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

Bac 2025 de spécialité maths, Polynésie jour 2 : sujet officiel et corrigé

Sujet officiel du baccalauréat

Spécialité mathématiques, session 2025 : Polynésie, jour 2

Épreuve du mercredi 18 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, centre Polynésie, jour 2 : mercredi 18 juin 2025, quatre heures, calculatrice en mode examen autorisée. Il compte quatre exercices indépendants de 5 points chacun, notés sur 20. L'énoncé est reproduit à l'identique, figures et script Python compris, et chaque question a son corrigé détaillé et, quand le résultat s'y prête, sa réponse autocorrigée.

L'exercice 1 suit une donnée binaire transmise de machine en machine : arbre pondéré, formule des probabilités totales, probabilité conditionnelle « à rebours », suite arithmético-géométrique pn+1=0,8pn+0,1p_{n+1}=0{,}8p_{n}+0{,}1, raisonnement par récurrence et limite d'une suite géométrique, puis lecture d'une simulation en Python. L'exercice 2 est une étude de fonction avec logarithme népérien, f(x)=xln⁡(x−2)f(x)=x\ln(x-2) : conjectures graphiques, asymptote verticale, dérivée d'un produit et d'un quotient, tableau de variations, convexité et point d'inflexion, et le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires pour compter les tangentes de pente 33. L'exercice 3 relève de la géométrie dans l'espace : produit scalaire, droite orthogonale à un plan, équation cartésienne, représentation paramétrique, projeté orthogonal et volume d'un tétraèdre. L'exercice 4 est un vrai ou faux : arrangements et combinaisons, aire sous une parabole, intégration par parties, équation différentielle y′=ay+fy'=ay+f et limite d'une suite par le théorème de comparaison.

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 3 de l'exercice 4, où J=2ln⁡2−34J=2\ln 2-\frac{3}{4} et 711\frac{7}{11} ont le même arrondi au millième sans être égaux ; la question 7 de l'exercice 2, où la fonction f′f' n'est pas monotone et donne deux tangentes de pente 33, dont une en x=3x=3 exactement ; et la question B.2 de l'exercice 1, où une liste de cinq valeurs ne compte que quatre transmissions.

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 et suites : transmission d'une donnée binaire et simulation en Python

5 points Arbres pondérés et probabilités totalesSuites et récurrencePython et méthodes numériques

Dans tout l'exercice, les probabilités seront, si nécessaire, arrondies à 10−310^{-3} près.

Une donnée binaire est une donnée qui ne peut prendre que deux valeurs : 0 ou 1.

Une donnée de ce type est transmise successivement d'une machine à une autre.

Chaque machine transmet la donnée reçue soit de manière fidèle, c'est-à-dire en transmettant l'information telle qu'elle l'a reçue (1 devient 1 et 0 devient 0), soit de façon contraire (1 devient 0 et 0 devient 1).

La transmission est fidèle dans 90 %90\,\% des cas, et donc contraire dans 10 %10\,\% des cas.

Dans tout l'exercice, la première machine reçoit toujours la valeur 1.

  • Partie A
  • Pour tout entier naturel n⩾1n\geqslant 1, on note :
    • VnV_{n} l'évènement : « la nn-ième machine détient la valeur 1 » ;
    • Vn‾\overline{V_{n}} l'évènement : « la nn-ième machine détient la valeur 0 ».
  • Arbre de probabilité à deux niveaux issu de V1. Deux branches mènent à V2 et à V2 barre ; de chacun de ces deux nœuds partent deux branches vers V3 et V3 barre. Les six branches portent des pointillés à compléter.
  • 1.a. Recopier et compléter l'arbre de probabilité ci-dessous.
  • 1.b. Démontrer que P(V3)=0,82P(V_{3})=0{,}82 et interpréter ce résultat dans le contexte de l'exercice.
  • 1.c. Sachant que la troisième machine a reçu la valeur 1, calculer la probabilité que la deuxième machine ait aussi reçu la valeur 1.
  • 2. Pour tout entier naturel n⩾1n\geqslant 1, on note pn=P(Vn)p_{n}=P(V_{n}).
  • La première machine a reçu la valeur 1, on a donc p1=1p_{1}=1.
  • 2.a. Démontrer que pour tout entier naturel n⩾1n\geqslant 1 : pn+1=0,8pn+0,1p_{n+1}=0{,}8p_{n}+0{,}1.
  • 2.b. Démontrer par récurrence que pour tout entier naturel n⩾1n\geqslant 1, pn=0,5×0,8n−1+0,5p_{n}=0{,}5\times 0{,}8^{n-1}+0{,}5.
  • 2.c. Calculer la limite de pnp_{n} lorsque nn tend vers l'infini. Interpréter ce résultat dans le contexte de l'exercice.
  • Partie B
  • Pour modéliser en langage Python la transmission de la donnée binaire décrite en début d'exercice, on considère la fonction simulation qui prend en paramètre un entier naturel nn qui représente le nombre de transmissions réalisées d'une machine à une autre, et qui renvoie la liste des valeurs successives de la donnée binaire.
  • On donne ci-dessous le script incomplet de cette fonction.
  • On rappelle que l'instruction rand() renvoie un nombre aléatoire de l'intervalle [0 ;1[[0\,;1[.
  • Script Python numéroté. Ligne 1 : def simulation(n):. Ligne 2 : donnee = 1. Ligne 3 : liste = [donnee]. Ligne 4 : for k in range(n):. Ligne 5 : if rand() <0.1, sans deux-points. Ligne 6 : donnee = 1 - donnee. Ligne 7 : liste.append(donnee). Ligne 9 : return liste. La numérotation saute la ligne 8.
  • Par exemple, simulation(3) peut renvoyer [1, 0, 0, 1]. Cette liste traduit :
    • qu'une donnée binaire a été successivement transmise trois fois entre quatre machines ;
    • la première machine qui détient la valeur 1 a transmis de façon contraire cette donnée à la deuxième machine ;
    • la deuxième machine a transmis la donnée qu'elle détient de façon fidèle à la troisième ;
    • la troisième machine a transmis de façon contraire la donnée qu'elle détient à la quatrième.
  • B.1. Déterminer le rôle des instructions des lignes 5 et 6 de l'algorithme ci-dessus.
  • B.2. Calculer la probabilité que simulation(4) renvoie la liste [1, 1, 1, 1, 1] et la probabilité que simulation(6) renvoie la liste [1, 0, 1, 0, 0, 1, 1].

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/7

1.a
1.c
2.c
B.2
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Réponses

  • 1.a PV1(V2)=0,9P_{V_{1}}(V_{2})=0{,}9, PV1(V2‾)=0,1P_{V_{1}}(\overline{V_{2}})=0{,}1 ; PV2(V3)=0,9P_{V_{2}}(V_{3})=0{,}9, PV2(V3‾)=0,1P_{V_{2}}(\overline{V_{3}})=0{,}1 ; PV2‾(V3)=0,1P_{\overline{V_{2}}}(V_{3})=0{,}1, PV2‾(V3‾)=0,9P_{\overline{V_{2}}}(\overline{V_{3}})=0{,}9
  • 1.b P(V3)=0,9×0,9+0,1×0,1=0,82P(V_{3})=0{,}9\times 0{,}9+0{,}1\times 0{,}1=0{,}82 : la troisième machine détient la valeur 1 dans 82 %82\,\% des cas
  • 1.c PV3(V2)=0,810,82=8182≈0,988P_{V_{3}}(V_{2})=\dfrac{0{,}81}{0{,}82}=\dfrac{81}{82}\approx 0{,}988
  • 2.a Probabilités totales avec la partition (Vn,Vn‾)\left(V_{n},\overline{V_{n}}\right) : pn+1=0,9pn+0,1(1−pn)=0,8pn+0,1p_{n+1}=0{,}9p_{n}+0{,}1(1-p_{n})=0{,}8p_{n}+0{,}1
  • 2.b Initialisation p1=1p_{1}=1, hérédité par pn+1=0,8pn+0,1p_{n+1}=0{,}8p_{n}+0{,}1 : pn=0,5×0,8n−1+0,5p_{n}=0{,}5\times 0{,}8^{n-1}+0{,}5 pour tout n⩾1n\geqslant 1
  • 2.c lim⁡pn=0,5\lim p_{n}=0{,}5 : après un grand nombre de transmissions, la valeur 1 n'est plus détenue qu'une fois sur deux, l'information initiale est perdue
  • B.1 Avec une probabilité de 0,10{,}1, la donnée est remplacée par son contraire (transmission contraire) ; sinon elle est recopiée telle quelle (transmission fidèle)
  • B.2 0,94=0,656 1≈0,6560{,}9^{4}=0{,}656\,1\approx 0{,}656 ; 0,14×0,92=8,1×10−50{,}1^{4}\times 0{,}9^{2}=8{,}1\times 10^{-5}, soit 0,0000{,}000 arrondi à 10−310^{-3}

A.1.a. Méthode : sur chaque branche issue d'un nœud, on porte la probabilité conditionnelle de l'évènement d'arrivée sachant l'évènement de départ, et les branches issues d'un même nœud ont des probabilités de somme 11.

