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

Bac 2025 de spécialité maths, Centres étrangers jour 1 : sujet officiel et corrigé

Sujet officiel du baccalauréat

Spécialité mathématiques, session 2025 : Centres étrangers, jour 1

Épreuve du jeudi 12 juin 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, centres étrangers, jour 1 : jeudi 12 juin 2025, quatre heures, calculatrice en mode examen autorisée. Il compte quatre exercices indépendants notés sur 20 points, 6, 4, 6 et 4 points. L'énoncé est reproduit à l'identique, tableau de variations et script Python compris, et chaque question a son corrigé détaillé et, quand le résultat s'y prête, sa réponse autocorrigée.

L'exercice 1 porte sur les probabilités conditionnelles (arbre pondéré, formule des probabilités totales), la loi binomiale avec un seuil calculé par le logarithme, puis l'espérance et la variance d'une somme de variables aléatoires indépendantes et l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev. L'exercice 2 est un QCM de géométrie dans l'espace : position relative de deux droites, d'une droite et d'un plan, de deux plans, vecteur normal, représentation paramétrique, angle calculé par le produit scalaire. L'exercice 3 étudie une fonction avec logarithme népérien (limite, dérivée, variations), applique le théorème des valeurs intermédiaires, lit un script Python d'encadrement par balayage, puis enchaîne un raisonnement par récurrence, le théorème de convergence monotone et la limite d'une suite un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_{n}). L'exercice 4 résout une équation différentielle y′+ay=by'+ay=b et s'en sert, par le changement de fonction y=1py=\dfrac{1}{p}, pour obtenir un modèle logistique de croissance de bactéries.

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 : la division par ln⁡(0,835)<0\ln(0{,}835)<0 qui renverse l'inégalité du seuil de l'exercice 1, où il faut 2626 contrôles ; la fonction hh de l'exercice 3, qui n'est pas monotone sur [2 ;6,5][2\,;6{,}5] et oblige à découper l'intervalle avant le théorème des valeurs intermédiaires ; et la conversion de l'exercice 4, où t≈2,289t\approx 2{,}289 h donne 2 h 17 min et non 2 h 29 min.

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Ce chapitre fait partie de Spécialité mathématiques en Terminale

Exercice 1 : Probabilités : contrôles aux caisses automatiques, loi binomiale et Bienaymé-Tchebychev

6 points Loi binomiale et concentrationArbres pondérés et probabilités totalesSommes de variables aléatoires et concentration

Cet exercice est constitué de trois parties indépendantes

Un magasin est équipé de caisses automatiques en libre-service où le client scanne lui-même ses articles. Le logiciel d'une caisse déclenche régulièrement des demandes de vérification. Un employé du magasin effectue alors un contrôle.

  • Partie A
  • Le contrôle peut être
    • soit « total » : l'employé du magasin scanne alors à nouveau l'ensemble des articles du client ;
    • soit « partiel » : l'employé choisit alors un ou plusieurs articles du client pour vérifier qu'ils ont bien été scannés.
  • Si un contrôle est déclenché, il s'agit une fois sur dix d'un contrôle total.
    Lorsqu'un contrôle total est déclenché, une erreur du client est détectée dans 30 %30\,\% des cas.
    Lorsqu'un contrôle partiel est effectué, dans 85 %85\,\% des cas, il n'y a pas d'erreur.
  • Un contrôle est déclenché à une caisse automatique.
    On considère les évènements suivants :
    • TT : « Le contrôle est un contrôle total » ;
    • EE : « Une erreur est détectée lors du contrôle ».
  • On notera T‾\overline{T} et E‾\overline{E} les évènements contraires de TT et EE.
  • A.1. Construire un arbre pondéré représentant la situation puis déterminer P(T‾∩E)P\left(\overline{T}\cap E\right).
  • A.2. Calculer la probabilité qu'une erreur soit détectée lors d'un contrôle.
  • A.3. Déterminer la probabilité qu'un contrôle total ait été effectué, sachant qu'une erreur a été détectée. On donnera la valeur arrondie au centième.
  • Partie B
  • Sur une journée donnée, une caisse automatique déclenche 1515 contrôles. La probabilité qu'un contrôle mette en évidence une erreur est p=0,165p=0{,}165. La détection d'une erreur lors d'un contrôle est indépendante des autres contrôles.
    On note XX la variable aléatoire égale au nombre d'erreurs détectées lors des contrôles de cette journée.
  • B.1. On admet que la variable aléatoire XX suit une loi binomiale. Préciser ses paramètres.
  • B.2. Déterminer la probabilité qu'exactement 5 erreurs soient détectées. On donnera la valeur arrondie au centième.
  • B.3. Déterminer la probabilité qu'au moins une erreur soit détectée. On donnera la valeur arrondie au centième.
  • B.4. On souhaite modifier le nombre de contrôles déclenchés par la caisse de manière à ce que la probabilité qu'au moins une erreur soit détectée chaque jour soit supérieure à 99 %99\,\%.
    Déterminer le nombre de contrôles que doit déclencher la caisse chaque jour pour que cette contrainte soit respectée.
  • Partie C
  • Le magasin comporte trois caisses automatiques identiques qui, lors d'une journée, ont chacune déclenché 2020 contrôles. On note X1X_{1}, X2X_{2} et X3X_{3} les variables aléatoires associant à chacune des caisses le nombre d'erreurs détectées lors de cette journée.
    On admet que les variables aléatoires X1X_{1}, X2X_{2} et X3X_{3} sont indépendantes entre elles et suivent chacune une loi binomiale B(20 ;0,165)\mathcal{B}(20\,;0{,}165).
  • C.1. Déterminer les valeurs exactes de l'espérance et de la variance de la variable aléatoire X1X_{1}.
  • C.2. On définit la variable aléatoire SS par S=X1+X2+X3S=X_{1}+X_{2}+X_{3}.
    Justifier que E(S)=9,9E(S)=9{,}9 et que V(S)=8,2665V(S)=8{,}2665.
    Pour cette question, on utilisera 10 comme valeur de E(S)E(S).
    À l'aide de l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev, montrer que la probabilité que le nombre total d'erreurs sur la journée soit strictement compris entre 6 et 14 est supérieure à 0,480{,}48.

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

  • A.1 Arbre : P(T)=0,1P(T)=0{,}1, PT(E)=0,3P_{T}(E)=0{,}3, PT‾(E)=0,15P_{\overline{T}}(E)=0{,}15 ; P(T‾∩E)=0,9×0,15=0,135P\left(\overline{T}\cap E\right)=0{,}9\times 0{,}15=0{,}135
  • A.2 P(E)=0,03+0,135=0,165P(E)=0{,}03+0{,}135=0{,}165
  • A.3 PE(T)=0,030,165=211≈0,18P_{E}(T)=\dfrac{0{,}03}{0{,}165}=\dfrac{2}{11}\approx 0{,}18
  • B.1 XX suit la loi binomiale B(15 ;0,165)\mathcal{B}(15\,;0{,}165)
  • B.2 P(X=5)=(155) 0,1655 0,83510≈0,06P(X=5)=\binom{15}{5}\,0{,}165^{5}\,0{,}835^{10}\approx 0{,}06
  • B.3 P(X⩾1)=1−0,83515≈0,93P(X\geqslant 1)=1-0{,}835^{15}\approx 0{,}93
  • B.4 1−0,835n>0,99  ⟺  n>ln⁡0,01ln⁡0,835≈25,51-0{,}835^{n}>0{,}99\iff n>\dfrac{\ln 0{,}01}{\ln 0{,}835}\approx 25{,}5 : au moins 2626 contrôles par jour
  • C.1 E(X1)=3,3E(X_{1})=3{,}3 ; V(X1)=2,7555V(X_{1})=2{,}7555
  • C.2 E(S)=3×3,3=9,9E(S)=3\times 3{,}3=9{,}9 ; V(S)=3×2,7555=8,2665V(S)=3\times 2{,}7555=8{,}2665 (indépendance) ; P(6<S<14)⩾1−8,266516≈0,483>0,48P(6<S<14)\geqslant 1-\dfrac{8{,}2665}{16}\approx 0{,}483>0{,}48

A.1. On traduit chaque phrase de l'énoncé en probabilité, en repérant la population à laquelle elle se rapporte. « Une fois sur dix d'un contrôle total », parmi TOUS les contrôles : P(T)=0,1P(T)=0{,}1, donc P(T‾)=1−0,1=0,9P(\overline{T})=1-0{,}1=0{,}9.

