Spécialité maths, Terminale • Annales du bac 2026 corrigées à Montréal

Bac 2026 de spécialité maths, Amérique du Nord jour 1 : sujet officiel et corrigé

Sujet officiel du baccalauréat

Spécialité mathématiques, session 2026 : Amérique du Nord, jour 1

Épreuve du mercredi 20 mai 2026 • 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 2026 →

Voici le sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2026, centre Amérique du Nord, jour 1 : mercredi 20 mai 2026, quatre heures, calculatrice en mode examen autorisée. Il compte quatre exercices indépendants notés sur 20 points, 6, 4, 5 et 5 points. L'énoncé est reproduit à l'identique, figures comprises, 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 à trois branches, formule des probabilités totales, probabilité inversée), la loi binomiale et l'événement « au moins un » avec un seuil par le logarithme, puis sur la loi d'une variable aléatoire, son espérance, sa variance et l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev. L'exercice 2 étudie une suite récurrente un+1=h(un)u_{n+1}=h(u_{n}) : raisonnement par récurrence avec une fonction croissante, théorème de convergence monotone, limite par point fixe, algorithme de seuil en Python, puis une équation différentielle y′=ay+by'=ay+b. L'exercice 3 est de la géométrie dans l'espace sur une pyramide : produit scalaire et angle, vecteur normal, équation cartésienne d'un plan, projeté orthogonal et distance d'un point à un plan, retrouvée par un calcul de volumes. L'exercice 4 étudie une fonction avec logarithme népérien : limites et croissance comparée, dérivée de ln⁡u\ln u, variations, convexité par la dérivée seconde, point d'inflexion et position de la courbe par rapport à une tangente.

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 donnée « 12 %12\,\% des abonnés ont choisi Famille ET l'option » de l'exercice 1, qui est une intersection et non une branche de l'arbre ; le terme u9u_{9} qui tombe exactement sur 2,22{,}2 à la question 3.b de l'exercice 2, si bien que le programme renvoie 1010 et non 99 ; et la conjecture de convexité de l'exercice 4, que la dérivée seconde rejette sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1], une partie de la courbe que le graphique ne montre pas.

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 : abonnements à une plateforme musicale, loi binomiale et Bienaymé-Tchebychev

6 points Arbres pondérés et probabilités totalesLoi binomiale et concentrationSommes de variables aléatoires et concentrationLes variables aléatoires

Une plateforme de diffusion musicale propose trois types d'abonnements : « Étudiant », « Classique » et « Famille ». Elle propose également une option « Écoute hors-ligne » qu'on peut activer pour chaque type d'abonnement et qui permet de télécharger de la musique.

Une étude statistique menée sur les abonnés a permis d'établir que :
• 25 %25\,\% des abonnés ont choisi l'abonnement « Étudiant » et 15 %15\,\% ont choisi l'abonnement « Famille » ;
• 45 %45\,\% des abonnés « Étudiant » ont activé l'option « Écoute hors-ligne » ;
• 30 %30\,\% des abonnés « Classique » ont activé l'option « Écoute hors-ligne » ;
• 12 %12\,\% des abonnés ont choisi l'abonnement « Famille » et ont activé l'option « Écoute hors-ligne ».

On prélève au hasard le profil d'un abonné et on considère les évènements suivants :
• EE : l'abonné a choisi l'abonnement « Étudiant » ;
• CC : l'abonné a choisi l'abonnement « Classique » ;
• FF : l'abonné a choisi l'abonnement « Famille » ;
• HH : l'abonné a activé l'option « Écoute hors-ligne ».