Premier niveau : la première machine détient la valeur 1. Elle la transmet fidèlement avec la probabilité 0,90{,}9, donc PV1(V2)=0,9P_{V_{1}}(V_{2})=0{,}9 et PV1(V2‾)=0,1P_{V_{1}}(\overline{V_{2}})=0{,}1.

Second niveau, depuis V2V_{2} : la deuxième machine détient 1 ; la troisième reçoit 1 si la transmission est fidèle, donc PV2(V3)=0,9P_{V_{2}}(V_{3})=0{,}9 et PV2(V3‾)=0,1P_{V_{2}}(\overline{V_{3}})=0{,}1.

Second niveau, depuis V2‾\overline{V_{2}} : la deuxième machine détient 0 ; la troisième reçoit 1 seulement si la transmission est CONTRAIRE, donc PV2‾(V3)=0,1P_{\overline{V_{2}}}(V_{3})=0{,}1 et PV2‾(V3‾)=0,9P_{\overline{V_{2}}}(\overline{V_{3}})=0{,}9. L'arbre complété figure en fin de corrigé.

Erreur fréquente : recopier 0,90{,}9 vers V3V_{3} sur les deux sous-arbres. La probabilité 0,90{,}9 est celle d'une transmission fidèle, pas celle d'obtenir la valeur 1 : depuis V2‾\overline{V_{2}}, la transmission fidèle mène à V3‾\overline{V_{3}}.

A.1.b. Méthode : formule des probabilités totales, avec la partition (V2,V2‾)\left(V_{2},\overline{V_{2}}\right) de l'univers. On additionne les probabilités des deux chemins qui mènent à V3V_{3} :

P(V3)=P(V2∩V3)+P(V2‾∩V3)=P(V2)×PV2(V3)+P(V2‾)×PV2‾(V3)=0,9×0,9+0,1×0,1=0,81+0,01=0,82P(V_{3})=P(V_{2}\cap V_{3})+P(\overline{V_{2}}\cap V_{3})=P(V_{2})\times P_{V_{2}}(V_{3})+P(\overline{V_{2}})\times P_{\overline{V_{2}}}(V_{3})=0{,}9\times 0{,}9+0{,}1\times 0{,}1=0{,}81+0{,}01=0{,}82.

Interprétation : la troisième machine détient la valeur 1, la bonne valeur, avec une probabilité de 0,820{,}82 ; autrement dit, après deux transmissions successives, la donnée initiale est intacte dans 82 %82\,\% des cas. Elle l'était dans 90 %90\,\% des cas après une seule transmission : chaque transmission dégrade la fiabilité.

Vérification : la donnée arrive juste après deux transmissions si les deux sont fidèles (0,810{,}81) ou si les deux sont contraires, deux inversions se compensant (0,010{,}01). Le second chemin est celui qu'on oublie.

A.1.c. Méthode : on cherche une probabilité conditionnelle « à rebours », PV3(V2)P_{V_{3}}(V_{2}), l'arbre donnant les conditionnements dans l'autre sens. Par définition :

PV3(V2)=P(V2∩V3)P(V3)=0,810,82=8182≈0,988P_{V_{3}}(V_{2})=\dfrac{P(V_{2}\cap V_{3})}{P(V_{3})}=\dfrac{0{,}81}{0{,}82}=\dfrac{81}{82}\approx 0{,}988.

Sachant que la troisième machine a reçu la valeur 1, la probabilité que la deuxième l'ait aussi reçue est d'environ 0,9880{,}988. Cohérence : elle dépasse P(V2)=0,9P(V_{2})=0{,}9, car savoir que la donnée est juste à l'arrivée rend plus probable qu'elle l'ait été en chemin.

Piège : répondre 0,90{,}9, qui est PV2(V3)P_{V_{2}}(V_{3}), la probabilité de l'arrivée sachant l'étape intermédiaire, et non l'inverse demandé.

A.2.a. Méthode : formule des probabilités totales au rang nn, avec la partition (Vn,Vn‾)\left(V_{n},\overline{V_{n}}\right), en transposant le raisonnement de la question 1.b à deux machines consécutives quelconques.

Soit n⩾1n\geqslant 1. La machine n+1n+1 détient 1 si la machine nn détient 1 et transmet fidèlement, ou si la machine nn détient 0 et transmet de façon contraire. Donc PVn(Vn+1)=0,9P_{V_{n}}(V_{n+1})=0{,}9 et PVn‾(Vn+1)=0,1P_{\overline{V_{n}}}(V_{n+1})=0{,}1, et :

pn+1=P(Vn+1)=P(Vn)×PVn(Vn+1)+P(Vn‾)×PVn‾(Vn+1)=0,9pn+0,1(1−pn)=0,9pn+0,1−0,1pn=0,8pn+0,1p_{n+1}=P(V_{n+1})=P(V_{n})\times P_{V_{n}}(V_{n+1})+P(\overline{V_{n}})\times P_{\overline{V_{n}}}(V_{n+1})=0{,}9p_{n}+0{,}1(1-p_{n})=0{,}9p_{n}+0{,}1-0{,}1p_{n}=0{,}8p_{n}+0{,}1.

Vérification : avec p1=1p_{1}=1, on retrouve p2=0,8+0,1=0,9p_{2}=0{,}8+0{,}1=0{,}9 et p3=0,8×0,9+0,1=0,82p_{3}=0{,}8\times 0{,}9+0{,}1=0{,}82, la valeur de la question 1.b. Piège : écrire P(Vn‾)=0,1P(\overline{V_{n}})=0{,}1 au lieu de 1−pn1-p_{n} ; 0,10{,}1 n'est la probabilité de détenir 0 qu'à la deuxième machine.

Pour être rigoureux, il faut P(Vn)≠0P(V_{n})\neq 0 et P(Vn‾)≠0P(\overline{V_{n}})\neq 0 pour parler des probabilités conditionnelles ; au rang n=1n=1, P(V1‾)=0P(\overline{V_{1}})=0 et l'égalité se lit simplement p2=0,9×1p_{2}=0{,}9\times 1, qui vaut bien 0,8×1+0,10{,}8\times 1+0{,}1.

A.2.b. On démontre par récurrence la propriété P(n)\mathcal{P}(n) : « pn=0,5×0,8n−1+0,5p_{n}=0{,}5\times 0{,}8^{n-1}+0{,}5 », pour tout entier n⩾1n\geqslant 1.

Initialisation : pour n=1n=1, 0,5×0,80+0,5=0,5+0,5=1=p10{,}5\times 0{,}8^{0}+0{,}5=0{,}5+0{,}5=1=p_{1}. P(1)\mathcal{P}(1) est vraie.

Hérédité : soit n⩾1n\geqslant 1 un entier tel que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie, c'est-à-dire pn=0,5×0,8n−1+0,5p_{n}=0{,}5\times 0{,}8^{n-1}+0{,}5. Montrons P(n+1)\mathcal{P}(n+1). Par la question 2.a, pn+1=0,8pn+0,1=0,8(0,5×0,8n−1+0,5)+0,1=0,5×0,8n+0,4+0,1=0,5×0,8(n+1)−1+0,5p_{n+1}=0{,}8p_{n}+0{,}1=0{,}8\left(0{,}5\times 0{,}8^{n-1}+0{,}5\right)+0{,}1=0{,}5\times 0{,}8^{n}+0{,}4+0{,}1=0{,}5\times 0{,}8^{(n+1)-1}+0{,}5. P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie.