« Lorsqu'un contrôle total est déclenché, une erreur est détectée dans 30 %30\,\% des cas » : la population est celle des contrôles totaux, c'est une probabilité conditionnée par TT, PT(E)=0,3P_{T}(E)=0{,}3, d'où PT(E‾)=0,7P_{T}(\overline{E})=0{,}7. « Lorsqu'un contrôle partiel est effectué, dans 85 %85\,\% des cas, il n'y a pas d'erreur » : PT‾(E‾)=0,85P_{\overline{T}}(\overline{E})=0{,}85, d'où PT‾(E)=1−0,85=0,15P_{\overline{T}}(E)=1-0{,}85=0{,}15.

L'arbre pondéré a donc un premier niveau TT (0,10{,}1) et T‾\overline{T} (0,90{,}9), puis, issues de TT, les branches EE (0,30{,}3) et E‾\overline{E} (0,70{,}7), et issues de T‾\overline{T}, les branches EE (0,150{,}15) et E‾\overline{E} (0,850{,}85). Il est dessiné en fin de corrigé. Contrôle : les branches issues d'un même nœud ont pour somme 11.

Formule des probabilités composées, lue sur le chemin T‾\overline{T} puis EE : P(T‾∩E)=P(T‾)×PT‾(E)=0,9×0,15=0,135P\left(\overline{T}\cap E\right)=P(\overline{T})\times P_{\overline{T}}(E)=0{,}9\times 0{,}15=0{,}135.

Erreur fréquente : placer 0,850{,}85 sur la branche de T‾\overline{T} vers EE. Le 85 %85\,\% de l'énoncé compte les contrôles partiels SANS erreur, c'est la branche vers E‾\overline{E}. La phrase est construite à l'envers des deux précédentes, et c'est voulu.

A.2. Formule des probabilités totales, avec la partition {T ;T‾}\{T\,;\overline{T}\} : P(E)=P(T∩E)+P(T‾∩E)P(E)=P(T\cap E)+P\left(\overline{T}\cap E\right). Le premier terme vaut P(T)×PT(E)=0,1×0,3=0,03P(T)\times P_{T}(E)=0{,}1\times 0{,}3=0{,}03, donc P(E)=0,03+0,135=0,165P(E)=0{,}03+0{,}135=0{,}165.

La probabilité qu'une erreur soit détectée lors d'un contrôle est 0,1650{,}165. Vérification : c'est exactement la valeur p=0,165p=0{,}165 que la partie B prend comme donnée, ce qui confirme l'arbre. La rédaction attendue cite la formule des probabilités totales et nomme la partition : écrire seulement « 0,03+0,1350{,}03+0{,}135 » coûte une partie des points.

A.3. On sait qu'une erreur a été détectée : on cherche une probabilité conditionnée par EE, PE(T)P_{E}(T). L'arbre commence par TT, la question part de EE : on revient à la définition d'une probabilité conditionnelle.

PE(T)=P(T∩E)P(E)=0,030,165=30165=211≈0,181 8P_{E}(T)=\dfrac{P(T\cap E)}{P(E)}=\dfrac{0{,}03}{0{,}165}=\dfrac{30}{165}=\dfrac{2}{11}\approx 0{,}181\,8, soit 0,180{,}18 arrondi au centième.

Interprétation : quand une erreur est détectée, il s'agit d'un contrôle total dans environ 18 %18\,\% des cas. C'est plus que P(T)=0,1P(T)=0{,}1 : un contrôle total, plus minutieux, détecte plus souvent une erreur (30 %30\,\% contre 15 %15\,\%), donc savoir qu'une erreur a été trouvée rend le contrôle total plus probable. Le piège est de confondre PE(T)P_{E}(T) et PT(E)=0,3P_{T}(E)=0{,}3 : le dénominateur est la probabilité de l'événement DONNÉ, ici EE.

B.1. Chaque contrôle est une épreuve de Bernoulli dont le succès est « une erreur est détectée », de probabilité p=0,165p=0{,}165. On répète 1515 fois cette épreuve, de façon identique et indépendante (l'énoncé précise que la détection lors d'un contrôle est indépendante des autres). XX compte le nombre de succès : XX suit la loi binomiale de paramètres n=15n=15 et p=0,165p=0{,}165, notée B(15 ;0,165)\mathcal{B}(15\,;0{,}165).

B.2. Formule de la loi binomiale : P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−kP(X=k)=\binom{n}{k}p^{k}(1-p)^{n-k}. Avec k=5k=5 : P(X=5)=(155)×0,1655×0,83510P(X=5)=\binom{15}{5}\times 0{,}165^{5}\times 0{,}835^{10}, où (155)=3 003\binom{15}{5}=3\,003.

La calculatrice donne P(X=5)≈0,060 5P(X=5)\approx 0{,}060\,5, soit 0,060{,}06 arrondi au centième. Sur la calculatrice, c'est la fonction de densité binomiale (« binomFdp » ou « Binomial PD »), pas la fonction de répartition, qui donnerait P(X⩽5)P(X\leqslant 5). Erreur fréquente : oublier le coefficient binomial (155)\binom{15}{5}, ce qui donne la probabilité d'UNE seule configuration des cinq erreurs parmi les quinze contrôles.

B.3. « Au moins une » se traite par l'événement contraire, « aucune » : P(X⩾1)=1−P(X=0)=1−0,83515P(X\geqslant 1)=1-P(X=0)=1-0{,}835^{15}.

0,83515≈0,066 90{,}835^{15}\approx 0{,}066\,9, donc P(X⩾1)≈0,933P(X\geqslant 1)\approx 0{,}933, soit 0,930{,}93 arrondi au centième. Additionner P(X=1)+⋯+P(X=15)P(X=1)+\dots+P(X=15) donne le même résultat, mais c'est quinze termes au lieu d'un.

B.4. Pour nn contrôles par jour, le nombre d'erreurs détectées suit B(n ;0,165)\mathcal{B}(n\,;0{,}165), et comme en B.3, la probabilité d'en détecter au moins une vaut 1−0,835n1-0{,}835^{n}. On cherche les entiers nn tels que 1−0,835n>0,991-0{,}835^{n}>0{,}99.

1−0,835n>0,99  ⟺  0,835n<0,01  ⟺  nln⁡(0,835)<ln⁡(0,01)1-0{,}835^{n}>0{,}99\iff 0{,}835^{n}<0{,}01\iff n\ln(0{,}835)<\ln(0{,}01), par stricte croissance de la fonction ln⁡\ln sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Comme ln⁡(0,835)<0\ln(0{,}835)<0 (car 0,835<10{,}835<1), diviser par ce nombre RENVERSE le sens de l'inégalité : n>ln⁡(0,01)ln⁡(0,835)≈25,54n>\dfrac{\ln(0{,}01)}{\ln(0{,}835)}\approx 25{,}54.