  • Partie A
  • A.1. Recopier l'arbre de probabilités suivant, en complétant les pointillés :
  • Arbre de probabilités. La racine mène à trois nœuds, E, C et F, chacune de ces trois branches portant des pointillés. Les nœuds E et C mènent chacun à H et à H barre, sur des branches qui portent des pointillés. Les deux branches issues de F, vers H et vers H barre, ne portent rien : sept pointillés en tout.
  • A.2. Calculer la valeur exacte de P(E∩H)P(E\cap H).
  • A.3. Démontrer que la probabilité qu'un abonné ait activé l'option « Écoute hors-ligne » est de 0,412 50{,}412\,5.
  • A.4. Un abonné a activé l'option « Écoute hors-ligne ». Déterminer la probabilité qu'il ait choisi l'abonnement « Étudiant ». On arrondira le résultat au millième.
  • Partie B
  • On choisit huit abonnés de cette plateforme, au hasard et de manière indépendante. On considère qu'il y a suffisamment d'abonnés pour que ce choix soit assimilé à un tirage avec remise.
  • On rappelle que la probabilité qu'un abonné ait activé l'option « Écoute hors-ligne » est de 0,412 50{,}412\,5.
  • On note XX la variable aléatoire donnant le nombre d'abonnés ayant activé l'option « Écoute hors-ligne ».
  • B.1. On admet que la variable aléatoire XX suit une loi binomiale. Préciser ses paramètres.
  • B.2. Calculer la probabilité qu'aucun de ces huit abonnés n'ait activé l'option « Écoute hors-ligne ». On arrondira le résultat au millième.
  • 3. Dans cette question, nn est un entier naturel non nul.
  • On s'intéresse à un échantillon de nn abonnés, qu'on assimile à un tirage avec remise.
  • On note qnq_{n} la probabilité qu'au moins un abonné de cet échantillon ait activé l'option « Écoute hors-ligne ».
  • B.3.a. Démontrer que, pour tout nn entier naturel non nul, qn=1−0,587 5nq_{n}=1-0{,}587\,5^{n}.
  • B.3.b. Déterminer la plus petite valeur de nn telle que la probabilité qu'au moins un abonné de l'échantillon ait activé l'option « Écoute hors-ligne » soit supérieure ou égale à 99,9 %99{,}9\,\%.
  • Partie C
  • La plateforme propose les tarifs mensuels suivants :
    • Abonnement « Étudiant » : 5 euros par mois ;
    • Abonnement « Classique » : 10 euros par mois ;
    • Abonnement « Famille » : 16 euros par mois ;
    • Option « Écoute hors-ligne » : 2 euros de plus par mois, quel que soit l'abonnement choisi.
  • On note YY la variable aléatoire égale au montant payé mensuellement par un abonné.
  • C.1. Donner les six valeurs possibles prises par la variable aléatoire YY.
  • C.2. Dresser le tableau décrivant la loi de probabilité de la variable aléatoire YY.
  • C.3. Démontrer que l'espérance mathématique de la variable aléatoire YY vaut 10,47510{,}475 et interpréter ce résultat dans le contexte.
  • C.4. À l'aide de la calculatrice, donner la variance de la variable aléatoire YY, arrondie au centième.
  • 5. Une plateforme vidéo propose les mêmes types d'abonnements. On note ZZ la variable aléatoire égale au montant payé mensuellement par un abonné à cette plateforme vidéo.
  • On admet que l'espérance de la variable aléatoire ZZ vaut 99 et son écart-type 22.
  • C.5.a. Calculer la variance de la variable aléatoire ZZ.
  • C.5.b. Un responsable affirme que, si on interroge un abonné de cette plateforme vidéo au hasard, il y a au moins 50 %50\,\% de chances pour que le prix de son abonnement soit strictement compris entre 6 et 12 euros.
    Justifier cette affirmation.

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A.1
A.2
A.4
B.1
B.2
B.3.b
C.2
C.4
C.5.a
C.5.b
Voir la correction

