Spécialité maths, Terminale • Annales du bac 2025 corrigées à Montréal

Bac 2025 de spécialité maths, Amérique du Sud jour 1 : sujet officiel et corrigé

Sujet officiel du baccalauréat

Spécialité mathématiques, session 2025 : Amérique du Sud, jour 1

Épreuve du jeudi 13 novembre 2025 • durée 4 h • calculatrice en mode examen autorisée • 4 exercices, 20 points

L'énoncé reproduit le sujet officiel, sa numérotation, ses données et son barème. Le corrigé, les réponses à vérifier et les liens vers les chapitres sont rédigés par LeTuteurScientifique.ca. Sujet d'origine : PDF du sujet (APMEP).

En conditions réelles : sur papier, chronomètre lancé pour 4 h, puis vérifie tes réponses question par question avant d'ouvrir chaque corrigé. Toutes les annales du bac 2025 →

Voici le sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2025, centre Amérique du Sud, jour 1 : jeudi 13 novembre 2025, quatre heures, calculatrice en mode examen autorisée. Il compte quatre exercices indépendants notés sur 20 points, 4, 5, 6 et 5 points. L'énoncé est reproduit à l'identique, figures et programmes compris, et chaque question a son corrigé détaillé et, quand le résultat s'y prête, sa réponse autocorrigée.

L'exercice 1 enchaîne les probabilités conditionnelles (arbre pondéré, formule des probabilités totales, probabilité conditionnelle inversée), une suite arithmético-géométrique pn+1=0,2pn+0,7p_{n+1}=0{,}2p_{n}+0{,}7, la lecture de trois programmes Python, un raisonnement par récurrence et la limite d'une suite géométrique. L'exercice 2 est un vrai ou faux de dénombrement (principe multiplicatif, combinaisons, arrangements), de loi d'une somme de deux variables aléatoires indépendantes et de loi binomiale avec une probabilité conditionnelle. L'exercice 3 modélise la concentration d'un médicament : lectures graphiques et convexité, équation différentielle y′+y=5e−ty'+y=5\mathrm{e}^{-t} avec solution particulière, croissance comparée, théorème des valeurs intermédiaires et intégration par parties. L'exercice 4 relève de la géométrie dans l'espace : représentation paramétrique d'une droite, distance minimale étudiée par une fonction, projeté orthogonal, orthocentre par le produit scalaire, vecteur normal, équation cartésienne d'un plan et aire d'un triangle.

Le fil du corrigé : la méthode nommée en tête de chaque question, le calcul complet, une vérification, puis le piège. Trois pièges à ne pas manquer : l'affirmation 2 de l'exercice 2, où des prix identiques demandent une combinaison (183)=816\binom{18}{3}=816 et non les 4 8964\,896 podiums ordonnés ; la durée de somnolence de l'exercice 3, où 2,282{,}28 heures font 2 h 17 min et non 2 h 28 min ; et la question 5 de l'exercice 4, où l'orthogonalité de deux vecteurs ne place un point sur une hauteur que s'il est aussi dans le plan du triangle.

Série autocorrigée Tape tes réponses et vérifie-les question par question : la page te dit juste ou faux avant d'ouvrir la correction. Avec un compte, chaque bonne réponse du premier coup rapporte des points, et tes réponses justes restent remplies quand tu reviens.

Ce chapitre fait partie de Spécialité mathématiques en Terminale

Exercice 1 : Probabilités conditionnelles et suites : le plat végétarien, un programme Python et une récurrence

4 points Suites et récurrenceArbres pondérés et probabilités totalesPython et méthodes numériques

Un étudiant mange tous les jours au restaurant universitaire. Ce restaurant propose des plats végétariens et des plats non végétariens.

• Lorsqu'un jour donné l'étudiant a choisi un plat végétarien, la probabilité qu'il choisisse un plat végétarien le lendemain est 0,90{,}9.
• Lorsqu'un jour donné l'étudiant a choisi un plat non végétarien, la probabilité qu'il choisisse un plat végétarien le lendemain est 0,70{,}7.

Pour tout entier naturel nn, on note VnV_{n} l'évènement « l'étudiant a choisi un plat végétarien le nen^{\text{e}} jour » et pnp_{n} la probabilité de VnV_{n}.

Le jour de la rentrée, l'étudiant a choisi le plat végétarien. On a donc p1=1p_{1}=1.

  • 1.a. Indiquer la valeur de p2p_{2}.
  • 1.b. Montrer que p3=0,88p_{3}=0{,}88. On pourra s'aider d'un arbre pondéré.
  • 1.c. Sachant que le 3e3^{\text{e}} jour l'étudiant a choisi un plat végétarien, quelle est la probabilité qu'il ait choisi un plat non végétarien le jour précédent ?
    On arrondira le résultat à 10−210^{-2}.
  • 2. Recopier et compléter l'arbre pondéré ci-dessous :
  • Arbre pondéré à deux niveaux à compléter. La racine mène à V indice n, branche marquée p indice n, et à V indice n barre, branche vide. Chacun de ces deux nœuds mène à V indice n+1 et à V indice n+1 barre, sur des branches qui ne portent aucune probabilité.
  • 3. Justifier que, pour tout entier naturel n⩾1n\geqslant 1, pn+1=0,2pn+0,7p_{n+1}=0{,}2p_{n}+0{,}7.
  • 4. On souhaite disposer de la liste des premiers termes de la suite (pn)(p_{n}) pour n⩾1n\geqslant 1.
  • Pour cela, on utilise une fonction appelée repas programmée en langage Python dont on propose trois versions, indiquées ci-dessous.
  • Programme 1, sept lignes numérotées : def repas(n): ; p=1 ; L=[p] ; for k in range(1,n): ; dans la boucle, p = 0.2*p+0.7 puis L. append(p) ; enfin return(L).
  • Programme 2, sept lignes numérotées : identique au programme 1 sauf la ligne 4, for k in range(1,n+1):.
  • Programme 3, sept lignes numérotées : identique au programme 1 sauf la ligne 6, L.append(p+1).
  • 4.a. Lequel de ces programmes permet d'afficher les nn premiers termes de la suite (pn)(p_{n}) ? Aucune justification n'est attendue.
  • 4.b. Avec le programme choisi à la question a. donner le résultat affiché pour n=5n=5.
  • 5. Démontrer par récurrence que, pour tout naturel n⩾1n\geqslant 1, pn=0,125×0,2n−1+0,875p_{n}=0{,}125\times 0{,}2^{n-1}+0{,}875.
  • 6. En déduire la limite de la suite (pn)(p_{n}).

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1.a
1.c
2
4.a
4.b
6
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Réponses

  • 1.a p2=0,9p_{2}=0{,}9
  • 1.b p3=0,9×0,9+0,1×0,7=0,88p_{3}=0{,}9\times 0{,}9+0{,}1\times 0{,}7=0{,}88
  • 1.c PV3(V2‾)=0,070,88≈0,08P_{V_{3}}\left(\overline{V_{2}}\right)=\dfrac{0{,}07}{0{,}88}\approx 0{,}08
  • 2 Branches : pnp_{n} et 1−pn1-p_{n} ; depuis VnV_{n} : 0,90{,}9 et 0,10{,}1 ; depuis Vn‾\overline{V_{n}} : 0,70{,}7 et 0,30{,}3
  • 3 pn+1=0,9pn+0,7(1−pn)=0,2pn+0,7p_{n+1}=0{,}9p_{n}+0{,}7(1-p_{n})=0{,}2p_{n}+0{,}7
  • 4.a Le programme 1
  • 4.b La liste [1 ;0,9 ;0,88 ;0,876 ;0,875 2][1\,;0{,}9\,;0{,}88\,;0{,}876\,;0{,}875\,2], en valeurs approchées flottantes
  • 5 Initialisation p1=0,125+0,875=1p_{1}=0{,}125+0{,}875=1, hérédité par pn+1=0,2pn+0,7p_{n+1}=0{,}2p_{n}+0{,}7 : la formule est vraie pour tout n⩾1n\geqslant 1
  • 6 lim⁡n→+∞pn=0,875\lim\limits_{n\to+\infty}p_{n}=0{,}875

1.a. Le premier jour, l'étudiant a choisi un plat végétarien (p1=1p_{1}=1, l'évènement V1V_{1} est certain). D'après la première donnée de l'énoncé, la probabilité qu'il choisisse un plat végétarien le lendemain est alors 0,90{,}9 : p2=PV1(V2)=0,9p_{2}=P_{V_{1}}(V_{2})=0{,}9.

Écrit avec la formule des probabilités totales, pour montrer que rien n'est oublié : p2=P(V1)×PV1(V2)+P(V1‾)×PV1‾(V2)=1×0,9+0×0,7=0,9p_{2}=P(V_{1})\times P_{V_{1}}(V_{2})+P\left(\overline{V_{1}}\right)\times P_{\overline{V_{1}}}(V_{2})=1\times 0{,}9+0\times 0{,}7=0{,}9.

1.b. Méthode : arbre pondéré entre le jour 2 et le jour 3, puis formule des probabilités totales, la partition étant {V2 ;V2‾}\left\{V_{2}\,;\overline{V_{2}}\right\}.