Le plus petit entier qui convient est n=26n=26 : la caisse doit déclencher au moins 2626 contrôles par jour. Vérification aux bords : pour n=25n=25, 1−0,83525≈0,989 0<0,991-0{,}835^{25}\approx 0{,}989\,0<0{,}99 ; pour n=26n=26, 1−0,83526≈0,990 8>0,991-0{,}835^{26}\approx 0{,}990\,8>0{,}99.

Erreur fréquente : garder le sens de l'inégalité en divisant par ln⁡(0,835)\ln(0{,}835), ce qui donnerait n<25,5n<25{,}5, absurde puisque la probabilité d'au moins une erreur AUGMENTE avec le nombre de contrôles. Une méthode par tableau de valeurs de la calculatrice est acceptée si elle montre les deux valeurs encadrantes.

C.1. Pour une variable aléatoire suivant B(n ;p)\mathcal{B}(n\,;p), l'espérance vaut npnp et la variance np(1−p)np(1-p). Avec n=20n=20 et p=0,165p=0{,}165 : E(X1)=20×0,165=3,3E(X_{1})=20\times 0{,}165=3{,}3 et V(X1)=20×0,165×0,835=2,755 5V(X_{1})=20\times 0{,}165\times 0{,}835=2{,}755\,5.

Ce sont des valeurs exactes, comme le demande l'énoncé : on les écrit avec toutes leurs décimales, sans arrondir. Interprétation de l'espérance : sur un grand nombre de journées, une caisse détecte en moyenne 3,33{,}3 erreurs par jour.

C.2. Espérance de SS : par linéarité de l'espérance, valable sans hypothèse, E(S)=E(X1)+E(X2)+E(X3)=3×3,3=9,9E(S)=E(X_{1})+E(X_{2})+E(X_{3})=3\times 3{,}3=9{,}9, les trois variables ayant la même loi.

Variance de SS : les variables X1X_{1}, X2X_{2} et X3X_{3} sont INDÉPENDANTES (hypothèse de l'énoncé), donc la variance de leur somme est la somme de leurs variances : V(S)=V(X1)+V(X2)+V(X3)=3×2,755 5=8,266 5V(S)=V(X_{1})+V(X_{2})+V(X_{3})=3\times 2{,}755\,5=8{,}266\,5. Sans l'indépendance, on n'aurait pas le droit d'additionner les variances : c'est elle qu'il faut citer.

Inégalité de Bienaymé-Tchebychev : pour tout réel δ>0\delta>0, P(∣S−E(S)∣⩾δ)⩽V(S)δ2P\left(\left|S-E(S)\right|\geqslant\delta\right)\leqslant\dfrac{V(S)}{\delta^{2}}. Avec la valeur 1010 imposée pour E(S)E(S), l'intervalle ]6 ;14[]6\,;14[ est centré en 1010, de demi-largeur 44 : 6<S<14  ⟺  ∣S−10∣<46<S<14\iff\left|S-10\right|<4. On prend donc δ=4\delta=4.

P(∣S−10∣⩾4)⩽8,266 542=8,266 516≈0,516 7P\left(\left|S-10\right|\geqslant 4\right)\leqslant\dfrac{8{,}266\,5}{4^{2}}=\dfrac{8{,}266\,5}{16}\approx 0{,}516\,7. On passe à l'événement contraire, ce qui renverse l'inégalité : P(6<S<14)=1−P(∣S−10∣⩾4)⩾1−0,516 7=0,483 3P(6<S<14)=1-P\left(\left|S-10\right|\geqslant 4\right)\geqslant 1-0{,}516\,7=0{,}483\,3. Comme 0,483 3>0,480{,}483\,3>0{,}48, la probabilité que le nombre total d'erreurs de la journée soit strictement compris entre 66 et 1414 est bien supérieure à 0,480{,}48.

Deux pièges : prendre δ=14−6=8\delta=14-6=8, la largeur entière, au lieu de la DEMI-largeur 44 ; et oublier de passer à l'événement contraire, en concluant à tort que la probabilité cherchée est inférieure à 0,520{,}52. Remarque : l'inégalité porte en toute rigueur sur l'écart à l'espérance exacte 9,99{,}9, et avec cette valeur la même méthode ne donne que P(6<S<14)⩾1−8,266 53,92≈0,46P(6<S<14)\geqslant 1-\dfrac{8{,}266\,5}{3{,}9^{2}}\approx 0{,}46 ; c'est la consigne de l'énoncé, E(S)≈10E(S)\approx 10, qui centre l'intervalle, et le correcteur attend qu'on la suive.

Ordre de grandeur : cette minoration est grossière. Les trois caisses réunies font 6060 contrôles indépendants de même probabilité 0,1650{,}165, donc SS suit la loi B(60 ;0,165)\mathcal{B}(60\,;0{,}165), et la calculatrice donne P(7⩽S⩽13)≈0,78P(7\leqslant S\leqslant 13)\approx 0{,}78, bien au-dessus de 0,480{,}48. L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev ne garantit qu'un minimum, valable pour toute loi.

T0,1E0,30,03non E0,70,07non T0,9E0,150,135non E0,850,765

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Exercice 2 : Géométrie dans l'espace : QCM sur deux droites, deux plans et un angle

4 points Géométrie dans l'espaceLe produit scalaire

Cet exercice est un questionnaire à choix multiple. Pour chaque question, une seule des quatre réponses proposées est exacte. Le candidat indiquera sur sa copie le numéro de la question et la réponse choisie. Aucune justification n'est demandée. Une réponse fausse, une réponse multiple ou l'absence de réponse à une question ne rapporte ni n'enlève de point.

Les quatre questions sont indépendantes.

Pour chaque question, une seule réponse correcte. Aucune justification n'est demandée.

Dans tout l'exercice, on considère que 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(−3 ;1 ;4)\mathrm{A}(-3\,;1\,;4) et B(1 ;5 ;2)\mathrm{B}(1\,;5\,;2)
• le plan P\mathcal{P} d'équation cartésienne 4x+4y−2z+3=04x+4y-2z+3=0
• la droite (d)(d) dont une représentation paramétrique est {x=−6+3ty=1z=9−5t\left\{\begin{array}{l}x=-6+3t\\y=1\\z=9-5t\end{array}\right., où t∈Rt\in\mathbb{R}.

  • 1. Les droites (AB)(\mathrm{AB}) et (d)(d) sont :
    a. sécantes non perpendiculaires.
    b. perpendiculaires.
    c. non coplanaires.
    d. parallèles.
  • 2. La droite (AB)(\mathrm{AB}) est :
    a. incluse dans le plan P\mathcal{P}.
    b. strictement parallèle au plan P\mathcal{P}.
    c. sécante et non orthogonale au plan P\mathcal{P}.
    d. orthogonale au plan P\mathcal{P}.
  • 3. On considère le plan P' d'équation cartésienne 2x+y+6z+5=02x+y+6z+5=0.
    Les plans P\mathcal{P} et P′\mathcal{P}' sont :
    a. sécants et non perpendiculaires.
    b. perpendiculaires.
    c. confondus.
    d. strictement parallèles.
  • 4. On considère le point C(0 ;1 ;−1)\mathrm{C}(0\,;1\,;-1). La valeur de l'angle BAC^\widehat{\mathrm{BAC}} arrondie au degré est :
    a. 90°90\degree
    b. 51°51\degree
    c. 39°39\degree
    d. 0°0\degree

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Réponses

  • 1 Réponse a : sécantes en A\mathrm{A}, non perpendiculaires (AB→⋅u⃗=22\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\vec{u}=22)
  • 2 Réponse d : AB→=n⃗\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\vec{n}, la droite est orthogonale au plan
  • 3 Réponse b : n⃗⋅n⃗′=0\vec{n}\cdot\vec{n}'=0, plans perpendiculaires
  • 4 Réponse b : cos⁡BAC^=22634\cos\widehat{\mathrm{BAC}}=\dfrac{22}{6\sqrt{34}}, BAC^≈51°\widehat{\mathrm{BAC}}\approx 51\degree

1. Réponse a. Un vecteur directeur de (AB)(\mathrm{AB}) est AB→(1−(−3) ;5−1 ;2−4)=(4 ;4 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{AB}}(1-(-3)\,;5-1\,;2-4)=(4\,;4\,;-2) ; un vecteur directeur de (d)(d) se lit sur les coefficients de tt : u⃗(3 ;0 ;−5)\vec{u}(3\,;0\,;-5).

