0) et J(β ; f(β))≈(4,9 ; 1,9)J(\beta\,;\,f(\beta))\approx(4,9\,;\,1,9) ; (Cf)∩(Δ)(C_f)\cap(\Delta) aux points d’abscisses α≈0,3\alpha\approx0,3 et 11.

Figure

6) a) (0,5 pt) Vérifier que la fonction x↦2x−xln⁡xx\mapsto2x-x\ln x est une primitive de la fonction x↦1−ln⁡xx\mapsto1-\ln x sur [α,1][\alpha,1]

Voir la solution

La fonction H:x↦2x−xln⁡xH:x\mapsto2x-x\ln x est dérivable sur [α,1][\alpha,1] et :

H′(x)=2−(ln⁡x+x×1x)=2−ln⁡x−1=1−ln⁡x.H'(x)=2-\left(\ln x+x\times\frac1x\right)=2-\ln x-1=1-\ln x.

Donc HH est une primitive de x↦1−ln⁡xx\mapsto1-\ln x sur [α,1][\alpha,1].

b) (1 pt) En utilisant une intégration par parties, montrer que : ∫α1(1−ln⁡x)2dx=5(1−α)+α(4−ln⁡α)ln⁡α\displaystyle\int_\alpha^1(1-\ln x)^2dx=5(1-\alpha)+\alpha(4-\ln\alpha)\ln\alpha

Voir la solution

On pose u(x)=(1−ln⁡x)2u(x)=(1-\ln x)^2, v′(x)=1v'(x)=1 ; donc u′(x)=−2(1−ln⁡x)xu'(x)=-\dfrac{2(1-\ln x)}{x} et v(x)=xv(x)=x. uu et vv sont dérivables à dérivées continues sur [α,1][\alpha,1] :

∫α1(1−ln⁡x)2dx=[x(1−ln⁡x)2]α1+2∫α1(1−ln⁡x) dx.\int_\alpha^1(1-\ln x)^2dx=\Big[x(1-\ln x)^2\Big]_\alpha^1+2\int_\alpha^1(1-\ln x)\,dx.

  • [x(1−ln⁡x)2]α1=1−α(1−ln⁡α)2=1−α+2αln⁡α−α(ln⁡α)2\Big[x(1-\ln x)^2\Big]_\alpha^1=1-\alpha(1-\ln\alpha)^2=1-\alpha+2\alpha\ln\alpha-\alpha(\ln\alpha)^2 ;
  • d’après 6) a), ∫α1(1−ln⁡x) dx=[2x−xln⁡x]α1=2−2α+αln⁡α\displaystyle\int_\alpha^1(1-\ln x)\,dx=\Big[2x-x\ln x\Big]_\alpha^1=2-2\alpha+\alpha\ln\alpha.

Donc :

∫α1(1−ln⁡x)2dx=1−α+2αln⁡α−α(ln⁡α)2+4−4α+2αln⁡α=5(1−α)+4αln⁡α−α(ln⁡α)2.\int_\alpha^1(1-\ln x)^2dx=1-\alpha+2\alpha\ln\alpha-\alpha(\ln\alpha)^2+4-4\alpha+2\alpha\ln\alpha=5(1-\alpha)+4\alpha\ln\alpha-\alpha(\ln\alpha)^2.

Soit ∫α1(1−ln⁡x)2dx=5(1−α)+α(4−ln⁡α)ln⁡α\displaystyle\int_\alpha^1(1-\ln x)^2dx=5(1-\alpha)+\alpha(4-\ln\alpha)\ln\alpha.

c) (0,75 pt) Déduire en fonction de α\alpha, l’aire de la partie du plan délimitée par la courbe (Cf)(C_f), l’axe des abscisses et les droites d’équations x=αx=\alpha et x=1x=1

Voir la solution

Sur [α,1][\alpha,1], ff est croissante, donc f(x)≥f(α)=α>0f(x)\geq f(\alpha)=\alpha>0 (car g(α)=0g(\alpha)=0). L’aire cherchée est donc, en cm2\text{cm}^2 (unité 1 cm) :

A=∫α1f(x) dx=∫α1(2−2x)dx+∫α1(1−ln⁡x)2dx.\mathcal{A}=\int_\alpha^1f(x)\,dx=\int_\alpha^1\left(2-\frac2x\right)dx+\int_\alpha^1(1-\ln x)^2dx.