On a P(V2)=0,9P(V_{2})=0{,}9 et P(V2‾)=1−0,9=0,1P\left(\overline{V_{2}}\right)=1-0{,}9=0{,}1 ; les probabilités conditionnelles se lisent dans l'énoncé : PV2(V3)=0,9P_{V_{2}}(V_{3})=0{,}9 et PV2‾(V3)=0,7P_{\overline{V_{2}}}(V_{3})=0{,}7.

Donc p3=P(V2∩V3)+P(V2‾∩V3)=0,9×0,9+0,1×0,7=0,81+0,07=0,88p_{3}=P(V_{2}\cap V_{3})+P\left(\overline{V_{2}}\cap V_{3}\right)=0{,}9\times 0{,}9+0{,}1\times 0{,}7=0{,}81+0{,}07=0{,}88.

Erreur fréquente : multiplier les probabilités le long d'un seul chemin, 0,9×0,9=0,810{,}9\times 0{,}9=0{,}81, et oublier que l'étudiant peut aussi manger végétarien le troisième jour après un plat non végétarien le deuxième.

1.c. On cherche la probabilité de V2‾\overline{V_{2}} sachant V3V_{3} : c'est une probabilité conditionnelle « inversée », l'information porte sur le jour 3 et la question sur le jour 2. Par définition, PV3(V2‾)=P(V2‾∩V3)P(V3)P_{V_{3}}\left(\overline{V_{2}}\right)=\dfrac{P\left(\overline{V_{2}}\cap V_{3}\right)}{P(V_{3})}.

Le numérateur a été calculé en 1.b : P(V2‾∩V3)=0,1×0,7=0,07P\left(\overline{V_{2}}\cap V_{3}\right)=0{,}1\times 0{,}7=0{,}07. Donc PV3(V2‾)=0,070,88=788≈0,079 5P_{V_{3}}\left(\overline{V_{2}}\right)=\dfrac{0{,}07}{0{,}88}=\dfrac{7}{88}\approx 0{,}079\,5, soit 0,080{,}08 arrondi à 10−210^{-2}.

Cohérence : moins de 8 %8\,\% des jours végétariens du jour 3 suivent un jour non végétarien, ce qui est logique puisque le jour 2 lui-même n'est non végétarien qu'avec la probabilité 0,10{,}1. Piège : répondre PV2‾(V3)=0,7P_{\overline{V_{2}}}(V_{3})=0{,}7, c'est-à-dire la probabilité conditionnelle dans le mauvais sens.

2. On complète l'arbre à l'aide des données et de la règle « la somme des probabilités issues d'un même nœud vaut 11 ».

Premier niveau : P(Vn)=pnP(V_{n})=p_{n} (déjà écrit) et P(Vn‾)=1−pnP\left(\overline{V_{n}}\right)=1-p_{n}. Depuis VnV_{n} : PVn(Vn+1)=0,9P_{V_{n}}(V_{n+1})=0{,}9 et PVn(Vn+1‾)=1−0,9=0,1P_{V_{n}}\left(\overline{V_{n+1}}\right)=1-0{,}9=0{,}1. Depuis Vn‾\overline{V_{n}} : PVn‾(Vn+1)=0,7P_{\overline{V_{n}}}(V_{n+1})=0{,}7 et PVn‾(Vn+1‾)=1−0,7=0,3P_{\overline{V_{n}}}\left(\overline{V_{n+1}}\right)=1-0{,}7=0{,}3. L'arbre complété figure en fin de corrigé.

Piège : la branche vers Vn‾\overline{V_{n}} ne porte pas un nombre mais l'expression 1−pn1-p_{n}, puisque pnp_{n} dépend de nn.

3. Formule des probabilités totales avec la partition {Vn ;Vn‾}\left\{V_{n}\,;\overline{V_{n}}\right\} (valable pour tout n⩾1n\geqslant 1) : pn+1=P(Vn+1)=P(Vn)×PVn(Vn+1)+P(Vn‾)×PVn‾(Vn+1)p_{n+1}=P(V_{n+1})=P(V_{n})\times P_{V_{n}}(V_{n+1})+P\left(\overline{V_{n}}\right)\times P_{\overline{V_{n}}}(V_{n+1}).

D'où pn+1=0,9pn+0,7(1−pn)=0,9pn+0,7−0,7pn=0,2pn+0,7p_{n+1}=0{,}9p_{n}+0{,}7(1-p_{n})=0{,}9p_{n}+0{,}7-0{,}7p_{n}=0{,}2p_{n}+0{,}7.

Vérification sur les valeurs connues : 0,2×1+0,7=0,9=p20{,}2\times 1+0{,}7=0{,}9=p_{2} et 0,2×0,9+0,7=0,88=p30{,}2\times 0{,}9+0{,}7=0{,}88=p_{3}. Le correcteur attend que la formule des probabilités totales soit nommée et que la partition soit dite.

4.a. Le programme 1. La liste L contient au départ p1=1p_{1}=1 ; la boucle for k in range(1,n) fait tourner kk de 11 à n−1n-1, soit n−1n-1 tours, et chaque tour ajoute le terme suivant pk+1p_{k+1}. La liste finale contient donc 1+(n−1)=n1+(n-1)=n termes, p1p_{1} à pnp_{n}.

Le programme 2 fait un tour de trop, range(1,n+1) allant jusqu'à nn : il renvoie n+1n+1 termes, de p1p_{1} à pn+1p_{n+1}. Le programme 3 calcule bien pp mais range p+1 dans la liste : les termes ajoutés sont pk+1+1p_{k+1}+1, donc faux à partir du deuxième.

Remarque de lecture : dans le programme 1, la ligne 7 est décalée d'une espace de plus que dans les deux autres programmes ; on la lit, comme dans les programmes 2 et 3, au niveau du corps de la fonction, après la boucle.

4.b. On exécute le programme 1 pour n=5n=5 : quatre tours de boucle. Départ : L = [1]. Tour k=1k=1 : p=0,2×1+0,7=0,9p=0{,}2\times 1+0{,}7=0{,}9. Tour k=2k=2 : p=0,2×0,9+0,7=0,88p=0{,}2\times 0{,}9+0{,}7=0{,}88. Tour k=3k=3 : p=0,2×0,88+0,7=0,876p=0{,}2\times 0{,}88+0{,}7=0{,}876. Tour k=4k=4 : p=0,2×0,876+0,7=0,875 2p=0{,}2\times 0{,}876+0{,}7=0{,}875\,2.

Le résultat renvoyé est la liste [1 ;0,9 ;0,88 ;0,876 ;0,875 2][1\,;0{,}9\,;0{,}88\,;0{,}876\,;0{,}875\,2], c'est-à-dire p1p_{1} à p5p_{5}. Python calcule en nombres flottants, qui ne représentent pas exactement 0,20{,}2 ni 0,70{,}7 : l'écran affiche en réalité [1, 0.8999999999999999, 0.8799999999999999, 0.8759999999999999, 0.8752]. Ces écarts, de l'ordre de 10−1610^{-16}, viennent de l'écriture binaire des décimaux et ne changent rien à la réponse attendue.

5. On démontre par récurrence, pour tout entier n⩾1n\geqslant 1, la propriété P(n)\mathcal{P}(n) : « pn=0,125×0,2n−1+0,875p_{n}=0{,}125\times 0{,}2^{n-1}+0{,}875 ».

Initialisation : pour n=1n=1, 0,125×0,20+0,875=0,125+0,875=1=p10{,}125\times 0{,}2^{0}+0{,}875=0{,}125+0{,}875=1=p_{1}, donc P(1)\mathcal{P}(1) est vraie.

Hérédité : soit n⩾1n\geqslant 1 un entier tel que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie. D'après la question 3, pn+1=0,2pn+0,7=0,2(0,125×0,2n−1+0,875)+0,7=0,125×0,2n+0,175+0,7=0,125×0,2n+0,875p_{n+1}=0{,}2p_{n}+0{,}7=0{,}2\left(0{,}125\times 0{,}2^{n-1}+0{,}875\right)+0{,}7=0{,}125\times 0{,}2^{n}+0{,}175+0{,}7=0{,}125\times 0{,}2^{n}+0{,}875. C'est exactement P(n+1)\mathcal{P}(n+1), puisque 0,2(n+1)−1=0,2n0{,}2^{(n+1)-1}=0{,}2^{n}.

Conclusion : P(1)\mathcal{P}(1) est vraie et la propriété est héréditaire ; par le principe de récurrence, pn=0,125×0,2n−1+0,875p_{n}=0{,}125\times 0{,}2^{n-1}+0{,}875 pour tout entier n⩾1n\geqslant 1.

Contrôle : n=3n=3 donne 0,125×0,04+0,875=0,880{,}125\times 0{,}04+0{,}875=0{,}88, la valeur de 1.b. Le nombre 0,8750{,}875 n'est pas un hasard : c'est le point fixe de x↦0,2x+0,7x\mapsto 0{,}2x+0{,}7, solution de x=0,2x+0,7x=0{,}2x+0{,}7, soit x=0,70,8=0,875x=\dfrac{0{,}7}{0{,}8}=0{,}875. Erreurs fréquentes : initialiser à n=0n=0 alors que la suite commence à n=1n=1, et écrire 0,2×0,2n−1=0,2n+10{,}2\times 0{,}2^{n-1}=0{,}2^{n+1} au lieu de 0,2n0{,}2^{n}.