Ces deux vecteurs ne sont pas colinéaires : la deuxième coordonnée de u⃗\vec{u} est nulle alors que celle de AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}} ne l'est pas. Les droites ne sont donc pas parallèles, ce qui élimine d. Reste à savoir si elles se coupent. On teste si A\mathrm{A} est sur (d)(d) : y=1y=1 convient, −6+3t=−3-6+3t=-3 donne t=1t=1, et alors z=9−5×1=4z=9-5\times 1=4, la cote de A\mathrm{A}. Donc A∈(d)\mathrm{A}\in(d) : les droites sont sécantes en A\mathrm{A}, ce qui élimine c.

Enfin AB→⋅u⃗=4×3+4×0+(−2)×(−5)=12+0+10=22≠0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\vec{u}=4\times 3+4\times 0+(-2)\times(-5)=12+0+10=22\neq 0 : les droites ne sont pas perpendiculaires. Elles sont sécantes non perpendiculaires. Le réflexe qui fait gagner du temps : tester d'abord si un point connu de l'une des droites est sur l'autre, avant de résoudre un système à deux paramètres.

2. Réponse d. Les coefficients de l'équation cartésienne 4x+4y−2z+3=04x+4y-2z+3=0 donnent un vecteur normal de P\mathcal{P} : n⃗(4 ;4 ;−2)\vec{n}(4\,;4\,;-2). C'est exactement AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}}. Un vecteur directeur de la droite colinéaire à un vecteur normal du plan : la droite (AB)(\mathrm{AB}) est orthogonale au plan P\mathcal{P}.

Vérification par élimination : une droite incluse ou parallèle au plan aurait un vecteur directeur ORTHOGONAL à n⃗\vec{n}, or AB→⋅n⃗=16+16+4=36≠0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\vec{n}=16+16+4=36\neq 0. Erreur fréquente : conclure « parallèle » dès qu'on voit les mêmes coordonnées, en confondant vecteur normal et vecteur directeur du plan.

3. Réponse b. Vecteurs normaux : n⃗(4 ;4 ;−2)\vec{n}(4\,;4\,;-2) pour P\mathcal{P} et n⃗′(2 ;1 ;6)\vec{n}'(2\,;1\,;6) pour P′\mathcal{P}'. Ils ne sont pas colinéaires (42=2\frac{4}{2}=2 mais 41=4\frac{4}{1}=4), donc les plans ne sont ni parallèles ni confondus : ils sont sécants, ce qui élimine c et d.

n⃗⋅n⃗′=4×2+4×1+(−2)×6=8+4−12=0\vec{n}\cdot\vec{n}'=4\times 2+4\times 1+(-2)\times 6=8+4-12=0 : les vecteurs normaux sont orthogonaux, donc les plans P\mathcal{P} et P′\mathcal{P}' sont perpendiculaires. Le piège est de répondre a en s'arrêtant à « non colinéaires » : deux plans perpendiculaires sont AUSSI sécants, et c'est le produit scalaire des normales qui tranche.

4. Réponse b. L'angle BAC^\widehat{\mathrm{BAC}} a pour sommet A\mathrm{A} : on le calcule avec les vecteurs AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}} et AC→\overrightarrow{\mathrm{AC}}, par les deux expressions du produit scalaire, AB→⋅AC→=AB×AC×cos⁡BAC^\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=\mathrm{AB}\times\mathrm{AC}\times\cos\widehat{\mathrm{BAC}}.

AB→(4 ;4 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{AB}}(4\,;4\,;-2) et AC→(0−(−3) ;1−1 ;−1−4)=(3 ;0 ;−5)\overrightarrow{\mathrm{AC}}(0-(-3)\,;1-1\,;-1-4)=(3\,;0\,;-5). Avec les coordonnées dans un repère orthonormé : AB→⋅AC→=12+0+10=22\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=12+0+10=22, AB=16+16+4=36=6\mathrm{AB}=\sqrt{16+16+4}=\sqrt{36}=6 et AC=9+0+25=34\mathrm{AC}=\sqrt{9+0+25}=\sqrt{34}.

Donc cos⁡BAC^=22634≈0,628 8\cos\widehat{\mathrm{BAC}}=\dfrac{22}{6\sqrt{34}}\approx 0{,}628\,8 et BAC^≈51°\widehat{\mathrm{BAC}}\approx 51\degree (la calculatrice donne 51,04°51{,}04\degree en mode degrés). Remarque : AC→\overrightarrow{\mathrm{AC}} est le vecteur directeur u⃗\vec{u} de la question 1, car C\mathrm{C} est le point de (d)(d) de paramètre t=2t=2 ; on retrouve le produit scalaire 2222. Pièges : calculer l'angle avec BA→\overrightarrow{\mathrm{BA}} et AC→\overrightarrow{\mathrm{AC}}, qui donne l'angle supplémentaire 129°129\degree, ou laisser la calculatrice en radians. Le distracteur 39°39\degree est le complémentaire de 51°51\degree.

Exercice 3 : Fonction logarithme et suite récurrente : valeurs intermédiaires, script Python et point fixe

6 points Suites et récurrenceExponentielle et logarithmeLimites et continuitéPython et méthodes numériques

  • Partie A
  • On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[ par f(x)=4ln⁡(x+1)−x225f(x)=4\ln(x+1)-\dfrac{x^{2}}{25}
  • On admet que la fonction ff est dérivable sur l'intervalle ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[.
  • A.1. Déterminer la limite de la fonction ff en −1-1.
  • A.2. Montrer que, pour tout xx appartenant à l'intervalle ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[, on a : f′(x)=100−2x−2x225(x+1)f'(x)=\dfrac{100-2x-2x^{2}}{25(x+1)}
  • A.3. Étudier les variations de la fonction ff sur l'intervalle ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[ puis en déduire que la fonction ff est strictement croissante sur l'intervalle [2 ;6,5][2\,;6{,}5].
  • 4. On considère hh la fonction définie sur l'intervalle [2 ;6,5][2\,;6{,}5] par h(x)=f(x)−xh(x)=f(x)-x.
  • On donne ci-dessous le tableau de variations de la fonction hh :
  • Tableau de variations de h sur l'intervalle de 2 à 6,5. La fonction h croît de h(2) jusqu'à son maximum M environ égal à 2,265, atteint en m environ égal à 2,364, puis décroît jusqu'à h(6,5).
  • A.4. Montrer que l'équation h(x)=0h(x)=0 admet une unique solution α∈[2 ;6,5]\alpha\in[2\,;6{,}5].
  • 5. On considère le script suivant, écrit en langage Python :
  • Script Python. from math import *. Fonction f(x) qui renvoie 4*log(1+x)-(x**2)/25. Fonction bornes(n) : p = 1/10**n ; x = 6 ; tant que f(x)-x > 0, x = x + p ; renvoie le couple (x-p, x).
  • On rappelle qu'en langage Python :
    • la commande log(x) renvoie la valeur ln⁡x\ln x ;
    • la commande c**d renvoie la valeur de cd\mathrm{c}^{\mathrm{d}}.
  • A.5.a. Donner les valeurs renvoyées par la commande bornes(2). On donnera les valeurs arrondies au centième.
  • A.5.b. Interpréter ces valeurs dans le contexte de l'exercice.
  • Partie B
  • Dans cette partie, on pourra utiliser les résultats obtenus dans la partie A.
  • On considère la suite (un)(u_{n}) définie par u0=2u_{0}=2, et, pour tout entier naturel nn, un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_{n}\right)
  • B.1. Montrer par récurrence que pour tout nn entier naturel, 2⩽un⩽un+1<6,52\leqslant u_{n}\leqslant u_{n+1}<6{,}5.
  • B.2. En déduire que la suite (un)(u_{n}) converge vers une limite ℓ\ell.
  • B.3. On rappelle que le réel α\alpha, défini dans la partie A, est la solution de l'équation h(x)=0h(x)=0 sur l'intervalle [2 ;6,5][2\,;6{,}5]. Justifier que ℓ=α\ell=\alpha.