Conclusion : la propriété est vraie au rang 11 et héréditaire ; par le principe de récurrence, pn=0,5×0,8n−1+0,5p_{n}=0{,}5\times 0{,}8^{n-1}+0{,}5 pour tout entier n⩾1n\geqslant 1.

Vérification : n=3n=3 donne 0,5×0,64+0,5=0,820{,}5\times 0{,}64+0{,}5=0{,}82. Pièges : initialiser au rang 00, alors que p0p_{0} n'existe pas (la suite commence à n=1n=1) ; et écrire l'exposant final sous la forme 0,8n0{,}8^{n} sans faire voir qu'il s'agit de 0,8(n+1)−10{,}8^{(n+1)-1}, ce qui est précisément ce qu'il fallait obtenir.

A.2.c. Méthode : limite d'une suite géométrique. Comme −1<0,8<1-1<0{,}8<1, lim⁡n→+∞0,8n−1=0\lim_{n\to+\infty}0{,}8^{n-1}=0, donc par produit et somme, lim⁡n→+∞pn=0,5×0+0,5=0,5\lim_{n\to+\infty}p_{n}=0{,}5\times 0+0{,}5=0{,}5.

Interprétation : après un très grand nombre de transmissions, la machine détient la valeur 1 avec une probabilité proche de 0,50{,}5, autant que la valeur 0. La donnée reçue ne renseigne alors presque plus sur la donnée de départ : l'information est perdue, même si chaque transmission, prise seule, est fiable à 90 %90\,\%.

Vérification : 0,50{,}5 est le point fixe de la relation de 2.a, puisque 0,8×0,5+0,1=0,50{,}8\times 0{,}5+0{,}1=0{,}5. La convergence est rapide : p7≈0,631p_{7}\approx 0{,}631, et dès n=22n=22, pn<0,505p_{n}<0{,}505.

B.1. Ligne 5 : l'instruction rand() renvoie un réel aléatoire de [0 ;1[[0\,;1[, et la condition rand() < 0.1 est réalisée avec une probabilité égale à 0,10{,}1, la longueur de l'intervalle [0 ;0,1[[0\,;0{,}1[. Elle simule donc l'évènement « la transmission est contraire ».

Ligne 6 : dans ce cas, donnee prend la valeur 1 - donnee, c'est-à-dire 0 si elle valait 1 et 1 si elle valait 0 : la donnée est inversée. Dans l'autre cas, avec une probabilité de 0,90{,}9, la ligne 6 n'est pas exécutée et la donnée est recopiée telle quelle, ce qui simule une transmission fidèle. La ligne 7 ajoute ensuite la valeur transmise à la liste.

Le script tel qu'il est imprimé dans le sujet présente deux coquilles sans conséquence sur la question : il manque les deux-points à la fin de la ligne 5, sans lesquels Python refuse le programme, et la numérotation passe de 7 à 9. Le programme corrigé, avec l'import de rand, figure en fin de corrigé.

Erreur fréquente : affirmer que la ligne 6 « met la donnée à 0 ». L'expression 1 - donnee échange les deux valeurs, elle ne fixe rien : appliquée à une donnée qui vaut 0, elle donne 1.

B.2. Méthode : les transmissions successives sont simulées par des appels indépendants de rand() ; la probabilité d'une liste donnée est donc le produit des probabilités de chaque transmission, 0,90{,}9 pour une transmission fidèle (valeur répétée) et 0,10{,}1 pour une transmission contraire (valeur changée). C'est le principe multiplicatif le long d'un chemin de l'arbre.

simulation(4) effectue quatre transmissions. La liste [1, 1, 1, 1, 1] correspond à quatre transmissions fidèles : probabilité 0,94=0,656 1≈0,6560{,}9^{4}=0{,}656\,1\approx 0{,}656.

simulation(6) effectue six transmissions. Dans la liste [1, 0, 1, 0, 0, 1, 1], on compare chaque valeur à la suivante : 1→01\to 0 contraire, 0→10\to 1 contraire, 1→01\to 0 contraire, 0→00\to 0 fidèle, 0→10\to 1 contraire, 1→11\to 1 fidèle. Quatre transmissions contraires et deux fidèles : probabilité 0,14×0,92=0,000 1×0,81=0,000 081=8,1×10−50{,}1^{4}\times 0{,}9^{2}=0{,}000\,1\times 0{,}81=0{,}000\,081=8{,}1\times 10^{-5}.

Arrondie à 10−310^{-3}, cette probabilité vaut 0,0000{,}000 : il vaut mieux donner la valeur exacte 8,1×10−58{,}1\times 10^{-5}, l'arrondi demandé « si nécessaire » faisant disparaître toute l'information.

Pièges : compter les valeurs de la liste au lieu des transmissions (une liste de 55 valeurs ne compte que 44 transmissions, d'où 0,940{,}9^{4} et non 0,950{,}9^{5}) ; et confondre la valeur reçue avec le type de transmission : un 0 dans la liste n'est pas une transmission contraire, seul un CHANGEMENT de valeur l'est.

python
from random import random as rand

def simulation(n):
    donnee = 1
    liste = [donnee]
    for k in range(n):
        if rand() < 0.1:
            donnee = 1 - donnee
        liste.append(donnee)
    return liste
V₁V₂0,9V₃0,90,81non V₃0,10,09non V₂0,1V₃0,10,01non V₃0,90,09

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Exercice 2 : Fonction logarithme : étude de x ln(x − 2), convexité et tangentes de pente donnée

5 points Exponentielle et logarithmeLa convexitéLimites et continuitéDérivation et trigonométrie

On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[ par f(x)=xln⁡(x−2)f(x)=x\ln(x-2).

Une partie de la courbe représentative Cf\mathcal{C}_{f} de la fonction ff est donnée ci-dessous.

Courbe Cf en bleu dans un repère, abscisses de 0 à 8, ordonnées de -15 à 15 graduées de 5 en 5. La courbe part du bas du repère en longeant la droite verticale x = 2, monte très vite, coupe l'axe des abscisses en x = 3, puis continue de monter presque en ligne droite jusqu'à une ordonnée d'environ 14 en x = 8.
  • 1. Conjecturer, à l'aide du graphique, le sens de variation de ff ses limites aux bornes de son ensemble de définition ainsi que les éventuelles asymptotes.
  • 2. Résoudre l'équation f(x)=0f(x)=0 sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[.
  • 3. Calculer lim⁡x→2x>2f(x)\displaystyle\lim_{\substack{x\to 2\\x>2}}f(x).
    Ce résultat confirme-t-il l'une des conjectures faites à la question 1. ?
  • 4. Démontrer que pour tout xx appartenant à ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[ : f′(x)=ln⁡(x−2)+xx−2f'(x)=\ln(x-2)+\dfrac{x}{x-2}.
  • 5. On considère la fonction gg définie sur l'intervalle ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[ par g(x)=f′(x)g(x)=f'(x).
  • 5.a. Démontrer que pour tout xx appartenant à ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[, on a : g′(x)=x−4(x−2)2g'(x)=\dfrac{x-4}{(x-2)^{2}}.
  • 5.b. On admet que lim⁡x→2x>2g(x)=+∞\displaystyle\lim_{\substack{x\to 2\\x>2}}g(x)=+\infty et que lim⁡x→+∞g(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}g(x)=+\infty.
    En déduire le tableau des variations de la fonction gg sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[. On fera apparaître la valeur exacte de l'extremum de la fonction gg.
  • 5.c. En déduire que, pour tout xx appartenant à ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[, g(x)>0g(x)>0.
  • 5.d. En déduire le sens de variation de la fonction ff sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[.
  • 6. Étudier la convexité de la fonction ff sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[ et préciser les coordonnées d'un éventuel point d'inflexion de la courbe représentative de la fonction ff.
  • 7. Combien de valeurs de xx existe-t-il pour lesquelles la courbe représentative de ff admet une tangente de coefficient directeur égal à 33 ?