6. Limite d'une suite géométrique : comme −1<0,2<1-1<0{,}2<1, lim⁡n→+∞0,2n−1=0\lim\limits_{n\to+\infty}0{,}2^{n-1}=0. Par produit par la constante 0,1250{,}125 puis somme, lim⁡n→+∞pn=0,125×0+0,875=0,875\lim\limits_{n\to+\infty}p_{n}=0{,}125\times 0+0{,}875=0{,}875.

Interprétation : à long terme, l'étudiant choisit un plat végétarien avec une probabilité proche de 0,8750{,}875, environ sept jours sur huit, quel que soit son choix du jour de la rentrée. Les termes calculés en 4.b, 0,8760{,}876 puis 0,875 20{,}875\,2, s'en approchent déjà par valeurs supérieures.

python
def repas(n):
    p = 1
    L = [p]
    for k in range(1, n):
        p = 0.2*p + 0.7
        L.append(p)
    return L

print(repas(5))
# affiche [1, 0.8999999999999999, 0.8799999999999999, 0.8759999999999999, 0.8752]
VₙpₙVₙ₊₁0,9non Vₙ₊₁0,1non Vₙ1 − pₙVₙ₊₁0,7non Vₙ₊₁0,3

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Exercice 2 : Vrai ou faux : dénombrement, somme de deux variables aléatoires et loi binomiale

5 points Combinatoire et dénombrementSommes de variables aléatoires et concentrationLoi binomiale et concentration

Pour chacune des affirmations suivantes, indiquer si elle est vraie ou fausse.
Chaque réponse doit être justifiée.
Une réponse non justifiée ne rapporte aucun point.

  • 1. Deux équipes de footballeurs de 22 et 25 joueurs échangent une poignée de main à la fin d'un match. Chaque joueur d'une équipe serre une seule fois la main de chaque joueur de l'autre équipe.
    Affirmation 1
    47 poignées de mains ont été échangées.
  • 2. Une course oppose 18 concurrents. On récompense indistinctement les trois premiers en offrant le même prix à chacun.
    Affirmation 2
    Il y a 4 8964\,896 possibilités de distribuer ces prix.
  • 3. Une association organise une compétition de course de haies qui permettra d'établir un podium (le podium est constitué des trois meilleurs sportifs classés dans leur ordre d'arrivée). Sept sportifs participent au tournoi. Jacques est l'un d'entre eux.
    Affirmation 3
    Il y a 90 podiums différents dont Jacques fait partie.
  • 4. Soit X1X_{1} et X2X_{2} deux variables aléatoires de même loi donnée par le tableau ci-dessous :
  • xix_{i}−2-2−1-12255
    P(X=xi)P(X=x_{i})0,10{,}10,40{,}40,30{,}30,20{,}2
  • 4. On suppose que X1X_{1} et X2X_{2} sont indépendantes et on considère YY la variable aléatoire somme de ces deux variables aléatoires.
    Affirmation 4
    P(Y=4)=0,25P(Y=4)=0{,}25.
  • 5. Un nageur s'entraîne dans l'objectif de parcourir le 5050 mètres nage libre en moins de 2525 secondes. Au fil des entraînements, il s'avère que la probabilité qu'il y parvienne s'établit à 0,850{,}85.
    Il effectue, sur une journée, 2020 parcours chronométrés sur 5050 mètres. On note XX la variable aléatoire qui compte le nombre de fois où il nage cette distance en moins de 2525 secondes lors de cette journée.
    On admet que XX suit la loi binomiale de paramètres n=20n=20 et p=0,85p=0{,}85.
    Affirmation 5
    Sachant qu'il a atteint au moins 1515 fois son objectif, une valeur approchée à 10−310^{-3} de la probabilité qu'il l'ait atteint au moins 18 fois est 0,4340{,}434.

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Réponses

  • 1 Faux : 22×25=55022\times 25=550 poignées de main
  • 2 Faux : (183)=816\dbinom{18}{3}=816 ; 4 896=18×17×164\,896=18\times 17\times 16 compte les podiums ordonnés
  • 3 Vrai : 7×6×5−6×5×4=210−120=907\times 6\times 5-6\times 5\times 4=210-120=90
  • 4 Vrai : P(Y=4)=2×0,4×0,2+0,32=0,25P(Y=4)=2\times 0{,}4\times 0{,}2+0{,}3^{2}=0{,}25
  • 5 Vrai : PX⩾15(X⩾18)=P(X⩾18)P(X⩾15)≈0,404 90,932 7≈0,434P_{X\geqslant 15}(X\geqslant 18)=\dfrac{P(X\geqslant 18)}{P(X\geqslant 15)}\approx\dfrac{0{,}404\,9}{0{,}932\,7}\approx 0{,}434

1. Méthode : principe multiplicatif. Une poignée de main est déterminée par un couple (joueur de la première équipe, joueur de la seconde équipe), et chaque couple donne exactement une poignée, puisque chaque joueur serre une seule fois la main de chaque adversaire. Le nombre de poignées est donc le cardinal du produit cartésien des deux équipes : 22×25=55022\times 25=550.

Vérification par l'autre bout : chacun des 2222 joueurs de la première équipe serre 2525 mains, soit 22×2522\times 25 ; chacun des 2525 joueurs de la seconde en serre 2222, soit 25×2225\times 22, le même nombre, ce qui confirme qu'on n'a rien compté deux fois.

550≠47550\neq 47 : l'affirmation 1 est FAUSSE. Le nombre 47=22+2547=22+25 est le nombre de joueurs, pas de poignées de main. C'est l'erreur que l'affirmation cherche à provoquer : additionner là où les choix s'enchaînent, et donc se multiplient.

2. Méthode : choisir le modèle de dénombrement selon que l'ordre compte ou non. Les trois premiers reçoivent « indistinctement » le même prix : une distribution des prix est seulement le choix de l'ensemble des trois lauréats parmi les 1818 concurrents, l'ordre d'arrivée entre eux ne changeant rien. C'est une combinaison : (183)=18×17×163×2×1=4 8966=816\dbinom{18}{3}=\dfrac{18\times 17\times 16}{3\times 2\times 1}=\dfrac{4\,896}{6}=816.

816≠4 896816\neq 4\,896 : l'affirmation 2 est FAUSSE.

Le nombre 4 896=18×17×164\,896=18\times 17\times 16 est le nombre de 33-arrangements, c'est-à-dire de podiums ORDONNÉS : il conviendrait si les trois prix étaient différents (or, argent, bronze). Chaque ensemble de trois lauréats correspond à 3!=63!=6 ordres d'arrivée, d'où le facteur 66 entre les deux nombres : 816×6=4 896816\times 6=4\,896.

3. Méthode : un podium est une liste ordonnée de trois sportifs distincts pris parmi sept, c'est-à-dire un 33-arrangement. Pour compter ceux qui contiennent Jacques, on passe par le complémentaire.

Nombre total de podiums : 7×6×5=2107\times 6\times 5=210. Podiums SANS Jacques, formés avec les six autres sportifs : 6×5×4=1206\times 5\times 4=120. Podiums dont Jacques fait partie : 210−120=90210-120=90.

Vérification par un dénombrement direct : on choisit la place de Jacques sur le podium (33 possibilités), puis on remplit les deux autres places, dans l'ordre, avec deux des six autres sportifs (6×5=306\times 5=30 possibilités) : 3×30=903\times 30=90. Les deux méthodes concordent : l'affirmation 3 est VRAIE.

Piège : compter (62)=15\dbinom{6}{2}=15 façons de choisir ses deux compagnons, en oubliant que le podium est ordonné ; il faut alors multiplier par les 3!=63!=6 ordres possibles des trois sportifs, et l'on retrouve 15×6=9015\times 6=90.

4. Méthode : Y=X1+X2Y=X_{1}+X_{2} prend la valeur 44 pour chaque couple de valeurs (x ;x′)(x\,;x') tel que x+x′=4x+x'=4 ; on liste ces couples, puis on utilise l'indépendance, P(X1=x ∩ X2=x′)=P(X1=x)×P(X2=x′)P(X_{1}=x\,\cap\,X_{2}=x')=P(X_{1}=x)\times P(X_{2}=x').

Les valeurs possibles sont −2-2, −1-1, 22 et 55. Pour obtenir 44 : −1+5-1+5, 5+(−1)5+(-1) et 2+22+2 ; −2-2 exigerait 66, qui n'est pas une valeur possible. Les trois évènements {X1=−1}∩{X2=5}\{X_{1}=-1\}\cap\{X_{2}=5\}, {X1=5}∩{X2=−1}\{X_{1}=5\}\cap\{X_{2}=-1\} et {X1=2}∩{X2=2}\{X_{1}=2\}\cap\{X_{2}=2\} sont deux à deux incompatibles.