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A.1
A.3
A.5.a
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Réponses

  • A.1 lim⁡x→−1f(x)=−∞\lim\limits_{x\to -1}f(x)=-\infty
  • A.2 f′(x)=4x+1−2x25=100−2x−2x225(x+1)f'(x)=\dfrac{4}{x+1}-\dfrac{2x}{25}=\dfrac{100-2x-2x^{2}}{25(x+1)}
  • A.3 ff croissante sur ]−1 ;x0]\left]-1\,;x_{0}\right], décroissante sur [x0 ;+∞[\left[x_{0}\,;+\infty\right[, x0=−1+2012≈6,59x_{0}=\dfrac{-1+\sqrt{201}}{2}\approx 6{,}59 ; [2 ;6,5]⊂]−1 ;x0][2\,;6{,}5]\subset\left]-1\,;x_{0}\right]
  • A.4 Aucune solution sur [2 ;m][2\,;m] (h⩾h(2)≈2,23>0h\geqslant h(2)\approx 2{,}23>0) ; une seule sur [m ;6,5][m\,;6{,}5] par le théorème des valeurs intermédiaires (h(6,5)≈−0,13<0h(6{,}5)\approx -0{,}13<0)
  • A.5.a bornes(2) renvoie (6,36 ;6,37)(6{,}36\,;6{,}37)
  • A.5.b 6,36<α<6,376{,}36<\alpha<6{,}37 : encadrement de α\alpha d'amplitude 10−210^{-2}
  • B.1 Initialisation 2⩽2⩽f(2)≈4,23<6,52\leqslant 2\leqslant f(2)\approx 4{,}23<6{,}5 ; hérédité par la croissance de ff sur [2 ;6,5][2\,;6{,}5] et f(6,5)≈6,37<6,5f(6{,}5)\approx 6{,}37<6{,}5
  • B.2 (un)(u_{n}) croissante et majorée par 6,56{,}5, donc convergente (théorème de convergence monotone)
  • B.3 ff continue : ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell), donc h(ℓ)=0h(\ell)=0 avec ℓ∈[2 ;6,5]\ell\in[2\,;6{,}5], d'où ℓ=α\ell=\alpha par unicité

A.1. Limite d'une composée puis d'une somme. Quand xx tend vers −1-1 par valeurs supérieures (seul côté possible, ff étant définie sur ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[), x+1x+1 tend vers 0+0^{+}, et lim⁡X→0+ln⁡X=−∞\lim\limits_{X\to 0^{+}}\ln X=-\infty : par composition, 4ln⁡(x+1)4\ln(x+1) tend vers −∞-\infty.

Le second terme, x225\dfrac{x^{2}}{25}, tend vers 125\dfrac{1}{25}, une limite finie. Par somme, lim⁡x→−1f(x)=−∞\lim\limits_{x\to -1}f(x)=-\infty. Il n'y a aucune forme indéterminée : inutile d'invoquer une croissance comparée. Interprétation graphique : la droite d'équation x=−1x=-1 est asymptote verticale à la courbe de ff.

A.2. Dérivée de ln⁡(u)\ln(u), égale à u′u\dfrac{u'}{u}, avec u(x)=x+1u(x)=x+1 et u′(x)=1u'(x)=1 : la dérivée de 4ln⁡(x+1)4\ln(x+1) est 4x+1\dfrac{4}{x+1}. La dérivée de x225\dfrac{x^{2}}{25} est 2x25\dfrac{2x}{25}. Donc, pour tout x>−1x>-1 : f′(x)=4x+1−2x25f'(x)=\dfrac{4}{x+1}-\dfrac{2x}{25}.

On réduit au même dénominateur 25(x+1)25(x+1) : f′(x)=4×2525(x+1)−2x(x+1)25(x+1)=100−2x2−2x25(x+1)=100−2x−2x225(x+1)f'(x)=\dfrac{4\times 25}{25(x+1)}-\dfrac{2x(x+1)}{25(x+1)}=\dfrac{100-2x^{2}-2x}{25(x+1)}=\dfrac{100-2x-2x^{2}}{25(x+1)}, ce qui est l'expression demandée. Vérification en un point : en x=0x=0, 41−0=4\dfrac{4}{1}-0=4 et 10025=4\dfrac{100}{25}=4.

A.3. Sur ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[, x+1>0x+1>0 donc 25(x+1)>025(x+1)>0 : f′(x)f'(x) a le signe de son numérateur N(x)=−2x2−2x+100N(x)=-2x^{2}-2x+100, un trinôme du second degré de coefficient dominant −2<0-2<0.

Son discriminant vaut Δ=(−2)2−4×(−2)×100=4+800=804>0\Delta=(-2)^{2}-4\times(-2)\times 100=4+800=804>0. Ses racines sont x1=2+804−4=−1−2012≈−7,59x_{1}=\dfrac{2+\sqrt{804}}{-4}=\dfrac{-1-\sqrt{201}}{2}\approx -7{,}59 et x0=2−804−4=−1+2012≈6,59x_{0}=\dfrac{2-\sqrt{804}}{-4}=\dfrac{-1+\sqrt{201}}{2}\approx 6{,}59 (on peut aussi factoriser N(x)=−2(x2+x−50)N(x)=-2(x^{2}+x-50) et travailler sur x2+x−50x^{2}+x-50, de discriminant 201201). La racine x1x_{1} est hors de l'intervalle d'étude.

Le trinôme est du signe de −2-2, donc négatif, à l'extérieur des racines, et positif entre elles. Sur ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[ : f′(x)>0f'(x)>0 sur ]−1 ;x0[]-1\,;x_{0}[ et f′(x)<0f'(x)<0 sur ]x0 ;+∞[]x_{0}\,;+\infty[. La fonction ff est strictement croissante sur ]−1 ;x0]]-1\,;x_{0}] et strictement décroissante sur [x0 ;+∞[[x_{0}\,;+\infty[, avec un maximum en x0≈6,59x_{0}\approx 6{,}59. Pour compléter le tableau : la limite en −1-1 vaut −∞-\infty (A.1) et, en +∞+\infty, f(x)=x2(4ln⁡(x+1)x2−125)f(x)=x^{2}\left(\dfrac{4\ln(x+1)}{x^{2}}-\dfrac{1}{25}\right) tend vers −∞-\infty par croissance comparée.