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Réponses

  • 1 ff semble croissante ; lim⁡2+f=−∞\lim_{2^{+}}f=-\infty, lim⁡+∞f=+∞\lim_{+\infty}f=+\infty ; asymptote verticale d'équation x=2x=2
  • 2 S={3}\mathcal{S}=\{3\} (x=0x=0 rejeté, hors de ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[)
  • 3 lim⁡x→2, x>2f(x)=−∞\lim_{x\to 2,\,x>2}f(x)=-\infty : la droite d'équation x=2x=2 est asymptote verticale, la conjecture est confirmée
  • 4 Dérivée d'un produit : f′(x)=1×ln⁡(x−2)+x×1x−2=ln⁡(x−2)+xx−2f'(x)=1\times\ln(x-2)+x\times\dfrac{1}{x-2}=\ln(x-2)+\dfrac{x}{x-2}
  • 5.a g′(x)=1x−2−2(x−2)2=x−4(x−2)2g'(x)=\dfrac{1}{x-2}-\dfrac{2}{(x-2)^{2}}=\dfrac{x-4}{(x-2)^{2}}
  • 5.b gg décroissante sur ]2 ;4]]2\,;4], croissante sur [4 ;+∞[[4\,;+\infty[, minimum g(4)=2+ln⁡2≈2,693g(4)=2+\ln 2\approx 2{,}693
  • 5.c Le minimum 2+ln⁡22+\ln 2 de gg est strictement positif, donc g(x)>0g(x)>0 sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[
  • 5.d f′=g>0f'=g>0 : ff est strictement croissante sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[
  • 6 ff concave sur ]2 ;4]]2\,;4], convexe sur [4 ;+∞[[4\,;+\infty[ ; point d'inflexion (4 ;4ln⁡2)(4\,;4\ln 2), avec 4ln⁡2≈2,7734\ln 2\approx 2{,}773
  • 7 Deux valeurs : x=3x=3 et β≈6,92\beta\approx 6{,}92

1. Lecture graphique : sur la partie tracée, la courbe monte de gauche à droite ; on conjecture que ff est croissante sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[.

Quand xx se rapproche de 22 par la droite, la courbe plonge vers le bas en longeant la droite verticale d'équation x=2x=2 : on conjecture lim⁡x→2, x>2f(x)=−∞\lim_{x\to 2,\,x>2}f(x)=-\infty et que la droite d'équation x=2x=2 est asymptote verticale à Cf\mathcal{C}_{f}.

Quand xx augmente, la courbe monte sans se stabiliser, presque en ligne droite : on conjecture lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty, et aucune asymptote horizontale.

Une conjecture n'a pas à être démontrée ; il faut en revanche répondre aux trois points demandés, sens de variation, limites aux DEUX bornes et asymptotes. L'oubli de la borne +∞+\infty est l'erreur courante.

2. Méthode : un produit est nul si et seulement si l'un de ses facteurs est nul. Pour x∈ ]2 ;+∞[x\in\,]2\,;+\infty[ : f(x)=0  ⟺  x=0f(x)=0\iff x=0 ou ln⁡(x−2)=0\ln(x-2)=0.

x=0x=0 n'appartient pas à ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[ : cette valeur est rejetée. Et ln⁡(x−2)=0  ⟺  x−2=1  ⟺  x=3\ln(x-2)=0\iff x-2=1\iff x=3, qui appartient bien à l'intervalle. L'ensemble des solutions est S={3}\mathcal{S}=\{3\}.

Vérification : f(3)=3ln⁡1=0f(3)=3\ln 1=0, et la courbe coupe bien l'axe des abscisses en x=3x=3. Piège : garder x=0x=0 dans les solutions, alors que f(0)f(0) n'existe même pas, ln⁡(−2)\ln(-2) n'étant pas défini.

3. Méthode : limite d'un produit. Quand x→2x\to 2 avec x>2x>2, on a x−2→0+x-2\to 0^{+}, donc, par composition, ln⁡(x−2)→−∞\ln(x-2)\to-\infty, puisque lim⁡X→0+ln⁡X=−∞\lim_{X\to 0^{+}}\ln X=-\infty. Par ailleurs x→2x\to 2.

Par produit d'une limite strictement positive, 22, et d'une limite −∞-\infty : lim⁡x→2, x>2f(x)=−∞\lim_{x\to 2,\,x>2}f(x)=-\infty.

Ce résultat confirme la conjecture de la question 1 : la courbe Cf\mathcal{C}_{f} admet la droite d'équation x=2x=2 pour asymptote verticale.

Il n'y a ici aucune forme indéterminée : le facteur xx tend vers 22, pas vers 00. Piège : confondre avec la limite classique de xln⁡xx\ln x en 00, qui, elle, vaut 00 par croissance comparée.

4. Méthode : dérivée d'un produit uvuv, avec u(x)=xu(x)=x et v(x)=ln⁡(x−2)v(x)=\ln(x-2), toutes deux dérivables sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[. On a u′(x)=1u'(x)=1 et, la fonction x↦x−2x\mapsto x-2 étant dérivable et strictement positive sur cet intervalle, v′(x)=1x−2v'(x)=\dfrac{1}{x-2} (dérivée de ln⁡w\ln w, qui est w′w\dfrac{w'}{w}).

Donc f′(x)=u′(x)v(x)+u(x)v′(x)=1×ln⁡(x−2)+x×1x−2=ln⁡(x−2)+xx−2f'(x)=u'(x)v(x)+u(x)v'(x)=1\times\ln(x-2)+x\times\dfrac{1}{x-2}=\ln(x-2)+\dfrac{x}{x-2}.

Vérification : en x=3x=3, f′(3)=ln⁡1+3=3f'(3)=\ln 1+3=3 ; la tangente au point où la courbe coupe l'axe des abscisses a pour coefficient directeur 33, ce qui est cohérent avec la pente visible sur le graphique, et servira à la question 7.

5.a. Méthode : on dérive g(x)=ln⁡(x−2)+xx−2g(x)=\ln(x-2)+\dfrac{x}{x-2} terme à terme. La dérivée de ln⁡(x−2)\ln(x-2) est 1x−2\dfrac{1}{x-2}. Pour le quotient, avec u(x)=xu(x)=x et v(x)=x−2v(x)=x-2 : (uv)′=u′v−uv′v2=1×(x−2)−x×1(x−2)2=−2(x−2)2\left(\dfrac{u}{v}\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^{2}}=\dfrac{1\times(x-2)-x\times 1}{(x-2)^{2}}=\dfrac{-2}{(x-2)^{2}}.

Au même dénominateur : g′(x)=1x−2−2(x−2)2=x−2(x−2)2−2(x−2)2=x−4(x−2)2g'(x)=\dfrac{1}{x-2}-\dfrac{2}{(x-2)^{2}}=\dfrac{x-2}{(x-2)^{2}}-\dfrac{2}{(x-2)^{2}}=\dfrac{x-4}{(x-2)^{2}}.

Piège : écrire le numérateur de la dérivée du quotient dans le mauvais ordre, uv′−u′vuv'-u'v, ce qui donne +2(x−2)2+\dfrac{2}{(x-2)^{2}} et un numérateur xx au lieu de x−4x-4. La formule annoncée sert de contrôle.

5.b. Signe de g′(x)g'(x) : sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[, (x−2)2>0(x-2)^{2}>0, donc g′(x)g'(x) a le signe de x−4x-4. Ainsi g′(x)<0g'(x)<0 sur ]2 ;4[]2\,;4[, g′(4)=0g'(4)=0 et g′(x)>0g'(x)>0 sur ]4 ;+∞[]4\,;+\infty[.

La fonction gg est donc strictement décroissante sur ]2 ;4]]2\,;4] et strictement croissante sur [4 ;+∞[[4\,;+\infty[ : elle admet en x=4x=4 un minimum, de valeur exacte g(4)=ln⁡(4−2)+44−2=ln⁡2+2g(4)=\ln(4-2)+\dfrac{4}{4-2}=\ln 2+2, soit 2+ln⁡2≈2,6932+\ln 2\approx 2{,}693. Le tableau des variations complet, avec les limites admises, figure en fin de corrigé.

Le sujet demande la valeur EXACTE de l'extremum : 2+ln⁡22+\ln 2, et non 2,692{,}69, qui ne peut figurer qu'en complément.