Donc P(Y=4)=0,4×0,2+0,2×0,4+0,3×0,3=0,08+0,08+0,09=0,25P(Y=4)=0{,}4\times 0{,}2+0{,}2\times 0{,}4+0{,}3\times 0{,}3=0{,}08+0{,}08+0{,}09=0{,}25. L'affirmation 4 est VRAIE.

Erreur fréquente : ne compter le couple (−1 ;5)(-1\,;5) qu'une fois, ce qui donne 0,08+0,09=0,170{,}08+0{,}09=0{,}17. Les couples (−1 ;5)(-1\,;5) et (5 ;−1)(5\,;-1) sont deux issues différentes : dans la première, c'est X1X_{1} qui vaut −1-1, dans la seconde, c'est X2X_{2}. Le couple (2 ;2)(2\,;2), lui, ne se compte qu'une fois.

5. Méthode : probabilité conditionnelle, PX⩾15(X⩾18)=P({X⩾18}∩{X⩾15})P(X⩾15)P_{X\geqslant 15}(X\geqslant 18)=\dfrac{P\left(\{X\geqslant 18\}\cap\{X\geqslant 15\}\right)}{P(X\geqslant 15)}. Atteindre l'objectif au moins 1818 fois implique de l'avoir atteint au moins 1515 fois : l'évènement {X⩾18}\{X\geqslant 18\} est inclus dans {X⩾15}\{X\geqslant 15\}, donc leur intersection est {X⩾18}\{X\geqslant 18\} et PX⩾15(X⩾18)=P(X⩾18)P(X⩾15)P_{X\geqslant 15}(X\geqslant 18)=\dfrac{P(X\geqslant 18)}{P(X\geqslant 15)}.

XX suit la loi binomiale B(20 ;0,85)\mathcal{B}(20\,;0{,}85). À la calculatrice, par les probabilités cumulées : P(X⩾18)=1−P(X⩽17)≈1−0,595 1=0,404 9P(X\geqslant 18)=1-P(X\leqslant 17)\approx 1-0{,}595\,1=0{,}404\,9 et P(X⩾15)=1−P(X⩽14)≈1−0,067 3=0,932 7P(X\geqslant 15)=1-P(X\leqslant 14)\approx 1-0{,}067\,3=0{,}932\,7. On peut aussi sommer les termes : P(X=18)≈0,229 3P(X=18)\approx 0{,}229\,3, P(X=19)≈0,136 8P(X=19)\approx 0{,}136\,8, P(X=20)=0,8520≈0,038 8P(X=20)=0{,}85^{20}\approx 0{,}038\,8, de somme 0,404 90{,}404\,9.

Donc PX⩾15(X⩾18)≈0,404 90,932 7≈0,434 1P_{X\geqslant 15}(X\geqslant 18)\approx\dfrac{0{,}404\,9}{0{,}932\,7}\approx 0{,}434\,1, soit 0,4340{,}434 à 10−310^{-3} près. L'affirmation 5 est VRAIE.

Interprétation : les jours où le nageur atteint au moins 1515 fois son objectif, ce qui arrive avec une probabilité d'environ 0,930{,}93, il l'atteint au moins 1818 fois un peu moins d'une fois sur deux. Le conditionnement augmente légèrement la probabilité, de 0,4050{,}405 à 0,4340{,}434, puisqu'on divise par un nombre inférieur à 11.

Pièges : écrire P(X⩾15)=1−P(X⩽15)P(X\geqslant 15)=1-P(X\leqslant 15), qui retire à tort la valeur 1515 ; diviser par P(X⩾18)P(X\geqslant 18) au lieu de P(X⩾15)P(X\geqslant 15) ; ou répondre P(X⩾18)≈0,405P(X\geqslant 18)\approx 0{,}405 en oubliant la condition. Pour éviter de cumuler les erreurs d'arrondi, on garde les valeurs de la calculatrice en mémoire jusqu'au quotient.

Exercice 3 : Fonction exponentielle et équation différentielle : concentration d'un médicament dans le sang

6 points Les équations différentiellesExponentielle et logarithmePrimitives et intégrationLa convexité

On se propose d'étudier la concentration dans le sang d'un médicament ingéré par une personne pour la première fois. Soit tt le temps (en heures) écoulé depuis l'ingestion de ce médicament.

On admet que la concentration de ce médicament dans le sang, en gramme par litre de sang, est modélisée par une fonction ff de la variable tt définie sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

  • Partie A : lectures graphiques
  • Courbe rouge de la concentration en g/L en fonction du temps en heures, de 0 à 7,5 heures, sur un quadrillage dont un petit carreau vaut 0,2 heure en abscisse et 0,2 g/L en ordonnée. La courbe part de l'origine, monte très vite, atteint un maximum d'environ 1,8 g/L en t = 1, recoupe la droite d'ordonnée 1 vers t = 0,25 en montant puis vers t = 2,5 en descendant, et se rapproche de l'axe des abscisses au-delà de 6 heures.
  • On a représenté ci-dessus la courbe représentative de la fonction ff. Avec la précision permise par le graphique, donner sans justification :
  • A.1. Le temps écoulé depuis l'instant de l'ingestion de ce médicament et l'instant où la concentration de médicament dans le sang est maximale selon ce modèle.
  • A.2. L'ensemble des solutions de l'inéquation f(t)⩾1f(t)\geqslant 1.
  • A.3. La convexité de la fonction ff sur l'intervalle [0 ;8][0\,;8].
  • Partie B : détermination de la fonction ff
  • On considère l'équation différentielle (E) : y′+y=5e−t(E)\,:\ y'+y=5\mathrm{e}^{-t}, d'inconnue yy, où yy est une fonction définie et dérivable sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.
  • On admet que la fonction ff est une solution de l'équation différentielle (E)(E).
  • B.1. Résoudre l'équation différentielle (E′) : y′+y=0(E')\,:\ y'+y=0.
  • B.2. Soit uu la fonction définie sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ par u(t)=ate−tu(t)=at\mathrm{e}^{-t} avec a∈Ra\in\mathbb{R}.
    Déterminer la valeur du réel aa telle que la fonction uu soit solution de l'équation (E)(E).
  • B.3. En déduire l'ensemble des solutions de l'équation différentielle (E)(E).
  • B.4. La personne n'ayant pas pris ce médicament auparavant, on admet que f(0)=0f(0)=0.
    Déterminer l'expression de la fonction ff.
  • Partie C : étude de la fonction ff
  • Dans cette partie, on admet que ff est définie sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ par f(t)=5te−tf(t)=5t\mathrm{e}^{-t}.
  • C.1. Déterminer la limite de ff en +∞+\infty.
    Interpréter ce résultat dans le contexte de l'exercice.
  • C.2. Étudier les variations de ff sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ puis dresser son tableau de variation complet.
  • C.3. Démontrer qu'il existe deux réels t1t_{1} et t2t_{2} tels que f(t1)=f(t2)=1f(t_{1})=f(t_{2})=1.
    On donnera une valeur approchée à 10−210^{-2} des réels t1t_{1} et t2t_{2}.
  • C.4. Pour une concentration du médicament supérieure ou égale à 1 gramme par litre de sang, il y a un risque de somnolence.
    Quelle est la durée en heures et minutes du risque de somnolence lors de la prise de ce médicament ?
  • Partie D : concentration moyenne
  • La concentration moyenne du médicament (en gramme par litre de sang) durant la première heure est donnée par : Tm=∫01f(t) dtT_{m}=\displaystyle\int_{0}^{1}f(t)\,\mathrm{d}t où ff est la fonction définie sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ par f(t)=5te−tf(t)=5t\mathrm{e}^{-t}.
  • D. Calculer cette concentration moyenne.
    On donnera la valeur exacte puis une valeur approchée à 0,01 près.

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A.1
A.2
A.3
B.2
C.1
C.2
C.3
C.4
D
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Réponses

  • A.1 Environ 11 heure
  • A.2 Environ [0,25 ;2,55][0{,}25\,;2{,}55] (lecture graphique)
  • A.3 ff est concave sur [0 ;2][0\,;2] puis convexe sur [2 ;8][2\,;8] (inflexion vers t=2t=2)
  • B.1 y(t)=Ce−ty(t)=C\mathrm{e}^{-t}, C∈RC\in\mathbb{R}
  • B.2 a=5a=5
  • B.3 y(t)=Ce−t+5te−ty(t)=C\mathrm{e}^{-t}+5t\mathrm{e}^{-t}, C∈RC\in\mathbb{R}
  • B.4 f(t)=5te−tf(t)=5t\mathrm{e}^{-t}
  • C.1 lim⁡t→+∞f(t)=0\lim\limits_{t\to+\infty}f(t)=0 : le médicament finit par être éliminé du sang
  • C.2 f′(t)=5(1−t)e−tf'(t)=5(1-t)\mathrm{e}^{-t} ; ff croissante sur [0 ;1][0\,;1], décroissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, maximum f(1)=5e≈1,84f(1)=\dfrac{5}{\mathrm{e}}\approx 1{,}84
  • C.3 t1≈0,26t_{1}\approx 0{,}26 (ou 0,250{,}25 par défaut) et t2≈2,54t_{2}\approx 2{,}54 (théorème des valeurs intermédiaires, cas strictement monotone)
  • C.4 Environ 2,282{,}28 h, soit 22 h 1717 min
  • D Tm=5−10e≈1,32T_{m}=5-\dfrac{10}{\mathrm{e}}\approx 1{,}32 g/L

A.1. La concentration est maximale au sommet de la courbe, dont l'abscisse se lit à t=1t=1 : la concentration est maximale environ 11 heure après l'ingestion, et vaut alors un peu plus de 1,81{,}8 g/L. La partie C le confirme : le maximum est atteint exactement en t=1t=1.