Comme 6,5<−1+2012≈6,5896{,}5<\dfrac{-1+\sqrt{201}}{2}\approx 6{,}589, l'intervalle [2 ;6,5][2\,;6{,}5] est contenu dans ]−1 ;x0]]-1\,;x_{0}] : ff est strictement croissante sur [2 ;6,5][2\,;6{,}5]. Le piège est la marge : 6,56{,}5 et 6,596{,}59 sont proches, et c'est la comparaison 6,5<x06{,}5<x_{0}, écrite explicitement, qui justifie l'inclusion ; « ff est croissante avant son maximum » ne suffit pas sans elle.

A.4. La fonction hh est continue sur [2 ;6,5][2\,;6{,}5], comme différence de deux fonctions dérivables. Le tableau montre qu'elle n'est PAS monotone sur tout l'intervalle : on découpe donc en deux, [2 ;m][2\,;m] et [m ;6,5][m\,;6{,}5].

Sur [2 ;m][2\,;m] : hh est croissante, donc h(x)⩾h(2)h(x)\geqslant h(2) pour tout xx de cet intervalle. Or h(2)=f(2)−2=4ln⁡3−425−2≈2,23>0h(2)=f(2)-2=4\ln 3-\dfrac{4}{25}-2\approx 2{,}23>0. Donc h(x)>0h(x)>0 sur [2 ;m][2\,;m] : l'équation h(x)=0h(x)=0 n'y a aucune solution.

Sur [m ;6,5][m\,;6{,}5] : hh est continue et strictement décroissante, h(m)=M≈2,265>0h(m)=M\approx 2{,}265>0 et h(6,5)=4ln⁡(7,5)−6,5225−6,5=4ln⁡(7,5)−1,69−6,5≈−0,13<0h(6{,}5)=4\ln(7{,}5)-\dfrac{6{,}5^{2}}{25}-6{,}5=4\ln(7{,}5)-1{,}69-6{,}5\approx -0{,}13<0. Comme 00 est compris entre h(6,5)h(6{,}5) et h(m)h(m), le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires (cas strictement monotone) assure que l'équation h(x)=0h(x)=0 admet une unique solution α\alpha dans [m ;6,5][m\,;6{,}5].

Conclusion : l'équation h(x)=0h(x)=0 admet une unique solution α\alpha dans [2 ;6,5][2\,;6{,}5]. Les deux pièges : appliquer le théorème des valeurs intermédiaires sur [2 ;6,5][2\,;6{,}5] d'un seul coup alors que hh n'y est pas monotone ; et oublier de calculer h(2)h(2) et h(6,5)h(6{,}5), que le tableau ne donne pas en valeur. Le signe de h(6,5)h(6{,}5) est l'argument décisif, il doit apparaître sur la copie.

A.5.a. Avec n=2n=2, le pas vaut p=1102=0,01p=\dfrac{1}{10^{2}}=0{,}01. La variable xx part de 66 et augmente de 0,010{,}01 tant que f(x)−x>0f(x)-x>0, c'est-à-dire tant que h(x)>0h(x)>0. La boucle s'arrête au premier xx de la forme 6+0,01k6+0{,}01k tel que h(x)⩽0h(x)\leqslant 0, et le script renvoie ce xx et le précédent.

Le départ en 66 est légitime : 6>m6>m, on est dans la zone où hh décroît, et h(6)=4ln⁡7−3625−6≈0,34>0h(6)=4\ln 7-\dfrac{36}{25}-6\approx 0{,}34>0. À la calculatrice : h(6,36)≈0,006>0h(6{,}36)\approx 0{,}006>0 et h(6,37)≈−0,003⩽0h(6{,}37)\approx -0{,}003\leqslant 0. La boucle s'arrête donc à x=6,37x=6{,}37 et bornes(2) renvoie le couple (6,36 ;6,37)(6{,}36\,;6{,}37), arrondi au centième.

La consigne d'arrondi n'est pas décorative : en machine, ajouter 0,010{,}01 trente-sept fois à 66 donne 6,369 999…6{,}369\,999\dots et non 6,376{,}37 exactement, car 0,010{,}01 n'a pas d'écriture binaire finie. L'arrondi au centième rend ces imprécisions invisibles.

A.5.b. On a h(6,36)>0h(6{,}36)>0 et h(6,37)⩽0h(6{,}37)\leqslant 0, et hh est strictement décroissante sur [m ;6,5][m\,;6{,}5] avec h(α)=0h(\alpha)=0 : donc 6,36<α⩽6,376{,}36<\alpha\leqslant 6{,}37, et même 6,36<α<6,376{,}36<\alpha<6{,}37 puisque h(6,37)≠0h(6{,}37)\neq 0. Les deux valeurs renvoyées forment un encadrement de la solution α\alpha de l'équation h(x)=0h(x)=0, c'est-à-dire de f(x)=xf(x)=x, d'amplitude 10−210^{-2}. Plus généralement, bornes(n) encadre α\alpha à 10−n10^{-n} près.

B.1. Pour tout entier naturel nn, on note P(n)\mathcal{P}(n) la propriété : « 2⩽un⩽un+1<6,52\leqslant u_{n}\leqslant u_{n+1}<6{,}5 ».

Initialisation : u0=2u_{0}=2 et u1=f(2)=4ln⁡3−425≈4,23u_{1}=f(2)=4\ln 3-\dfrac{4}{25}\approx 4{,}23. On a bien 2⩽2⩽4,23<6,52\leqslant 2\leqslant 4{,}23<6{,}5 : P(0)\mathcal{P}(0) est vraie.

Hérédité : soit nn un entier naturel tel que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie, c'est-à-dire 2⩽un⩽un+1<6,52\leqslant u_{n}\leqslant u_{n+1}<6{,}5. Les quatre nombres 22, unu_{n}, un+1u_{n+1} et 6,56{,}5 sont dans [2 ;6,5][2\,;6{,}5], où ff est strictement croissante (A.3) : elle conserve l'ordre, donc f(2)⩽f(un)⩽f(un+1)<f(6,5)f(2)\leqslant f(u_{n})\leqslant f(u_{n+1})<f(6{,}5), soit f(2)⩽un+1⩽un+2<f(6,5)f(2)\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n+2}<f(6{,}5).

Or f(2)≈4,23⩾2f(2)\approx 4{,}23\geqslant 2 et f(6,5)=4ln⁡(7,5)−1,69≈6,37<6,5f(6{,}5)=4\ln(7{,}5)-1{,}69\approx 6{,}37<6{,}5. Donc 2⩽un+1⩽un+2<6,52\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n+2}<6{,}5 : P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie.

Conclusion : par le principe de récurrence, pour tout entier naturel nn, 2⩽un⩽un+1<6,52\leqslant u_{n}\leqslant u_{n+1}<6{,}5. Le piège de l'hérédité : s'arrêter à f(2)⩽un+1⩽un+2<f(6,5)f(2)\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n+2}<f(6{,}5) sans comparer f(2)f(2) à 22 et f(6,5)f(6{,}5) à 6,56{,}5. C'est l'étape qui fait le lien avec les bornes de la propriété, et c'est celle que le correcteur cherche. L'inégalité stricte se conserve parce que ff est STRICTEMENT croissante.

B.2. D'après B.1, pour tout nn, un⩽un+1u_{n}\leqslant u_{n+1} : la suite (un)(u_{n}) est croissante. Et un<6,5u_{n}<6{,}5 : elle est majorée par 6,56{,}5. Par le théorème de convergence monotone, une suite croissante et majorée converge : (un)(u_{n}) converge vers une limite ℓ\ell.