5.c. D'après le tableau, le minimum de gg sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[ est 2+ln⁡22+\ln 2. Comme ln⁡2>0\ln 2>0 (car 2>12>1), 2+ln⁡2>2>02+\ln 2>2>0. Pour tout x∈ ]2 ;+∞[x\in\,]2\,;+\infty[, g(x)⩾2+ln⁡2>0g(x)\geqslant 2+\ln 2>0, donc g(x)>0g(x)>0.

Le mot « En déduire » oblige à s'appuyer sur le minimum trouvé en 5.b : un argument du type « ln⁡(x−2)\ln(x-2) et xx−2\dfrac{x}{x-2} sont positifs » est faux, puisque ln⁡(x−2)<0\ln(x-2)<0 sur ]2 ;3[]2\,;3[.

5.d. Pour tout x∈ ]2 ;+∞[x\in\,]2\,;+\infty[, f′(x)=g(x)>0f'(x)=g(x)>0 : la dérivée de ff est strictement positive sur l'intervalle, donc ff est strictement croissante sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[. La conjecture de la question 1 est démontrée.

6. Méthode : la convexité se lit sur le signe de la dérivée seconde. Ici f′′(x)=(f′)′(x)=g′(x)=x−4(x−2)2f''(x)=(f')'(x)=g'(x)=\dfrac{x-4}{(x-2)^{2}}, dont le signe a été étudié en 5.b.

Sur ]2 ;4]]2\,;4], f′′(x)⩽0f''(x)\leqslant 0 : ff est concave. Sur [4 ;+∞[[4\,;+\infty[, f′′(x)⩾0f''(x)\geqslant 0 : ff est convexe. La dérivée seconde s'annule en 44 en CHANGEANT de signe, donc la courbe Cf\mathcal{C}_{f} admet un point d'inflexion d'abscisse 44.

Son ordonnée est f(4)=4ln⁡(4−2)=4ln⁡2≈2,773f(4)=4\ln(4-2)=4\ln 2\approx 2{,}773. Le point d'inflexion a pour coordonnées (4 ;4ln⁡2)(4\,;4\ln 2).

Lien avec 5.b : le point d'inflexion est l'endroit où f′=gf'=g passe par son minimum, c'est-à-dire où la pente de la courbe est la plus faible, 2+ln⁡22+\ln 2. Pièges : donner g(4)=2+ln⁡2g(4)=2+\ln 2 comme ordonnée du point d'inflexion, alors que c'est la pente de la tangente en ce point ; et conclure à un point d'inflexion sur la seule annulation de f′′f'', sans vérifier le changement de signe.

7. Méthode : la tangente à Cf\mathcal{C}_{f} au point d'abscisse xx a pour coefficient directeur f′(x)=g(x)f'(x)=g(x). On compte donc les solutions de l'équation g(x)=3g(x)=3 sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[, par le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires sur chaque intervalle de monotonie.

Sur ]2 ;4]]2\,;4] : gg est continue (car dérivable) et strictement décroissante, de +∞+\infty (limite en 22) à g(4)=2+ln⁡2≈2,693g(4)=2+\ln 2\approx 2{,}693. Comme 3∈ ]2+ln⁡2 ;+∞[3\in\,]2+\ln 2\,;+\infty[, l'équation g(x)=3g(x)=3 admet une unique solution sur cet intervalle. On la trouve exactement : g(3)=ln⁡1+31=3g(3)=\ln 1+\dfrac{3}{1}=3. C'est x=3x=3, déjà rencontrée à la question 4.

Sur [4 ;+∞[[4\,;+\infty[ : gg est continue et strictement croissante, de 2+ln⁡22+\ln 2 à +∞+\infty. Comme 3∈ ]2+ln⁡2 ;+∞[3\in\,]2+\ln 2\,;+\infty[, l'équation admet une unique solution β\beta sur cet intervalle. À la calculatrice, g(6,92)≈2,999 8<3g(6{,}92)\approx 2{,}999\,8<3 et g(6,93)≈3,001 0>3g(6{,}93)\approx 3{,}001\,0>3, donc 6,92<β<6,936{,}92<\beta<6{,}93.

Conclusion : il existe exactement deux valeurs de xx, 33 et β≈6,92\beta\approx 6{,}92, pour lesquelles la courbe admet une tangente de coefficient directeur 33.

Pièges : chercher les solutions de f(x)=3f(x)=3, qui porte sur la courbe et non sur la pente ; appliquer le théorème des valeurs intermédiaires sur tout ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[, où gg n'est pas monotone ; et oublier de vérifier que 33 dépasse le minimum 2+ln⁡22+\ln 2 : avec une pente cible inférieure à 2,6932{,}693, il n'y aurait aucune solution.

xx2244+∞+\infty
signe de g′(x)g'(x)−-00++
variations de gg+∞+\infty↘\searrow2+ln⁡22+\ln 2↗\nearrow+∞+\infty
Tableau des variations de gg (question 5.b), la valeur 22 étant exclue

Exercice 3 : Géométrie dans l'espace : plan, droite orthogonale, projeté orthogonal et volume d'un tétraèdre

5 points Géométrie dans l'espaceLe produit scalaire

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

On considère les points suivants : A(1 ;3 ;0)\mathrm{A}(1\,;3\,;0), B(−1 ;4 ;5)\mathrm{B}(-1\,;4\,;5), C(0 ;1 ;0)\mathrm{C}(0\,;1\,;0) et D(−2 ;2 ;1)\mathrm{D}(-2\,;2\,;1).

  • 1. Montrer que les points A, B et C déterminent un plan.
  • 2. Montrer que le triangle ABC est rectangle en A.
  • 3. Soit Δ\Delta la droite passant par le point D et de vecteur directeur u⃗(2−11)\vec{u}\begin{pmatrix}2\\-1\\1\end{pmatrix}.
  • 3.a. Démontrer que la droite Δ\Delta est orthogonale au plan (ABC).
  • 3.b. Justifier que le plan (ABC) admet pour équation cartésienne : 2x−y+z+1=02x-y+z+1=0.
  • 3.c. Déterminer une représentation paramétrique de la droite Δ\Delta.
  • 4. On appelle H le point de coordonnées (−23 ;43 ;53)\left(-\dfrac{2}{3}\,;\dfrac{4}{3}\,;\dfrac{5}{3}\right).
    Vérifier que H est le projeté orthogonal du point D sur le plan (ABC).
  • 5. On rappelle que le volume d'un tétraèdre est donné par V=13B×hV=\dfrac{1}{3}B\times h, où BB est l'aire d'une base du tétraèdre et hh est sa hauteur relative à cette base.
  • 5.a. Montrer que DH=263\mathrm{DH}=\dfrac{2\sqrt{6}}{3}.
  • 5.b. En déduire le volume du tétraèdre ABCD.
  • 6. On considère la droite dd de représentation paramétrique : {x=1−2ky=−3kz=1+k\begin{cases}x=1-2k\\y=-3k\\z=1+k\end{cases} où kk décrit R\mathbb{R}.
    La droite dd et le plan (ABC) sont-ils sécants ou parallèles ?

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Réponses

  • 1 AB→(−2 ;1 ;5)\overrightarrow{\mathrm{AB}}(-2\,;1\,;5) et AC→(−1 ;−2 ;0)\overrightarrow{\mathrm{AC}}(-1\,;-2\,;0) ne sont pas colinéaires : A, B, C non alignés déterminent un plan
  • 2 AB→⋅AC→=2−2+0=0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=2-2+0=0 : ABC est rectangle en A
  • 3.a u⃗⋅AB→=0\vec{u}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=0 et u⃗⋅AC→=0\vec{u}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=0 : u⃗\vec{u} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan
  • 3.b u⃗\vec{u} normal au plan : 2x−y+z+d=02x-y+z+d=0, et A donne d=1d=1
  • 3.c Δ:{x=−2+2ty=2−tz=1+t\Delta : \begin{cases}x=-2+2t\\y=2-t\\z=1+t\end{cases}, t∈Rt\in\mathbb{R}
  • 4 H appartient à (ABC) et à Δ\Delta (paramètre t=23t=\frac{2}{3}) : H est le projeté orthogonal de D sur (ABC)
  • 5.a DH=249=263\mathrm{DH}=\sqrt{\dfrac{24}{9}}=\dfrac{2\sqrt{6}}{3}
  • 5.b V=13×562×263=103V=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{5\sqrt{6}}{2}\times\dfrac{2\sqrt{6}}{3}=\dfrac{10}{3} unités de volume
  • 6 Parallèles : n⃗⋅w⃗=0\vec{n}\cdot\vec{w}=0, et le point (1 ;0 ;1)(1\,;0\,;1) de dd n'est pas dans le plan, donc dd est strictement parallèle à (ABC)

1. Méthode : trois points déterminent un plan si et seulement s'ils ne sont pas alignés, c'est-à-dire si les vecteurs AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}} et AC→\overrightarrow{\mathrm{AC}} ne sont pas colinéaires.