A.2. On trace la droite horizontale d'ordonnée 11 ; les solutions de f(t)⩾1f(t)\geqslant 1 sont les abscisses des points de la courbe situés sur ou au-dessus de cette droite. La courbe la coupe en montant vers t≈0,25t\approx 0{,}25 et en descendant vers t≈2,55t\approx 2{,}55 (un petit carreau vaut 0,20{,}2 heure). L'ensemble des solutions est donc environ l'intervalle [0,25 ;2,55][0{,}25\,;2{,}55], bornes comprises puisque l'inégalité est large.

La précision d'une lecture est d'un demi-carreau : toute réponse du type [0,2 ;2,5][0{,}2\,;2{,}5] ou [0,3 ;2,6][0{,}3\,;2{,}6] est acceptable. La question C.3 donne les valeurs fines, 0,260{,}26 et 2,542{,}54.

A.3. Sur la première partie, la courbe est « en dôme » : elle est située sous ses tangentes et la pente diminue, ff est concave. Plus loin, la courbe s'aplatit en restant au-dessus de ses tangentes, la pente (négative) augmente vers 00 : ff est convexe. Le changement, c'est-à-dire le point d'inflexion, se situe vers t=2t=2. Lecture : ff est concave sur [0 ;2][0\,;2] et convexe sur [2 ;8][2\,;8] environ.

Confirmation par le calcul, qui n'était pas demandé : avec f(t)=5te−tf(t)=5t\mathrm{e}^{-t} (partie C) et f′(t)=5(1−t)e−tf'(t)=5(1-t)\mathrm{e}^{-t} (question C.2), on obtient f′′(t)=5[−e−t−(1−t)e−t]=5(t−2)e−tf''(t)=5\left[-\mathrm{e}^{-t}-(1-t)\mathrm{e}^{-t}\right]=5(t-2)\mathrm{e}^{-t}, du signe de t−2t-2 : f′′⩽0f''\leqslant 0 sur [0 ;2][0\,;2] et f′′⩾0f''\geqslant 0 sur [2 ;8][2\,;8]. Le graphique s'arrête à t=7,5t=7{,}5, mais la courbe y est déjà nettement convexe et le calcul montre qu'elle le reste jusqu'à 88.

Piège : placer le changement de convexité au sommet, en t=1t=1. Le sommet est l'endroit où la dérivée s'annule ; le point d'inflexion est celui où la dérivée est la plus négative, c'est-à-dire où la descente est la plus raide.

B.1. (E′)(E') s'écrit y′=−yy'=-y, de la forme y′=ayy'=ay avec a=−1a=-1. D'après le cours, ses solutions sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ sont les fonctions t↦Ce−tt\mapsto C\mathrm{e}^{-t}, où CC est une constante réelle quelconque.

Vérification : si y(t)=Ce−ty(t)=C\mathrm{e}^{-t}, alors y′(t)=−Ce−ty'(t)=-C\mathrm{e}^{-t} et y′+y=0y'+y=0. Piège : écrire CetC\mathrm{e}^{t} en oubliant que l'équation est y′=−yy'=-y et non y′=yy'=y.

B.2. La fonction uu est dérivable comme produit de fonctions dérivables. Dérivée d'un produit, avec (e−t)′=−e−t(\mathrm{e}^{-t})'=-\mathrm{e}^{-t} : u′(t)=ae−t+at×(−e−t)=ae−t−ate−tu'(t)=a\mathrm{e}^{-t}+at\times(-\mathrm{e}^{-t})=a\mathrm{e}^{-t}-at\mathrm{e}^{-t}.

Donc u′(t)+u(t)=ae−t−ate−t+ate−t=ae−tu'(t)+u(t)=a\mathrm{e}^{-t}-at\mathrm{e}^{-t}+at\mathrm{e}^{-t}=a\mathrm{e}^{-t}. La fonction uu est solution de (E)(E) si et seulement si ae−t=5e−ta\mathrm{e}^{-t}=5\mathrm{e}^{-t} pour tout t⩾0t\geqslant 0, c'est-à-dire, en divisant par e−t>0\mathrm{e}^{-t}>0, si et seulement si a=5a=5.

La solution particulière est donc u(t)=5te−tu(t)=5t\mathrm{e}^{-t}. Erreur fréquente : dériver ate−tat\mathrm{e}^{-t} en −ae−t-a\mathrm{e}^{-t}, en oubliant la dérivée du facteur tt ; les termes en te−tt\mathrm{e}^{-t} ne se simplifient alors plus.

B.3. Théorème du cours : les solutions de l'équation complète (E)(E) s'obtiennent en ajoutant à une solution particulière de (E)(E) les solutions de l'équation homogène (E′)(E'). Les solutions de (E)(E) sont donc les fonctions yy définies sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ par y(t)=Ce−t+5te−t=(5t+C)e−ty(t)=C\mathrm{e}^{-t}+5t\mathrm{e}^{-t}=(5t+C)\mathrm{e}^{-t}, avec C∈RC\in\mathbb{R}.

Justification rapide du théorème : yy est solution de (E)(E) si et seulement si (y−u)′+(y−u)=5e−t−5e−t=0(y-u)'+(y-u)=5\mathrm{e}^{-t}-5\mathrm{e}^{-t}=0, c'est-à-dire si et seulement si y−uy-u est solution de (E′)(E').

B.4. La fonction ff est une solution de (E)(E) : il existe un réel CC tel que f(t)=(5t+C)e−tf(t)=(5t+C)\mathrm{e}^{-t}. La condition initiale donne f(0)=(0+C)e0=Cf(0)=(0+C)\mathrm{e}^{0}=C, donc C=0C=0, et f(t)=5te−tf(t)=5t\mathrm{e}^{-t} pour tout t⩾0t\geqslant 0. C'est l'expression admise dans la partie C.

C.1. En +∞+\infty, 5t→+∞5t\to+\infty et e−t→0\mathrm{e}^{-t}\to 0 : le produit est une forme indéterminée « ∞×0\infty\times 0 ». On l'écrit f(t)=5×tetf(t)=5\times\dfrac{t}{\mathrm{e}^{t}}. Par croissance comparée, lim⁡t→+∞ett=+∞\lim\limits_{t\to+\infty}\dfrac{\mathrm{e}^{t}}{t}=+\infty, donc lim⁡t→+∞tet=0\lim\limits_{t\to+\infty}\dfrac{t}{\mathrm{e}^{t}}=0 et lim⁡t→+∞f(t)=0\lim\limits_{t\to+\infty}f(t)=0.

Interprétation : à long terme, la concentration du médicament dans le sang tend vers 00 g/L ; le médicament est progressivement éliminé par l'organisme. Le graphique le montre : après 66 heures, la concentration est déjà inférieure à 0,10{,}1 g/L.

C.2. ff est dérivable sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ et, comme en B.2 avec a=5a=5 : f′(t)=5e−t−5te−t=5(1−t)e−tf'(t)=5\mathrm{e}^{-t}-5t\mathrm{e}^{-t}=5(1-t)\mathrm{e}^{-t}.

Signe : 5>05>0 et e−t>0\mathrm{e}^{-t}>0, donc f′(t)f'(t) est du signe de 1−t1-t : f′(t)>0f'(t)>0 sur [0 ;1[[0\,;1[, f′(1)=0f'(1)=0, f′(t)<0f'(t)<0 sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[. La fonction ff est strictement croissante sur [0 ;1][0\,;1] et strictement décroissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Valeurs du tableau : f(0)=0f(0)=0 ; maximum f(1)=5e−1=5e≈1,84f(1)=5\mathrm{e}^{-1}=\dfrac{5}{\mathrm{e}}\approx 1{,}84 ; limite 00 en +∞+\infty (question C.1). Le tableau de variation complet figure en fin de corrigé. Le maximum confirme les lectures A.1 : 11 heure et environ 1,81{,}8 g/L.

« Complet » veut dire avec la valeur exacte du maximum, 5e\dfrac{5}{\mathrm{e}}, la valeur en 00 et la limite en +∞+\infty : c'est sur ces trois valeurs que s'appuie la question suivante.

C.3. Méthode : corollaire du théorème des valeurs intermédiaires (cas d'une fonction continue et strictement monotone), appliqué sur chacun des deux intervalles de monotonie.

Sur [0 ;1][0\,;1] : ff est continue (car dérivable) et strictement croissante, avec f(0)=0f(0)=0 et f(1)=5e≈1,84f(1)=\dfrac{5}{\mathrm{e}}\approx 1{,}84. Comme 1∈[0 ;5e]1\in\left[0\,;\dfrac{5}{\mathrm{e}}\right], l'équation f(t)=1f(t)=1 admet une unique solution t1t_{1} dans [0 ;1][0\,;1].

Sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ : ff est continue et strictement décroissante, f(1)=5e>1f(1)=\dfrac{5}{\mathrm{e}}>1 et lim⁡t→+∞f(t)=0<1\lim\limits_{t\to+\infty}f(t)=0<1. Par le même corollaire, étendu à un intervalle ouvert à droite, l'équation f(t)=1f(t)=1 admet une unique solution t2t_{2} dans [1 ;+∞[[1\,;+\infty[. Il existe donc bien deux réels t1t_{1} et t2t_{2}, et ce sont les deux seuls, tels que f(t1)=f(t2)=1f(t_{1})=f(t_{2})=1.

Valeurs approchées par balayage à la calculatrice : f(0,25)≈0,974<1f(0{,}25)\approx 0{,}974<1 et f(0,26)≈1,002>1f(0{,}26)\approx 1{,}002>1, donc 0,25<t1<0,260{,}25<t_{1}<0{,}26 ; avec un pas de 0,0010{,}001, t1≈0,259t_{1}\approx 0{,}259, d'où t1≈0,26t_{1}\approx 0{,}26. De même f(2,54)≈1,002>1f(2{,}54)\approx 1{,}002>1 et f(2,55)≈0,996<1f(2{,}55)\approx 0{,}996<1, donc 2,54<t2<2,552{,}54<t_{2}<2{,}55 ; plus finement t2≈2,543t_{2}\approx 2{,}543, d'où t2≈2,54t_{2}\approx 2{,}54.

Sur l'arrondi : une « valeur approchée à 10−210^{-2} » peut être la valeur par défaut, 0,250{,}25, que donne directement l'encadrement, ou l'arrondi au centième, 0,260{,}26 ; les deux sont acceptées. Pour l'arrondi, l'encadrement 0,25<t1<0,260{,}25<t_{1}<0{,}26 ne suffit pas : il faut un pas de plus, par exemple f(0,255)≈0,988<1f(0{,}255)\approx 0{,}988<1, qui place t1t_{1} dans [0,255 ;0,26][0{,}255\,;0{,}26]. Pour t2t_{2}, les deux valeurs coïncident : 2,542{,}54. L'erreur à éviter est de donner une valeur prise hors de l'encadrement, ou de ne pas vérifier les signes de f(t)−1f(t)-1 aux deux bornes.

C.4. D'après C.2 et C.3, f(t)⩾1f(t)\geqslant 1 exactement pour t∈[t1 ;t2]t\in[t_{1}\,;t_{2}] : la concentration atteint 11 g/L à l'instant t1t_{1} en montant, puis repasse sous 11 g/L à l'instant t2t_{2}. La durée du risque de somnolence est t2−t1≈2,543−0,259=2,284t_{2}-t_{1}\approx 2{,}543-0{,}259=2{,}284 heures.

Conversion : 0,284×60≈170{,}284\times 60\approx 17 minutes. Le risque de somnolence dure environ 22 heures et 1717 minutes. Avec les arrondis au centième, 2,54−0,26=2,282{,}54-0{,}26=2{,}28 h et 0,28×60=16,80{,}28\times 60=16{,}8 min donnent aussi 1717 minutes, de même que la valeur par défaut t1≈0,25t_{1}\approx 0{,}25 : 2,54−0,25=2,292{,}54-0{,}25=2{,}29 h et 0,29×60=17,40{,}29\times 60=17{,}4 min.

Erreur fréquente : lire 2,282{,}28 h comme « 22 h 2828 min ». La partie décimale d'un nombre d'heures se multiplie par 6060.

D. Méthode : intégration par parties. On pose u(t)=5tu(t)=5t et v′(t)=e−tv'(t)=\mathrm{e}^{-t}, d'où u′(t)=5u'(t)=5 et v(t)=−e−tv(t)=-\mathrm{e}^{-t} ; les fonctions uu et vv sont dérivables à dérivées continues sur [0 ;1][0\,;1].

Tm=∫015te−t dt=[−5te−t]01−∫015×(−e−t) dt=−5e−1+5∫01e−t dt=−5e+5[−e−t]01=−5e+5(1−1e)T_{m}=\displaystyle\int_{0}^{1}5t\mathrm{e}^{-t}\,\mathrm{d}t=\Big[-5t\mathrm{e}^{-t}\Big]_{0}^{1}-\int_{0}^{1}5\times(-\mathrm{e}^{-t})\,\mathrm{d}t=-5\mathrm{e}^{-1}+5\int_{0}^{1}\mathrm{e}^{-t}\,\mathrm{d}t=-\dfrac{5}{\mathrm{e}}+5\Big[-\mathrm{e}^{-t}\Big]_{0}^{1}=-\dfrac{5}{\mathrm{e}}+5\left(1-\dfrac{1}{\mathrm{e}}\right).

Donc Tm=5−10e≈1,32T_{m}=5-\dfrac{10}{\mathrm{e}}\approx 1{,}32 g/L.

Autre voie, sans intégration par parties : la fonction F(t)=−5(t+1)e−tF(t)=-5(t+1)\mathrm{e}^{-t} est une primitive de ff, car F′(t)=−5e−t+5(t+1)e−t=5te−tF'(t)=-5\mathrm{e}^{-t}+5(t+1)\mathrm{e}^{-t}=5t\mathrm{e}^{-t}. Alors Tm=F(1)−F(0)=−10e+5T_{m}=F(1)-F(0)=-\dfrac{10}{\mathrm{e}}+5, le même résultat.

Vérification : sur [0 ;1][0\,;1], ff croît de 00 à 1,841{,}84 ; une moyenne de 1,321{,}32 g/L se situe bien entre ces deux valeurs, et au-dessus de leur milieu, ce qui est cohérent avec une courbe concave sur cet intervalle (question A.3). Ici l'intervalle est de longueur 11, donc l'intégrale est directement la valeur moyenne, 11−0∫01f(t) dt\dfrac{1}{1-0}\displaystyle\int_{0}^{1}f(t)\,\mathrm{d}t.

tt0011+∞+\infty
signe de f′(t)f'(t)++00−-
variations de ff00↗\nearrow5e\dfrac{5}{\mathrm{e}}↘\searrow00
Tableau de variation complet de ff (question C.2)

Exercice 4 : Géométrie dans l'espace : projeté orthogonal par minimisation, orthocentre et aire d'un triangle

5 points Géométrie dans l'espaceLe produit scalaireDérivation et trigonométrie

L'espace est muni d'un repère orthonormé (O ;ı⃗,ȷ⃗,k⃗)\left(\mathrm{O}\,;\vec{\imath},\vec{\jmath},\vec{k}\right).

On considère les points A(23 ;0 ;0)\mathrm{A}\left(2\sqrt{3}\,;0\,;0\right), B(0 ;2 ;0)\mathrm{B}(0\,;2\,;0), C(0 ;0 ;1)\mathrm{C}(0\,;0\,;1) et K(32 ;32 ;0)\mathrm{K}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\,;\dfrac{3}{2}\,;0\right).

Figure en perspective : le repère d'origine O avec les vecteurs i, j et k en bleu, le point A sur l'axe des abscisses, B sur l'axe des ordonnées et C sur l'axe des cotes. Le triangle ABC est tracé, ainsi que le segment [CK], où K est un point du côté [AB], plus proche de B que de A.
  • 1. Justifier qu'une représentation paramétrique de la droite (CK)(\mathrm{CK}) est : {x=32ty=32tz=1−t\begin{cases}x=\dfrac{\sqrt{3}}{2}t\\[4pt] y=\dfrac{3}{2}t\\[4pt] z=1-t\end{cases} (t∈R)(t\in\mathbb{R})
  • 2. Soit M(t)\mathrm{M}(t) un point de la droite (CK)(\mathrm{CK}) paramétrée par un réel tt.
    Établir que OM(t)=4t2−2t+1\mathrm{OM}(t)=\sqrt{4t^{2}-2t+1}.
  • 3. Soit ff la fonction définie et dérivable sur R\mathbb{R} par f(t)=OM(t)f(t)=\mathrm{OM}(t).
  • 3.a. Étudier les variations de la fonction ff sur R\mathbb{R}.
  • 3.b. En déduire la valeur de tt pour laquelle ff atteint son minimum.
  • 4. En déduire que le point H(38 ;38 ;34)\mathrm{H}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{8}\,;\dfrac{3}{8}\,;\dfrac{3}{4}\right) est le projeté orthogonal du point O\mathrm{O} sur la droite (CK)(\mathrm{CK}).
  • 5. Démontrer, à l'aide de l'outil produit scalaire, que le point H\mathrm{H} est l'orthocentre (intersection des hauteurs d'un triangle) du triangle ABC\mathrm{ABC}.
  • 6.a. Démontrer que la droite (OH)(\mathrm{OH}) est orthogonale au plan (ABC)(\mathrm{ABC}).
  • 6.b. En déduire une équation du plan (ABC)(\mathrm{ABC}).
  • 7. Calculer, en unité d'aire, l'aire du triangle ABC\mathrm{ABC}.