∫α1(2−2x)dx=[2x−2ln⁡x]α1=2−2α+2ln⁡α\displaystyle\int_\alpha^1\left(2-\frac2x\right)dx=\Big[2x-2\ln x\Big]_\alpha^1=2-2\alpha+2\ln\alpha. Avec 6) b) :

A=(7−7α+2ln⁡α+α(4−ln⁡α)ln⁡α) cm2(≈0,61 cm2).\mathcal{A}=\left(7-7\alpha+2\ln\alpha+\alpha(4-\ln\alpha)\ln\alpha\right)\ \text{cm}^2\quad(\approx0,61\ \text{cm}^2).

7) Soit la suite numérique (un)(u_n) définie par u0∈]α,1[u_0\in]\alpha,1[ et la relation un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_n), pour Tout n∈Nn\in\mathbb{N}

a) (0,5 pt) Montrer par récurrence que α<un<1\alpha<u_n<1, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}

Voir la solution

Pour n∈Nn\in\mathbb{N}, on note P(n)P(n) : « α<un<1\alpha<u_n<1 ».

Initialisation. Pour n=0n=0 : u0∈]α,1[u_0\in]\alpha,1[, donc P(0)P(0) est vraie.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. On suppose α<un<1\alpha<u_n<1 et on montre que α<un+1<1\alpha<u_{n+1}<1.

α<un<1\alpha<u_n<1, d’où f(α)<f(un)<f(1)f(\alpha)<f(u_n)<f(1) (3) a)), donc α<un+1<1\alpha<u_{n+1}<1 (car f(α)=αf(\alpha)=\alpha et f(1)=1f(1)=1) : P(n+1)P(n+1) est vraie.

Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : α<un<1\alpha<u_n<1.

b) (0,5 pt) Montrer que la suite (un)(u_n) est croissante. (on peut utiliser la question 4)b))

Voir la solution

Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. D’après 7) a), un∈[α,1]u_n\in[\alpha,1] ; d’après 4) b), sur [α,1][\alpha,1] la courbe (Cf)(C_f) est au-dessus de (Δ)(\Delta), c’est-à-dire f(x)≥xf(x)\geq x. Donc :

un+1=f(un)≥un.u_{n+1}=f(u_n)\geq u_n.

La suite (un)(u_n) est croissante.

c) (0,75 pt) En déduire que la suite (un)(u_n) est convergente et calculer sa limite

Voir la solution

(un)(u_n) est croissante et majorée par 11 (7) a)), donc elle est convergente. Soit ℓ\ell sa limite.

  • ff est continue sur I=[α,1]I=[\alpha,1] ;
  • f(I)=[f(α),f(1)]=[α,1]=If(I)=[f(\alpha),f(1)]=[\alpha,1]=I (ff croissante) ;
  • u0∈Iu_0\in I et un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_n) ;
  • (un)(u_n) est convergente.

Donc ℓ∈I\ell\in I et f(ℓ)=ℓf(\ell)=\ell, soit g(ℓ)=0g(\ell)=0 : ℓ=α\ell=\alpha ou ℓ=1\ell=1 (4)).

Comme (un)(u_n) est croissante, un≥u0u_n\geq u_0 pour tout nn, donc ℓ≥u0>α\ell\geq u_0>\alpha. Donc ℓ=1\ell=1 : lim⁡n→+∞un=1\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=1.

← Tous les examens nationaux

← Retour aux chapitres 2BAC PC SVT