AB→(−1−14−35−0)=(−215)\overrightarrow{\mathrm{AB}}\begin{pmatrix}-1-1\\4-3\\5-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-2\\1\\5\end{pmatrix} et AC→(0−11−30−0)=(−1−20)\overrightarrow{\mathrm{AC}}\begin{pmatrix}0-1\\1-3\\0-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\-2\\0\end{pmatrix}.

S'il existait un réel kk tel que AB→=kAC→\overrightarrow{\mathrm{AB}}=k\overrightarrow{\mathrm{AC}}, la troisième coordonnée donnerait 5=k×0=05=k\times 0=0, ce qui est impossible. Les vecteurs ne sont pas colinéaires, les points A, B et C ne sont pas alignés : ils déterminent un plan.

Erreur fréquente : comparer seulement les deux premières coordonnées ; ici, elles suffiraient (−2−1=2\frac{-2}{-1}=2 et 1−2=−12\frac{1}{-2}=-\frac{1}{2}), mais la rédaction doit exhiber une contradiction, pas un rapport isolé.

2. Méthode : le triangle ABC est rectangle en A si et seulement si AB→⋅AC→=0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=0. Dans un repère orthonormé, le produit scalaire se calcule coordonnée par coordonnée :

AB→⋅AC→=(−2)×(−1)+1×(−2)+5×0=2−2+0=0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=(-2)\times(-1)+1\times(-2)+5\times 0=2-2+0=0. Les vecteurs sont orthogonaux : le triangle ABC est rectangle en A.

Vérification par Pythagore : AB2=4+1+25=30\mathrm{AB}^{2}=4+1+25=30, AC2=1+4+0=5\mathrm{AC}^{2}=1+4+0=5 et BC→(1 ;−3 ;−5)\overrightarrow{\mathrm{BC}}(1\,;-3\,;-5) donne BC2=1+9+25=35=30+5\mathrm{BC}^{2}=1+9+25=35=30+5. Piège : calculer AB→⋅BC→\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}} ou un autre couple ; l'angle droit annoncé est en A, il faut les deux vecteurs issus de A.

3.a. Méthode : une droite est orthogonale à un plan si et seulement si son vecteur directeur est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de ce plan. On prend AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}} et AC→\overrightarrow{\mathrm{AC}}, non colinéaires d'après la question 1.

u⃗⋅AB→=2×(−2)+(−1)×1+1×5=−4−1+5=0\vec{u}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=2\times(-2)+(-1)\times 1+1\times 5=-4-1+5=0 et u⃗⋅AC→=2×(−1)+(−1)×(−2)+1×0=−2+2+0=0\vec{u}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AC}}=2\times(-1)+(-1)\times(-2)+1\times 0=-2+2+0=0.

Le vecteur u⃗\vec{u} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC) : la droite Δ\Delta est orthogonale au plan (ABC).

Piège : vérifier l'orthogonalité à un seul vecteur du plan. Cela prouve seulement que Δ\Delta est orthogonale à UNE droite du plan, ce qui ne suffit pas. Et le rappel de la non-colinéarité, établie en 1, fait partie de la justification attendue.

3.b. Méthode : un plan de vecteur normal n⃗(a ;b ;c)\vec{n}(a\,;b\,;c) admet une équation de la forme ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0. D'après 3.a, u⃗(2 ;−1 ;1)\vec{u}(2\,;-1\,;1) est un vecteur normal au plan (ABC), qui a donc une équation de la forme 2x−y+z+d=02x-y+z+d=0.

Le point A appartient au plan : 2×1−3+0+d=02\times 1-3+0+d=0, donc d=1d=1. Le plan (ABC) a pour équation 2x−y+z+1=02x-y+z+1=0.

Vérification sur les deux autres points : B donne 2×(−1)−4+5+1=02\times(-1)-4+5+1=0 et C donne 0−1+0+1=00-1+0+1=0. Une autre rédaction, aussi recevable, consiste à vérifier que les coordonnées de A, B et C, trois points non alignés, satisfont l'équation : le plan d'équation 2x−y+z+1=02x-y+z+1=0 contient alors ces trois points, c'est donc le plan (ABC). Piège de cette seconde voie : ne vérifier que deux points.

3.c. Une représentation paramétrique de la droite passant par D(−2 ;2 ;1)\mathrm{D}(-2\,;2\,;1) et dirigée par u⃗(2 ;−1 ;1)\vec{u}(2\,;-1\,;1) est : {x=−2+2ty=2−tz=1+t\begin{cases}x=-2+2t\\y=2-t\\z=1+t\end{cases}, t∈Rt\in\mathbb{R}.

Contrôle : t=0t=0 donne D. Une représentation paramétrique n'est pas unique ; toute autre écriture, avec un autre point de Δ\Delta ou un vecteur directeur colinéaire à u⃗\vec{u}, est juste. Piège : inverser le rôle des coordonnées du point et de celles du vecteur.

4. Méthode : le projeté orthogonal de D sur le plan (ABC) est l'unique point d'intersection de ce plan avec la droite passant par D et orthogonale au plan, c'est-à-dire Δ\Delta. Il suffit donc de vérifier que H appartient au plan ET à Δ\Delta.

H appartient au plan : 2×(−23)−43+53+1=−4−4+5+33=02\times\left(-\dfrac{2}{3}\right)-\dfrac{4}{3}+\dfrac{5}{3}+1=\dfrac{-4-4+5+3}{3}=0.

H appartient à Δ\Delta : on cherche tt tel que −2+2t=−23-2+2t=-\dfrac{2}{3}, ce qui donne t=23t=\dfrac{2}{3} ; pour cette valeur, y=2−23=43y=2-\dfrac{2}{3}=\dfrac{4}{3} et z=1+23=53z=1+\dfrac{2}{3}=\dfrac{5}{3}, ce sont bien les coordonnées de H.

H est donc le point d'intersection du plan (ABC) et de la droite Δ\Delta, perpendiculaire au plan et passant par D : c'est le projeté orthogonal de D sur (ABC).

Piège : trouver tt avec la première coordonnée et s'arrêter. La valeur t=23t=\frac{2}{3} doit être reportée dans les deux autres équations : c'est là que se fait la vérification. Une autre voie consiste à montrer que H est dans le plan et que DH→\overrightarrow{\mathrm{DH}} est colinéaire à u⃗\vec{u} ; on obtient DH→=23u⃗\overrightarrow{\mathrm{DH}}=\dfrac{2}{3}\vec{u}.

5.a. DH→(−23+243−253−1)=(43−2323)\overrightarrow{\mathrm{DH}}\begin{pmatrix}-\frac{2}{3}+2\\\frac{4}{3}-2\\\frac{5}{3}-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac{4}{3}\\-\frac{2}{3}\\\frac{2}{3}\end{pmatrix}, et dans un repère orthonormé :

DH=(43)2+(−23)2+(23)2=16+4+49=243=4×63=263\mathrm{DH}=\sqrt{\left(\dfrac{4}{3}\right)^{2}+\left(-\dfrac{2}{3}\right)^{2}+\left(\dfrac{2}{3}\right)^{2}}=\sqrt{\dfrac{16+4+4}{9}}=\dfrac{\sqrt{24}}{3}=\dfrac{\sqrt{4\times 6}}{3}=\dfrac{2\sqrt{6}}{3}.