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3.a
3.b
6.b
7
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Réponses

  • 1 CK→(32 ;32 ;−1)\overrightarrow{\mathrm{CK}}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\,;\frac{3}{2}\,;-1\right) dirige la droite, qui passe par C\mathrm{C} (t=0t=0) et par K\mathrm{K} (t=1t=1)
  • 2 OM(t)2=34t2+94t2+(1−t)2=4t2−2t+1\mathrm{OM}(t)^{2}=\frac{3}{4}t^{2}+\frac{9}{4}t^{2}+(1-t)^{2}=4t^{2}-2t+1
  • 3.a f′(t)=4t−14t2−2t+1f'(t)=\dfrac{4t-1}{\sqrt{4t^{2}-2t+1}} : ff décroissante sur ]−∞ ;14]\left]-\infty\,;\frac{1}{4}\right], croissante sur [14 ;+∞[\left[\frac{1}{4}\,;+\infty\right[
  • 3.b t=14t=\dfrac{1}{4}, minimum f(14)=32f\left(\frac{1}{4}\right)=\dfrac{\sqrt{3}}{2}
  • 4 M(14)=H\mathrm{M}\left(\frac{1}{4}\right)=\mathrm{H} est le point de (CK)(\mathrm{CK}) le plus proche de O\mathrm{O}, donc le projeté orthogonal ; contrôle OH→⋅CK→=0\overrightarrow{\mathrm{OH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CK}}=0
  • 5 CK→⋅AB→=0\overrightarrow{\mathrm{CK}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=0 et AH→⋅BC→=0\overrightarrow{\mathrm{AH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=0 : H\mathrm{H} est sur deux hauteurs de ABC\mathrm{ABC}
  • 6.a OH→⋅AB→=OH→⋅AC→=0\overrightarrow{\mathrm{OH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\overrightarrow{\mathrm{OH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=0 avec AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}}, AC→\overrightarrow{\mathrm{AC}} non colinéaires
  • 6.b 3x+3y+6z−6=0\sqrt{3}x+3y+6z-6=0
  • 7 A=12×AB×CK=12×4×2=4\mathcal{A}=\dfrac{1}{2}\times\mathrm{AB}\times\mathrm{CK}=\dfrac{1}{2}\times 4\times 2=4 u.a.

1. Une droite est déterminée par un point et un vecteur directeur. Un vecteur directeur de (CK)(\mathrm{CK}) est CK→(32−032−00−1)=(3232−1)\overrightarrow{\mathrm{CK}}\begin{pmatrix}\frac{\sqrt{3}}{2}-0\\[2pt] \frac{3}{2}-0\\[2pt] 0-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac{\sqrt{3}}{2}\\[2pt] \frac{3}{2}\\[2pt] -1\end{pmatrix}. Une représentation paramétrique de la droite passant par C(0 ;0 ;1)\mathrm{C}(0\,;0\,;1) et dirigée par CK→\overrightarrow{\mathrm{CK}} est x=0+32tx=0+\dfrac{\sqrt{3}}{2}t, y=0+32ty=0+\dfrac{3}{2}t, z=1−tz=1-t, avec t∈Rt\in\mathbb{R} : c'est celle de l'énoncé.

Vérification : t=0t=0 donne (0 ;0 ;1)(0\,;0\,;1), le point C\mathrm{C}, et t=1t=1 donne (32 ;32 ;0)\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\,;\dfrac{3}{2}\,;0\right), le point K\mathrm{K}. Autre rédaction acceptée : montrer que C\mathrm{C} et K\mathrm{K} sont deux points distincts de la droite paramétrée, ce qui suffit à l'identifier à (CK)(\mathrm{CK}).

2. Le point M(t)\mathrm{M}(t) a pour coordonnées (32t ;32t ;1−t)\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}t\,;\dfrac{3}{2}t\,;1-t\right). Le repère étant orthonormé, OM(t)2=(32t)2+(32t)2+(1−t)2=34t2+94t2+1−2t+t2=3t2+t2−2t+1=4t2−2t+1\mathrm{OM}(t)^{2}=\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}t\right)^{2}+\left(\dfrac{3}{2}t\right)^{2}+(1-t)^{2}=\dfrac{3}{4}t^{2}+\dfrac{9}{4}t^{2}+1-2t+t^{2}=3t^{2}+t^{2}-2t+1=4t^{2}-2t+1.

Une distance étant positive, OM(t)=4t2−2t+1\mathrm{OM}(t)=\sqrt{4t^{2}-2t+1}. La racine est bien définie : le trinôme 4t2−2t+14t^{2}-2t+1 a pour discriminant Δ=(−2)2−4×4×1=−12<0\Delta=(-2)^{2}-4\times 4\times 1=-12<0, il est donc strictement positif pour tout réel tt, du signe de son coefficient 44. Piège : écrire (32t)2=34t2\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}t\right)^{2}=\dfrac{\sqrt{3}}{4}t^{2}, en oubliant d'élever la racine au carré.

3.a. On pose g(t)=4t2−2t+1g(t)=4t^{2}-2t+1, strictement positive et dérivable sur R\mathbb{R}, avec g′(t)=8t−2g'(t)=8t-2. Dérivée de la composée g\sqrt{g} : (g)′=g′2g\left(\sqrt{g}\right)'=\dfrac{g'}{2\sqrt{g}}, d'où f′(t)=8t−224t2−2t+1=4t−14t2−2t+1f'(t)=\dfrac{8t-2}{2\sqrt{4t^{2}-2t+1}}=\dfrac{4t-1}{\sqrt{4t^{2}-2t+1}}.

Le dénominateur est strictement positif, donc f′(t)f'(t) est du signe de 4t−14t-1 : f′(t)<0f'(t)<0 pour t<14t<\dfrac{1}{4}, f′(14)=0f'\left(\dfrac{1}{4}\right)=0, f′(t)>0f'(t)>0 pour t>14t>\dfrac{1}{4}. La fonction ff est strictement décroissante sur ]−∞ ;14]\left]-\infty\,;\dfrac{1}{4}\right] et strictement croissante sur [14 ;+∞[\left[\dfrac{1}{4}\,;+\infty\right[.

Remarque : la fonction racine carrée étant strictement croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, f=gf=\sqrt{g} a les mêmes variations que gg, un trinôme de coefficient 4>04>0 dont le sommet a pour abscisse −−22×4=14-\dfrac{-2}{2\times 4}=\dfrac{1}{4} : on retrouve le résultat sans dériver la racine.

3.b. D'après le tableau de variation, ff atteint son minimum sur R\mathbb{R} en t=14t=\dfrac{1}{4}, et ce minimum vaut f(14)=4×116−24+1=14−12+1=34=32≈0,866f\left(\dfrac{1}{4}\right)=\sqrt{4\times\dfrac{1}{16}-\dfrac{2}{4}+1}=\sqrt{\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{2}+1}=\sqrt{\dfrac{3}{4}}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}\approx 0{,}866.

Le minimum 32\dfrac{\sqrt{3}}{2} est la plus petite distance entre O\mathrm{O} et un point de la droite (CK)(\mathrm{CK}), c'est-à-dire la distance du point O\mathrm{O} à la droite (CK)(\mathrm{CK}). Elle resservira à la question 7.

4. Le point M(14)\mathrm{M}\left(\dfrac{1}{4}\right) a pour coordonnées (32×14 ;32×14 ;1−14)=(38 ;38 ;34)\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\times\dfrac{1}{4}\,;\dfrac{3}{2}\times\dfrac{1}{4}\,;1-\dfrac{1}{4}\right)=\left(\dfrac{\sqrt{3}}{8}\,;\dfrac{3}{8}\,;\dfrac{3}{4}\right) : c'est le point H\mathrm{H}. D'après 3.b, H\mathrm{H} est le point de (CK)(\mathrm{CK}) le plus proche de O\mathrm{O}.

Or le projeté orthogonal d'un point sur une droite est l'unique point de la droite qui réalise la distance minimale à ce point : si P\mathrm{P} est le projeté orthogonal de O\mathrm{O} et M\mathrm{M} un autre point de la droite, le théorème de Pythagore dans le triangle OPM\mathrm{OPM}, rectangle en P\mathrm{P}, donne OM2=OP2+PM2>OP2\mathrm{OM}^{2}=\mathrm{OP}^{2}+\mathrm{PM}^{2}>\mathrm{OP}^{2}. Le minimum de ff étant atteint en une seule valeur de tt, H\mathrm{H} est donc le projeté orthogonal de O\mathrm{O} sur (CK)(\mathrm{CK}).

Vérification par le produit scalaire : OH→⋅CK→=38×32+38×32+34×(−1)=316+916−1216=0\overrightarrow{\mathrm{OH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CK}}=\dfrac{\sqrt{3}}{8}\times\dfrac{\sqrt{3}}{2}+\dfrac{3}{8}\times\dfrac{3}{2}+\dfrac{3}{4}\times(-1)=\dfrac{3}{16}+\dfrac{9}{16}-\dfrac{12}{16}=0 : (OH)(\mathrm{OH}) est bien orthogonale à (CK)(\mathrm{CK}). Le sujet dit « en déduire » : c'est l'argument de la distance minimale qui est attendu, le produit scalaire n'en est que le contrôle.