Le théorème ne dit PAS que la limite vaut le majorant : on sait seulement ℓ⩽6,5\ell\leqslant 6{,}5. Écrire « (un)(u_{n}) converge vers 6,56{,}5 » est l'erreur la plus fréquente sur cette question, et la question suivante montre que la limite vaut environ 6,376{,}37.

B.3. Par passage à la limite dans les inégalités larges 2⩽un⩽6,52\leqslant u_{n}\leqslant 6{,}5, on obtient 2⩽ℓ⩽6,52\leqslant\ell\leqslant 6{,}5 : ℓ∈[2 ;6,5]\ell\in[2\,;6{,}5].

La fonction ff est continue sur [2 ;6,5][2\,;6{,}5], car dérivable, donc continue en ℓ\ell. Comme un→ℓu_{n}\to\ell, on a f(un)→f(ℓ)f(u_{n})\to f(\ell), c'est-à-dire un+1→f(ℓ)u_{n+1}\to f(\ell). Mais (un+1)(u_{n+1}) converge aussi vers ℓ\ell : par unicité de la limite, f(ℓ)=ℓf(\ell)=\ell. Donc h(ℓ)=f(ℓ)−ℓ=0h(\ell)=f(\ell)-\ell=0.

Ainsi ℓ\ell est une solution de h(x)=0h(x)=0 dans [2 ;6,5][2\,;6{,}5]. D'après A.4, cette équation n'y a qu'une solution, α\alpha : donc ℓ=α\ell=\alpha. Avec A.5, la suite converge vers un réel compris entre 6,366{,}36 et 6,376{,}37. Vérification numérique : u2≈5,90u_{2}\approx 5{,}90, u3≈6,33u_{3}\approx 6{,}33, u4≈6,365u_{4}\approx 6{,}365, une convergence rapide vers α≈6,366\alpha\approx 6{,}366. Les trois arguments attendus sont la continuité de ff, l'appartenance de ℓ\ell à [2 ;6,5][2\,;6{,}5] et l'unicité de A.4 : sans le deuxième, on ne peut pas invoquer le troisième.

Exercice 4 : Équations différentielles : croissance logistique d'une population de bactéries

4 points Les équations différentiellesExponentielle et logarithme

  • Partie A
  • On considère l'équation différentielle (E1) :y′+0,48y=1250(E_{1})\,:\quad y'+0{,}48y=\dfrac{1}{250}, où yy est une fonction de la variable tt appartenant à l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.
  • A.1. On considère la fonction constante hh définie sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ par h(t)=1120h(t)=\dfrac{1}{120}. Montrer que la fonction hh est solution de l'équation différentielle (E1)(E_{1}).
  • A.2. Donner la forme générale des solutions de l'équation différentielle y′+0,48y=0y'+0{,}48y=0.
  • A.3. En déduire l'ensemble des solutions de l'équation différentielle (E1)(E_{1}).
  • Partie B
  • On s'intéresse à présent à l'évolution d'une population de bactéries dans un milieu de culture.
    À un instant t=0t=0, on introduit une population initiale de 30 00030\,000 bactéries dans le milieu. On note p(t)p(t) la quantité de bactéries, exprimée en millier d'individus, présente dans le milieu après un temps tt, exprimé en heure.
    On a donc p(0)=30p(0)=30.
    On admet que la fonction pp définie sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ est dérivable, strictement positive sur cet intervalle et qu'elle est solution de l'équation différentielle (E2)(E_{2}) : p′=1250p×(120−p)p'=\dfrac{1}{250}p\times(120-p)
  • Soit yy la fonction strictement positive sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ telle que, pour tout tt appartenant à l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, on a p(t)=1y(t)p(t)=\dfrac{1}{y(t)}.
  • B.1. Montrer que si pp est solution de l'équation différentielle (E2)(E_{2}), alors yy est solution de l'équation différentielle (E1) :y′+0,48y=1250(E_{1})\,:\quad y'+0{,}48y=\dfrac{1}{250}.
  • B.2. On admet réciproquement que, si yy est une solution strictement positive de l'équation différentielle (E1)(E_{1}), alors p=1yp=\dfrac{1}{y} est solution de l'équation différentielle (E2)(E_{2}).
    Montrer que, pour tout tt appartenant à l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, on a : p(t)=1201+Ke−0,48tp(t)=\dfrac{120}{1+K\mathrm{e}^{-0{,}48t}} avec KK une constante réelle.
  • B.3. En utilisant la condition initiale, déterminer la valeur de KK.
  • B.4. Déterminer lim⁡t→+∞p(t)\lim\limits_{t\to +\infty}p(t). En donner une interprétation dans le contexte de l'exercice.
  • B.5. Déterminer le temps nécessaire pour que la population de bactéries dépasse 60 00060\,000 individus. On donnera le résultat sous la forme d'une valeur arrondie exprimée en heures et minutes.

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A.2
A.3
B.3
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Réponses

  • A.1 h′(t)+0,48 h(t)=0+0,48120=0,004=1250h'(t)+0{,}48\,h(t)=0+\dfrac{0{,}48}{120}=0{,}004=\dfrac{1}{250}
  • A.2 y(t)=Ce−0,48ty(t)=C\mathrm{e}^{-0{,}48t}, C∈RC\in\mathbb{R}
  • A.3 y(t)=Ce−0,48t+1120y(t)=C\mathrm{e}^{-0{,}48t}+\dfrac{1}{120}, C∈RC\in\mathbb{R}
  • B.1 y′=−p′p2=−120−p250 p=−0,48 y+1250y'=-\dfrac{p'}{p^{2}}=-\dfrac{120-p}{250\,p}=-0{,}48\,y+\dfrac{1}{250}
  • B.2 p=1Ce−0,48t+1120=1201+Ke−0,48tp=\dfrac{1}{C\mathrm{e}^{-0{,}48t}+\frac{1}{120}}=\dfrac{120}{1+K\mathrm{e}^{-0{,}48t}} avec K=120CK=120C
  • B.3 K=3K=3
  • B.4 lim⁡t→+∞p(t)=120\lim\limits_{t\to +\infty}p(t)=120 : la population se stabilise vers 120 000120\,000 bactéries
  • B.5 t>ln⁡30,48≈2,289t>\dfrac{\ln 3}{0{,}48}\approx 2{,}289 h, soit environ 2 h 17 min

A.1. On vérifie l'égalité en remplaçant yy par hh. La fonction hh est constante, donc h′(t)=0h'(t)=0 pour tout tt. Alors h′(t)+0,48 h(t)=0+0,48120=0,004h'(t)+0{,}48\,h(t)=0+\dfrac{0{,}48}{120}=0{,}004, et 1250=0,004\dfrac{1}{250}=0{,}004. L'égalité est vraie pour tout t⩾0t\geqslant 0 : hh est solution de (E1)(E_{1}).

Une rédaction propre écrit les deux membres séparément et conclut par « pour tout tt de [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ », puisqu'une solution d'équation différentielle est une FONCTION, pas une valeur.

A.2. L'équation y′+0,48y=0y'+0{,}48y=0 s'écrit y′=−0,48yy'=-0{,}48y, de la forme y′=ayy'=ay avec a=−0,48a=-0{,}48. Ses solutions sont les fonctions t↦Ce−0,48tt\mapsto C\mathrm{e}^{-0{,}48t}, où CC est une constante réelle quelconque.

Erreur fréquente : écrire Ce0,48tC\mathrm{e}^{0{,}48t} en lisant le coefficient sur l'écriture y′+0,48y=0y'+0{,}48y=0 sans repasser par la forme y′=ayy'=ay.