Vérification : DH→=23u⃗\overrightarrow{\mathrm{DH}}=\dfrac{2}{3}\vec{u} et ∥u⃗∥=4+1+1=6\|\vec{u}\|=\sqrt{4+1+1}=\sqrt{6}, donc DH=236\mathrm{DH}=\dfrac{2}{3}\sqrt{6}. On peut aussi utiliser la formule de la distance d'un point à un plan, ∣2×(−2)−2+1+1∣6=46=263\dfrac{|2\times(-2)-2+1+1|}{\sqrt{6}}=\dfrac{4}{\sqrt{6}}=\dfrac{2\sqrt{6}}{3}, mais elle n'est pas au programme et doit alors être démontrée.

5.b. Méthode : on prend pour base le triangle ABC et pour hauteur associée DH\mathrm{DH}, puisque H est le projeté orthogonal de D sur le plan (ABC).

Le triangle ABC est rectangle en A (question 2), donc son aire est B=AB×AC2=30×52=1502=562\mathcal{B}=\dfrac{\mathrm{AB}\times\mathrm{AC}}{2}=\dfrac{\sqrt{30}\times\sqrt{5}}{2}=\dfrac{\sqrt{150}}{2}=\dfrac{5\sqrt{6}}{2}, car 150=25×6150=25\times 6.

V=13×B×DH=13×562×263=13×10×66=103V=\dfrac{1}{3}\times\mathcal{B}\times\mathrm{DH}=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{5\sqrt{6}}{2}\times\dfrac{2\sqrt{6}}{3}=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{10\times 6}{6}=\dfrac{10}{3} unités de volume, soit environ 3,3333{,}333.

Pièges : prendre AB×AC\mathrm{AB}\times\mathrm{AC} comme aire du triangle, en oubliant la division par 22, ce qui double le volume ; et choisir une autre base sans avoir la hauteur correspondante. La simplification 6×6=6\sqrt{6}\times\sqrt{6}=6 est le but de l'énoncé : elle donne une valeur exacte rationnelle.

6. Méthode : une droite est parallèle à un plan si et seulement si son vecteur directeur est orthogonal à un vecteur normal du plan ; sinon, elle le coupe en un point.

Un vecteur directeur de dd se lit sur les coefficients de kk : w⃗(−2 ;−3 ;1)\vec{w}(-2\,;-3\,;1). Avec le vecteur normal n⃗(2 ;−1 ;1)\vec{n}(2\,;-1\,;1) de (ABC) : n⃗⋅w⃗=2×(−2)+(−1)×(−3)+1×1=−4+3+1=0\vec{n}\cdot\vec{w}=2\times(-2)+(-1)\times(-3)+1\times 1=-4+3+1=0.

Les vecteurs sont orthogonaux : la droite dd est parallèle au plan (ABC). Pour préciser, le point de dd obtenu pour k=0k=0, (1 ;0 ;1)(1\,;0\,;1), vérifie 2×1−0+1+1=4≠02\times 1-0+1+1=4\neq 0 : il n'appartient pas au plan. La droite dd est donc strictement parallèle au plan (ABC), sans aucun point commun.

Vérification par le calcul direct : en reportant la représentation de dd dans l'équation du plan, 2(1−2k)−(−3k)+(1+k)+1=4+0×k=42(1-2k)-(-3k)+(1+k)+1=4+0\times k=4, qui ne s'annule pour aucun kk : l'équation n'a pas de solution. Piège : conclure « sécants » parce que w⃗\vec{w} n'est pas colinéaire à n⃗\vec{n} ; la non-colinéarité au vecteur normal dit seulement que dd n'est pas ORTHOGONALE au plan.

Exercice 4 : Vrai ou faux : dénombrement, aire sous une parabole, intégration par parties, équation différentielle et suite

5 points Primitives et intégrationCombinatoire et dénombrementLes équations différentiellesLimites et continuité

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. Soient EE et FF les ensembles E={1 ;2 ;3 ;4 ;5 ;6 ;7}E=\{1\,;2\,;3\,;4\,;5\,;6\,;7\} et F={0 ;1 ;2 ;3 ;4 ;5 ;6 ;7 ;8 ;9}F=\{0\,;1\,;2\,;3\,;4\,;5\,;6\,;7\,;8\,;9\}.
    Affirmation n° 1 : Il y a davantage de 3-uplets d'éléments distincts de EE que de combinaisons à 4 éléments de FF.
  • Repère orthonormé gradué de -4 à 3 en abscisse et de 0 à 9 en ordonnée. La parabole rouge d'équation y = x² passe par l'origine A. Le carré bleu ABCD a pour sommets A(0 ; 0), B(3 ; 0), C(3 ; 3) et D(0 ; 3). La zone hachurée est comprise entre la parabole, l'axe des abscisses et la droite verticale x = 3 : elle monte jusqu'au point (3 ; 9).
  • 2. Dans le repère orthonormé ci-contre, on a représenté la fonction carré, notée ff, ainsi que le carré ABCD de côté 3.
    Affirmation n° 2 : La zone hachurée et le carré ABCD ont la même aire.
  • 3. On considère l'intégrale JJ ci-dessous : J=∫12xln⁡(x) dxJ=\displaystyle\int_{1}^{2}x\ln(x)\,\mathrm{d}x.
    Affirmation n° 3 : Une intégration par parties permet d'obtenir : J=711J=\dfrac{7}{11}.
  • 4. Sur R\mathbb{R}, on considère l'équation différentielle (E) : y′=2y−ex(E)\,:\ y'=2y-\mathrm{e}^{x}.
    Affirmation n° 4 : La fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ex+e2xf(x)=\mathrm{e}^{x}+\mathrm{e}^{2x} est solution de l'équation différentielle (E)(E).
  • 5. Soit xx donné dans [0 ;1[[0\,;1[. On considère la suite (un)(u_{n}) définie pour tout entier naturel nn par : un=(x−1)en+cos⁡(n)u_{n}=(x-1)\mathrm{e}^{n}+\cos(n).
    Affirmation n° 5 : La suite (un)(u_{n}) diverge vers −∞-\infty.

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Réponses

  • 1 Faux : 7×6×5=2107\times 6\times 5=210 et (104)=210\dbinom{10}{4}=210, il y en a autant
  • 2 Vrai : ∫03x2 dx=9=32\displaystyle\int_{0}^{3}x^{2}\,\mathrm{d}x=9=3^{2}
  • 3 Faux : J=2ln⁡2−34≈0,636 29J=2\ln 2-\dfrac{3}{4}\approx 0{,}636\,29, alors que 711≈0,636 36\dfrac{7}{11}\approx 0{,}636\,36
  • 4 Vrai : f′(x)=ex+2e2x=2f(x)−exf'(x)=\mathrm{e}^{x}+2\mathrm{e}^{2x}=2f(x)-\mathrm{e}^{x}
  • 5 Vrai : x−1<0x-1<0 donne (x−1)en→−∞(x-1)\mathrm{e}^{n}\to-\infty, et un⩽(x−1)en+1u_{n}\leqslant(x-1)\mathrm{e}^{n}+1

1. Méthode : on dénombre les deux ensembles séparément. Un 33-uplet d'éléments distincts de EE est une liste ORDONNÉE sans répétition, un arrangement ; une combinaison à 44 éléments de FF est une partie de FF, sans ordre.

EE a 77 éléments. Le nombre de 33-uplets d'éléments distincts de EE est 7×6×5=7!4!=2107\times 6\times 5=\dfrac{7!}{4!}=210 : 77 choix pour le premier terme, 66 pour le deuxième, 55 pour le troisième.

FF a 1010 éléments, de 00 à 99. Le nombre de combinaisons à 44 éléments de FF est (104)=10×9×8×74×3×2×1=5 04024=210\dbinom{10}{4}=\dfrac{10\times 9\times 8\times 7}{4\times 3\times 2\times 1}=\dfrac{5\,040}{24}=210.

Les deux nombres sont égaux : il n'y a pas DAVANTAGE de 33-uplets que de combinaisons. L'affirmation 1 est FAUSSE.

Pièges : compter 99 éléments dans FF en oubliant le 00, ce qui donne (94)=126\binom{9}{4}=126 et ferait conclure à tort « vrai » ; compter 73=3437^{3}=343 listes en oubliant que les éléments sont distincts ; et, surtout, répondre « vrai » ou « faux » sans avoir les deux nombres exacts, l'affirmation se jouant précisément sur leur égalité.