5. L'orthocentre est le point de concours des hauteurs ; il suffit de montrer que H\mathrm{H} appartient à deux hauteurs du triangle ABC\mathrm{ABC}.

Hauteur issue de C\mathrm{C}. Le point K\mathrm{K} est sur [AB][\mathrm{AB}] : AK→(32−23 ;32 ;0)=(−332 ;32 ;0)=34AB→\overrightarrow{\mathrm{AK}}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}-2\sqrt{3}\,;\dfrac{3}{2}\,;0\right)=\left(-\dfrac{3\sqrt{3}}{2}\,;\dfrac{3}{2}\,;0\right)=\dfrac{3}{4}\overrightarrow{\mathrm{AB}}, avec AB→(−23 ;2 ;0)\overrightarrow{\mathrm{AB}}\left(-2\sqrt{3}\,;2\,;0\right). De plus CK→⋅AB→=32×(−23)+32×2+(−1)×0=−3+3=0\overrightarrow{\mathrm{CK}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}\times(-2\sqrt{3})+\dfrac{3}{2}\times 2+(-1)\times 0=-3+3=0. La droite (CK)(\mathrm{CK}) passe par C\mathrm{C} et est perpendiculaire à (AB)(\mathrm{AB}) : c'est la hauteur issue de C\mathrm{C}, et H\mathrm{H} lui appartient (question 4).

Hauteur issue de A\mathrm{A}. AH→(38−23 ;38 ;34)=(−1538 ;38 ;34)\overrightarrow{\mathrm{AH}}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{8}-2\sqrt{3}\,;\dfrac{3}{8}\,;\dfrac{3}{4}\right)=\left(-\dfrac{15\sqrt{3}}{8}\,;\dfrac{3}{8}\,;\dfrac{3}{4}\right) et BC→(0 ;−2 ;1)\overrightarrow{\mathrm{BC}}(0\,;-2\,;1), donc AH→⋅BC→=0−68+34=0\overrightarrow{\mathrm{AH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=0-\dfrac{6}{8}+\dfrac{3}{4}=0. Le point H\mathrm{H} est dans le plan (ABC)(\mathrm{ABC}), puisqu'il est sur la droite (CK)(\mathrm{CK}) dont les points C\mathrm{C} et K\mathrm{K} sont dans ce plan ; la droite (AH)(\mathrm{AH}) est donc la droite du plan qui passe par A\mathrm{A} et est perpendiculaire à (BC)(\mathrm{BC}) : c'est la hauteur issue de A\mathrm{A}.

H\mathrm{H} est à l'intersection de deux hauteurs du triangle : c'est son orthocentre. Contrôle sur la troisième : BH→(38 ;−138 ;34)\overrightarrow{\mathrm{BH}}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{8}\,;-\dfrac{13}{8}\,;\dfrac{3}{4}\right) et AC→(−23 ;0 ;1)\overrightarrow{\mathrm{AC}}\left(-2\sqrt{3}\,;0\,;1\right) donnent BH→⋅AC→=−68+0+34=0\overrightarrow{\mathrm{BH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=-\dfrac{6}{8}+0+\dfrac{3}{4}=0.

Piège : dans l'espace, deux droites orthogonales ne sont pas forcément sécantes. Montrer seulement AH→⋅BC→=0\overrightarrow{\mathrm{AH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=0 ne place pas H\mathrm{H} sur une hauteur ; il faut aussi que H\mathrm{H} soit dans le plan du triangle, ce qu'assure ici son appartenance à (CK)(\mathrm{CK}).

6.a. Une droite est orthogonale à un plan si elle est orthogonale à deux droites sécantes de ce plan. On a OH→(38 ;38 ;34)\overrightarrow{\mathrm{OH}}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{8}\,;\dfrac{3}{8}\,;\dfrac{3}{4}\right).

OH→⋅AB→=38×(−23)+38×2+34×0=−68+68=0\overrightarrow{\mathrm{OH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\dfrac{\sqrt{3}}{8}\times(-2\sqrt{3})+\dfrac{3}{8}\times 2+\dfrac{3}{4}\times 0=-\dfrac{6}{8}+\dfrac{6}{8}=0 et OH→⋅AC→=38×(−23)+0+34×1=−68+34=0\overrightarrow{\mathrm{OH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=\dfrac{\sqrt{3}}{8}\times(-2\sqrt{3})+0+\dfrac{3}{4}\times 1=-\dfrac{6}{8}+\dfrac{3}{4}=0.

Les vecteurs AB→(−23 ;2 ;0)\overrightarrow{\mathrm{AB}}(-2\sqrt{3}\,;2\,;0) et AC→(−23 ;0 ;1)\overrightarrow{\mathrm{AC}}(-2\sqrt{3}\,;0\,;1) ne sont pas colinéaires (la deuxième coordonnée de AC→\overrightarrow{\mathrm{AC}} est nulle, pas celle de AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}}) : ils dirigent le plan (ABC)(\mathrm{ABC}). Le vecteur OH→\overrightarrow{\mathrm{OH}}, non nul, est orthogonal à ces deux vecteurs, donc la droite (OH)(\mathrm{OH}) est orthogonale au plan (ABC)(\mathrm{ABC}).

Erreur fréquente : vérifier l'orthogonalité à un seul vecteur du plan, ou à deux vecteurs colinéaires ; cela ne suffit pas.

6.b. D'après 6.a, OH→\overrightarrow{\mathrm{OH}} est un vecteur normal au plan (ABC)(\mathrm{ABC}), et le vecteur 8OH→=n⃗(3 ;3 ;6)8\overrightarrow{\mathrm{OH}}=\vec{n}\left(\sqrt{3}\,;3\,;6\right), colinéaire, l'est aussi, avec des coordonnées plus simples. Le plan (ABC)(\mathrm{ABC}) admet donc une équation de la forme 3x+3y+6z+d=0\sqrt{3}x+3y+6z+d=0.

Le point C(0 ;0 ;1)\mathrm{C}(0\,;0\,;1) appartient au plan : 6+d=06+d=0, donc d=−6d=-6. Une équation de (ABC)(\mathrm{ABC}) est 3x+3y+6z−6=0\sqrt{3}x+3y+6z-6=0.

Vérification avec les deux autres sommets : pour A\mathrm{A}, 3×23−6=6−6=0\sqrt{3}\times 2\sqrt{3}-6=6-6=0 ; pour B\mathrm{B}, 3×2−6=03\times 2-6=0. Les trois points vérifient l'équation. Toute équation proportionnelle est juste aussi, par exemple 38x+38y+34z−34=0\dfrac{\sqrt{3}}{8}x+\dfrac{3}{8}y+\dfrac{3}{4}z-\dfrac{3}{4}=0 obtenue directement avec OH→\overrightarrow{\mathrm{OH}}.

7. D'après la question 5, la droite (CK)(\mathrm{CK}) est la hauteur du triangle issue de C\mathrm{C}, et son pied est K∈[AB]\mathrm{K}\in[\mathrm{AB}]. L'aire vaut donc A=12×AB×CK\mathcal{A}=\dfrac{1}{2}\times\mathrm{AB}\times\mathrm{CK}.

AB=(−23)2+22+02=12+4=4\mathrm{AB}=\sqrt{(-2\sqrt{3})^{2}+2^{2}+0^{2}}=\sqrt{12+4}=4 et CK=(32)2+(32)2+(−1)2=34+94+1=4=2\mathrm{CK}=\sqrt{\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)^{2}+\left(\dfrac{3}{2}\right)^{2}+(-1)^{2}}=\sqrt{\dfrac{3}{4}+\dfrac{9}{4}+1}=\sqrt{4}=2. Donc A=12×4×2=4\mathcal{A}=\dfrac{1}{2}\times 4\times 2=4 unités d'aire.

Vérification par le volume du tétraèdre OABC\mathrm{OABC}, calculé de deux façons. Avec la base OAB\mathrm{OAB}, triangle rectangle en O\mathrm{O} dans le plan z=0z=0, et la hauteur OC=1\mathrm{OC}=1 : V=13×23×22×1=233V=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{2\sqrt{3}\times 2}{2}\times 1=\dfrac{2\sqrt{3}}{3}. Avec la base ABC\mathrm{ABC} et la hauteur OH\mathrm{OH}, puisque (OH)(\mathrm{OH}) est orthogonale au plan (ABC)(\mathrm{ABC}) en H\mathrm{H} : OH=f(14)=32\mathrm{OH}=f\left(\dfrac{1}{4}\right)=\dfrac{\sqrt{3}}{2}, donc V=13×A×32V=\dfrac{1}{3}\times\mathcal{A}\times\dfrac{\sqrt{3}}{2}. L'égalité des deux expressions redonne A=233×3×23=4\mathcal{A}=\dfrac{2\sqrt{3}}{3}\times\dfrac{3\times 2}{\sqrt{3}}=4.

Piège : prendre OK\mathrm{OK} ou OH\mathrm{OH} comme hauteur du triangle ABC\mathrm{ABC}. La hauteur relative à [AB][\mathrm{AB}] est CK\mathrm{CK}, segment du plan (ABC)(\mathrm{ABC}), alors que OH\mathrm{OH} est la distance de O\mathrm{O} au plan.

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