A.3. Les solutions d'une équation y′=ay+by'=ay+b sont la somme d'une solution particulière et des solutions de l'équation homogène associée. La solution particulière est la fonction constante hh de A.1, l'équation homogène est celle de A.2 : les solutions de (E1)(E_{1}) sont les fonctions t↦Ce−0,48t+1120t\mapsto C\mathrm{e}^{-0{,}48t}+\dfrac{1}{120}, C∈RC\in\mathbb{R}.

Vérification par la formule du cours : (E1)(E_{1}) s'écrit y′=−0,48y+1250y'=-0{,}48y+\dfrac{1}{250}, et la solution constante vaut −ba=1/2500,48=1120-\dfrac{b}{a}=\dfrac{1/250}{0{,}48}=\dfrac{1}{120}, la même. Le « en déduire » attend qu'on cite cette structure, solution particulière plus solutions homogènes, et pas seulement le résultat.

B.1. On suppose que pp est solution de (E2)(E_{2}). Comme pp est strictement positive, y=1py=\dfrac{1}{p} est bien définie et dérivable, et par la dérivée de l'inverse, (1u)′=−u′u2\left(\dfrac{1}{u}\right)'=-\dfrac{u'}{u^{2}} : y′=−p′p2y'=-\dfrac{p'}{p^{2}}.

On remplace p′p' par l'expression de (E2)(E_{2}) : y′=−1250p(120−p)p2=−120−p250 p=−120250×1p+p250 p=−0,48×1p+1250y'=-\dfrac{\frac{1}{250}p(120-p)}{p^{2}}=-\dfrac{120-p}{250\,p}=-\dfrac{120}{250}\times\dfrac{1}{p}+\dfrac{p}{250\,p}=-0{,}48\times\dfrac{1}{p}+\dfrac{1}{250}.

Comme 1p=y\dfrac{1}{p}=y et 120250=0,48\dfrac{120}{250}=0{,}48, on obtient y′=−0,48y+1250y'=-0{,}48y+\dfrac{1}{250}, soit y′+0,48y=1250y'+0{,}48y=\dfrac{1}{250} : yy est solution de (E1)(E_{1}). Le point délicat est la simplification par pp, permise parce que pp ne s'annule pas ; et c'est le nombre 120250=0,48\dfrac{120}{250}=0{,}48 qui explique le coefficient de (E1)(E_{1}).

B.2. D'après B.1, yy est une solution de (E1)(E_{1}), strictement positive. D'après A.3, il existe donc une constante réelle CC telle que, pour tout t⩾0t\geqslant 0, y(t)=Ce−0,48t+1120y(t)=C\mathrm{e}^{-0{,}48t}+\dfrac{1}{120}.

Alors p(t)=1y(t)=1Ce−0,48t+1120p(t)=\dfrac{1}{y(t)}=\dfrac{1}{C\mathrm{e}^{-0{,}48t}+\frac{1}{120}}. On multiplie le numérateur et le dénominateur par 120120 : p(t)=120120Ce−0,48t+1=1201+Ke−0,48tp(t)=\dfrac{120}{120C\mathrm{e}^{-0{,}48t}+1}=\dfrac{120}{1+K\mathrm{e}^{-0{,}48t}} en posant K=120CK=120C, qui est bien une constante réelle.

Le geste qui fait gagner le point : multiplier par 120120 en haut ET en bas pour faire apparaître le 11 du dénominateur, puis NOMMER la nouvelle constante K=120CK=120C.

B.3. La condition initiale p(0)=30p(0)=30 donne, avec e0=1\mathrm{e}^{0}=1 : 1201+K=30\dfrac{120}{1+K}=30, donc 1+K=12030=41+K=\dfrac{120}{30}=4 et K=3K=3.

Ainsi, pour tout t⩾0t\geqslant 0, p(t)=1201+3e−0,48tp(t)=\dfrac{120}{1+3\mathrm{e}^{-0{,}48t}}. Vérification : p(0)=1204=30p(0)=\dfrac{120}{4}=30, soit les 30 00030\,000 bactéries de départ. Attention à l'unité : pp compte des MILLIERS de bactéries, d'où p(0)=30p(0)=30 et non 30 00030\,000.

B.4. Comme −0,48<0-0{,}48<0, lim⁡t→+∞−0,48t=−∞\lim\limits_{t\to +\infty}-0{,}48t=-\infty et, par composition avec lim⁡X→−∞eX=0\lim\limits_{X\to -\infty}\mathrm{e}^{X}=0, lim⁡t→+∞e−0,48t=0\lim\limits_{t\to +\infty}\mathrm{e}^{-0{,}48t}=0. Le dénominateur 1+3e−0,48t1+3\mathrm{e}^{-0{,}48t} tend vers 11 et, par quotient, lim⁡t→+∞p(t)=1201=120\lim\limits_{t\to +\infty}p(t)=\dfrac{120}{1}=120.

Interprétation : à long terme, la population de bactéries se stabilise vers 120120 milliers, soit 120 000120\,000 bactéries. C'est la capacité maximale du milieu de culture : dans (E2)(E_{2}), le facteur 120−p120-p freine la croissance à mesure que pp s'approche de 120120 (modèle logistique, ou de Verhulst). La population augmente sans jamais atteindre ce plafond, puisque 3e−0,48t>03\mathrm{e}^{-0{,}48t}>0 donne p(t)<120p(t)<120 pour tout tt.

B.5. 60 00060\,000 individus correspondent à p(t)=60p(t)=60, puisque pp compte des milliers. On résout p(t)>60p(t)>60. Le dénominateur 1+3e−0,48t1+3\mathrm{e}^{-0{,}48t} est strictement positif, donc 1201+3e−0,48t>60  ⟺  120>60(1+3e−0,48t)  ⟺  2>1+3e−0,48t  ⟺  e−0,48t<13\dfrac{120}{1+3\mathrm{e}^{-0{,}48t}}>60\iff 120>60\left(1+3\mathrm{e}^{-0{,}48t}\right)\iff 2>1+3\mathrm{e}^{-0{,}48t}\iff\mathrm{e}^{-0{,}48t}<\dfrac{1}{3}.

La fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ : e−0,48t<13  ⟺  −0,48t<ln⁡13=−ln⁡3  ⟺  t>ln⁡30,48\mathrm{e}^{-0{,}48t}<\dfrac{1}{3}\iff -0{,}48t<\ln\dfrac{1}{3}=-\ln 3\iff t>\dfrac{\ln 3}{0{,}48}, en divisant par −0,48<0-0{,}48<0, ce qui renverse l'inégalité.

ln⁡30,48≈2,289\dfrac{\ln 3}{0{,}48}\approx 2{,}289 h. La partie décimale se convertit en minutes : 0,289×60≈17,30{,}289\times 60\approx 17{,}3 min. La population dépasse 60 00060\,000 bactéries au bout d'environ 2 h 17 min. Vérification : à 2 h 17 min, soit t≈2,283t\approx 2{,}283, p≈59,92p\approx 59{,}92, juste en dessous de 6060, et à 2 h 18 min, p≈60,16p\approx 60{,}16 : le seuil est franchi pendant la dix-huitième minute, et l'arrondi demandé donne 2 h 17 min.

Erreur fréquente : écrire « 2 h 29 min » en recopiant les décimales 0,2890{,}289 comme des minutes. Une heure compte 6060 minutes, pas 100100. Autre piège : comparer p(t)p(t) à 60 00060\,000 au lieu de 6060, l'équation n'ayant alors aucune solution puisque p<120p<120.

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