Réponses

  • A.1 P(E)=0,25P(E)=0{,}25, P(C)=0,6P(C)=0{,}6, P(F)=0,15P(F)=0{,}15 ; PE(H)=0,45P_{E}(H)=0{,}45, PE(H‾)=0,55P_{E}(\overline{H})=0{,}55 ; PC(H)=0,3P_{C}(H)=0{,}3, PC(H‾)=0,7P_{C}(\overline{H})=0{,}7
  • A.2 P(E∩H)=0,25×0,45=0,112 5P(E\cap H)=0{,}25\times 0{,}45=0{,}112\,5
  • A.3 P(H)=0,112 5+0,18+0,12=0,412 5P(H)=0{,}112\,5+0{,}18+0{,}12=0{,}412\,5 (probabilités totales, partition EE, CC, FF)
  • A.4 PH(E)=0,112 50,412 5=311≈0,273P_{H}(E)=\dfrac{0{,}112\,5}{0{,}412\,5}=\dfrac{3}{11}\approx 0{,}273
  • B.1 XX suit la loi binomiale B(8 ;0,412 5)\mathcal{B}(8\,;0{,}412\,5)
  • B.2 P(X=0)=0,587 58≈0,014P(X=0)=0{,}587\,5^{8}\approx 0{,}014
  • B.3.a qn=1−P(aucun)=1−0,587 5nq_{n}=1-P(\text{aucun})=1-0{,}587\,5^{n}
  • B.3.b n=13n=13 (q12≈0,998 3q_{12}\approx 0{,}998\,3 ; q13≈0,999 0q_{13}\approx 0{,}999\,0)
  • C.1 55 ; 77 ; 1010 ; 1212 ; 1616 ; 1818 (en euros)
  • C.2 P(Y=5)=0,137 5P(Y=5)=0{,}137\,5 ; P(Y=7)=0,112 5P(Y=7)=0{,}112\,5 ; P(Y=10)=0,42P(Y=10)=0{,}42 ; P(Y=12)=0,18P(Y=12)=0{,}18 ; P(Y=16)=0,03P(Y=16)=0{,}03 ; P(Y=18)=0,12P(Y=18)=0{,}12
  • C.3 E(Y)=10,475\mathrm{E}(Y)=10{,}475 : en moyenne, un abonné paie environ 10,4810{,}48 euros par mois
  • C.4 V(Y)=13,704 375≈13,70\mathrm{V}(Y)=13{,}704\,375\approx 13{,}70
  • C.5.a V(Z)=22=4\mathrm{V}(Z)=2^{2}=4
  • C.5.b Bienaymé-Tchebychev avec δ=3\delta=3 : P(6<Z<12)⩾1−49=59≈0,56⩾0,5P(6<Z<12)\geqslant 1-\dfrac{4}{9}=\dfrac{5}{9}\approx 0{,}56\geqslant 0{,}5 ; l'affirmation est justifiée

A.1. Premier niveau de l'arbre : chaque abonné a choisi un et un seul des trois abonnements, donc EE, CC et FF forment une partition de l'ensemble des abonnés, et la somme des probabilités issues de la racine vaut 11. L'énoncé donne P(E)=0,25P(E)=0{,}25 et P(F)=0,15P(F)=0{,}15, d'où P(C)=1−0,25−0,15=0,6P(C)=1-0{,}25-0{,}15=0{,}6.

Second niveau : les branches issues d'un nœud portent des probabilités CONDITIONNELLES. « 45 %45\,\% des abonnés Étudiant ont activé l'option » donne PE(H)=0,45P_{E}(H)=0{,}45, d'où PE(H‾)=1−0,45=0,55P_{E}(\overline{H})=1-0{,}45=0{,}55. De même, « 30 %30\,\% des abonnés Classique » donne PC(H)=0,3P_{C}(H)=0{,}3 et PC(H‾)=1−0,3=0,7P_{C}(\overline{H})=1-0{,}3=0{,}7.

Les sept pointillés valent donc : sur les branches issues de la racine, P(E)=0,25P(E)=0{,}25, P(C)=0,6P(C)=0{,}6 et P(F)=0,15P(F)=0{,}15 ; sur les branches issues de EE, 0,450{,}45 vers HH et 0,550{,}55 vers H‾\overline{H} ; sur les branches issues de CC, 0,30{,}3 vers HH et 0,70{,}7 vers H‾\overline{H}. Contrôle : 0,25+0,6+0,15=10{,}25+0{,}6+0{,}15=1, 0,45+0,55=10{,}45+0{,}55=1 et 0,3+0,7=10{,}3+0{,}7=1.

Le piège de l'énoncé est la quatrième donnée. « 12 %12\,\% des abonnés ont choisi l'abonnement Famille ET ont activé l'option » porte sur TOUS les abonnés : c'est une probabilité d'intersection, P(F∩H)=0,12P(F\cap H)=0{,}12, et non la probabilité conditionnelle PF(H)P_{F}(H). Elle ne s'écrit sur aucune branche, et c'est pour cela que le sujet laisse vides les branches issues de FF. Écrire 0,120{,}12 sur la branche de FF vers HH est l'erreur classique, et elle fausse toute la suite. L'arbre complété, avec PF(H)=0,120,15=0,8P_{F}(H)=\dfrac{0{,}12}{0{,}15}=0{,}8 et les probabilités des six chemins, figure en fin de corrigé.

A.2. Formule des probabilités composées, lue sur le chemin qui passe par EE puis par HH : P(E∩H)=P(E)×PE(H)=0,25×0,45=0,112 5P(E\cap H)=P(E)\times P_{E}(H)=0{,}25\times 0{,}45=0{,}112\,5.