2. Méthode : la zone hachurée est le domaine compris entre la courbe de la fonction carré, l'axe des abscisses et les droites d'équations x=0x=0 et x=3x=3. La fonction f:x↦x2f:x\mapsto x^{2} étant continue et positive sur [0 ;3][0\,;3], son aire, en unités d'aire, est l'intégrale ∫03x2 dx\displaystyle\int_{0}^{3}x^{2}\,\mathrm{d}x.

Une primitive de x↦x2x\mapsto x^{2} est x↦x33x\mapsto\dfrac{x^{3}}{3}, donc ∫03x2 dx=[x33]03=273−0=9\displaystyle\int_{0}^{3}x^{2}\,\mathrm{d}x=\left[\dfrac{x^{3}}{3}\right]_{0}^{3}=\dfrac{27}{3}-0=9.

Le carré ABCD de côté 33 a pour aire 32=93^{2}=9, dans le même repère orthonormé, donc en la même unité d'aire. Les deux aires sont égales : l'affirmation 2 est VRAIE.

Vérification : le rectangle de base [0 ;3][0\,;3] et de hauteur 99 a pour aire 2727, et l'aire sous la parabole en est le tiers, résultat classique. Piège : croire, en regardant la figure, que la zone hachurée s'arrête au carré ; elle monte jusqu'au point (3 ;9)(3\,;9) de la parabole, et c'est sa partie haute, étroite, qui compense ce qui manque à gauche.

3. Méthode : intégration par parties, ∫abu(x)v′(x) dx=[u(x)v(x)]ab−∫abu′(x)v(x) dx\displaystyle\int_{a}^{b}u(x)v'(x)\,\mathrm{d}x=\big[u(x)v(x)\big]_{a}^{b}-\int_{a}^{b}u'(x)v(x)\,\mathrm{d}x, avec uu et vv dérivables à dérivées continues sur [1 ;2][1\,;2]. On dérive le logarithme, qu'on ne sait pas intégrer directement : u(x)=ln⁡xu(x)=\ln x, u′(x)=1xu'(x)=\dfrac{1}{x}, et v′(x)=xv'(x)=x, v(x)=x22v(x)=\dfrac{x^{2}}{2}.

J=[x22ln⁡x]12−∫121x×x22 dx=(2ln⁡2−12ln⁡1)−∫12x2 dx=2ln⁡2−[x24]12=2ln⁡2−(1−14)=2ln⁡2−34J=\left[\dfrac{x^{2}}{2}\ln x\right]_{1}^{2}-\displaystyle\int_{1}^{2}\dfrac{1}{x}\times\dfrac{x^{2}}{2}\,\mathrm{d}x=\left(2\ln 2-\dfrac{1}{2}\ln 1\right)-\int_{1}^{2}\dfrac{x}{2}\,\mathrm{d}x=2\ln 2-\left[\dfrac{x^{2}}{4}\right]_{1}^{2}=2\ln 2-\left(1-\dfrac{1}{4}\right)=2\ln 2-\dfrac{3}{4}.

Comparaison avec 711\dfrac{7}{11} : à la calculatrice, 2ln⁡2−34≈0,636 2942\ln 2-\dfrac{3}{4}\approx 0{,}636\,294 et 711≈0,636 364\dfrac{7}{11}\approx 0{,}636\,364. Les deux nombres diffèrent dès la cinquième décimale, d'environ 7×10−57\times 10^{-5}, très au-dessus de la précision de la calculatrice : J≠711J\neq\dfrac{7}{11}. L'affirmation 3 est FAUSSE.

Une autre façon de conclure, sans valeur approchée de JJ : si l'on avait 2ln⁡2−34=7112\ln 2-\dfrac{3}{4}=\dfrac{7}{11}, on aurait ln⁡2=6188\ln 2=\dfrac{61}{88}, c'est-à-dire e61/88=2\mathrm{e}^{61/88}=2 ; or la calculatrice donne e61/88≈2,000 07\mathrm{e}^{61/88}\approx 2{,}000\,07.

C'est le piège de la question : les deux valeurs arrondies au millième, 0,6360{,}636, sont les mêmes, et un élève qui compare des arrondis conclut « vrai ». Une égalité se vérifie sur les valeurs exactes, ou sur des valeurs approchées assez précises pour séparer les deux nombres. Autre erreur : le mauvais choix des rôles, u(x)=xu(x)=x et v′(x)=ln⁡xv'(x)=\ln x, qui demande une primitive de ln⁡\ln et ne mène nulle part par cette voie.

4. Méthode : une fonction ff dérivable sur R\mathbb{R} est solution de (E)(E) si et seulement si, pour tout réel xx, f′(x)=2f(x)−exf'(x)=2f(x)-\mathrm{e}^{x}. On calcule séparément les deux membres.

Dérivée : (e2x)′=2e2x(\mathrm{e}^{2x})'=2\mathrm{e}^{2x} (dérivée de eax\mathrm{e}^{ax}, qui est aeaxa\mathrm{e}^{ax}), donc f′(x)=ex+2e2xf'(x)=\mathrm{e}^{x}+2\mathrm{e}^{2x}.

Second membre : 2f(x)−ex=2ex+2e2x−ex=ex+2e2x2f(x)-\mathrm{e}^{x}=2\mathrm{e}^{x}+2\mathrm{e}^{2x}-\mathrm{e}^{x}=\mathrm{e}^{x}+2\mathrm{e}^{2x}.

Les deux expressions sont égales pour tout réel xx : ff est solution de (E)(E). L'affirmation 4 est VRAIE.

Pour aller plus loin : la fonction x↦exx\mapsto\mathrm{e}^{x} est une solution particulière de (E)(E), puisque ex=2ex−ex\mathrm{e}^{x}=2\mathrm{e}^{x}-\mathrm{e}^{x}, et les solutions de y′=2yy'=2y sont les x↦Ce2xx\mapsto C\mathrm{e}^{2x}. Les solutions de (E)(E) sont donc les fonctions x↦ex+Ce2xx\mapsto\mathrm{e}^{x}+C\mathrm{e}^{2x} ; ff correspond à C=1C=1. Piège : dériver e2x\mathrm{e}^{2x} en e2x\mathrm{e}^{2x}, en oubliant le facteur 22, ce qui ferait conclure « faux ».

5. Méthode : théorème de comparaison. Si un⩽vnu_{n}\leqslant v_{n} à partir d'un certain rang et si lim⁡n→+∞vn=−∞\lim_{n\to+\infty}v_{n}=-\infty, alors lim⁡n→+∞un=−∞\lim_{n\to+\infty}u_{n}=-\infty.

Comme x∈[0 ;1[x\in[0\,;1[, on a x<1x<1, donc x−1<0x-1<0 : c'est une constante strictement négative (comprise entre −1-1 et 00). Comme lim⁡n→+∞en=+∞\lim_{n\to+\infty}\mathrm{e}^{n}=+\infty, on obtient par produit lim⁡n→+∞(x−1)en=−∞\lim_{n\to+\infty}(x-1)\mathrm{e}^{n}=-\infty.

Pour tout entier naturel nn, cos⁡(n)⩽1\cos(n)\leqslant 1, donc un=(x−1)en+cos⁡(n)⩽(x−1)en+1=vnu_{n}=(x-1)\mathrm{e}^{n}+\cos(n)\leqslant(x-1)\mathrm{e}^{n}+1=v_{n}, et lim⁡n→+∞vn=−∞\lim_{n\to+\infty}v_{n}=-\infty par somme. Par comparaison, lim⁡n→+∞un=−∞\lim_{n\to+\infty}u_{n}=-\infty : la suite diverge vers −∞-\infty. L'affirmation 5 est VRAIE.

Pièges : invoquer une « limite de cos⁡(n)\cos(n) », qui n'existe pas ; ce n'est pas un obstacle, la majoration cos⁡(n)⩽1\cos(n)\leqslant 1 suffit, car le terme borné ne pèse rien devant en\mathrm{e}^{n}. Et ne pas exploiter l'hypothèse x∈[0 ;1[x\in[0\,;1[ : elle sert exactement à garantir x−1<0x-1<0. Pour x=1x=1, on aurait un=cos⁡(n)u_{n}=\cos(n), suite bornée qui ne tend pas vers −∞-\infty.

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