La valeur exacte est demandée : on écrit 0,112 50{,}112\,5, sans arrondi. Contrôle : une intersection est plus petite que chacun des deux événements, et 0,112 5⩽P(E)=0,250{,}112\,5\leqslant P(E)=0{,}25. Erreur fréquente : répondre 0,450{,}45, qui est la probabilité d'activer l'option SACHANT que l'abonné est étudiant, pas celle de « étudiant ET option ».

A.3. Formule des probabilités totales, avec la partition {E ;C ;F}\{E\,;C\,;F\} : P(H)=P(E∩H)+P(C∩H)+P(F∩H)P(H)=P(E\cap H)+P(C\cap H)+P(F\cap H).

On a P(E∩H)=0,112 5P(E\cap H)=0{,}112\,5 (question A.2), P(C∩H)=P(C)×PC(H)=0,6×0,3=0,18P(C\cap H)=P(C)\times P_{C}(H)=0{,}6\times 0{,}3=0{,}18, et P(F∩H)=0,12P(F\cap H)=0{,}12, donné directement par l'énoncé. Donc P(H)=0,112 5+0,18+0,12=0,412 5P(H)=0{,}112\,5+0{,}18+0{,}12=0{,}412\,5, ce qu'il fallait démontrer.

La rédaction attendue nomme la formule et la partition utilisée. Le piège est encore la donnée sur la famille : multiplier 0,15×0,12=0,0180{,}15\times 0{,}12=0{,}018, comme si 0,120{,}12 était PF(H)P_{F}(H), donnerait P(H)=0,310 5P(H)=0{,}310\,5. Quand le résultat est donné dans l'énoncé, un écart de ce genre doit alerter : c'est une donnée mal lue, pas une erreur de calcul.

A.4. On sait que l'abonné a activé l'option : on cherche une probabilité conditionnée par HH, soit PH(E)P_{H}(E). L'arbre commence par l'abonnement, la question part de l'option : on revient à la définition d'une probabilité conditionnelle (démarche de la formule de Bayes).

PH(E)=P(E∩H)P(H)=0,112 50,412 5=1 1254 125=311≈0,272 7P_{H}(E)=\dfrac{P(E\cap H)}{P(H)}=\dfrac{0{,}112\,5}{0{,}412\,5}=\dfrac{1\,125}{4\,125}=\dfrac{3}{11}\approx 0{,}272\,7, soit 0,2730{,}273 arrondi au millième. Parmi les abonnés qui ont activé l'option, environ 27,3 %27{,}3\,\% ont un abonnement Étudiant.

Vérification de cohérence : PH(E)≈0,273P_{H}(E)\approx 0{,}273 est un peu plus grand que P(E)=0,25P(E)=0{,}25, ce qui est logique puisque les étudiants activent l'option plus souvent que la moyenne (0,45>0,412 50{,}45>0{,}412\,5). Erreur fréquente : confondre PH(E)P_{H}(E) et PE(H)=0,45P_{E}(H)=0{,}45 ; le dénominateur est toujours la probabilité de l'événement que l'on SAIT réalisé, ici HH.

B.1. On répète 88 fois, de manière indépendante (tirage assimilé à un tirage avec remise), la même épreuve de Bernoulli : choisir un abonné et regarder s'il a activé l'option. Le succès est « l'abonné a activé l'option Écoute hors-ligne », de probabilité p=P(H)=0,412 5p=P(H)=0{,}412\,5. La variable XX compte le nombre de succès : elle suit la loi binomiale de paramètres n=8n=8 et p=0,412 5p=0{,}412\,5, notée B(8 ;0,412 5)\mathcal{B}(8\,;0{,}412\,5).

Les deux paramètres doivent être nommés, et le succès défini. Erreur fréquente : donner p=0,45p=0{,}45 ou p=0,3p=0{,}3, qui sont des probabilités conditionnelles d'une seule catégorie d'abonnés.

B.2. « Aucun abonné n'a activé l'option » est l'événement {X=0}\{X=0\}. Par la formule de la loi binomiale, P(X=0)=(80)×0,412 50×(1−0,412 5)8=0,587 58≈0,014 19P(X=0)=\binom{8}{0}\times 0{,}412\,5^{0}\times(1-0{,}412\,5)^{8}=0{,}587\,5^{8}\approx 0{,}014\,19, soit 0,0140{,}014 arrondi au millième.

Vérification : il est très improbable qu'aucun des huit n'ait l'option, alors que 41 %41\,\% des abonnés l'ont activée, et 0,0140{,}014 est bien petit. Erreurs fréquentes : calculer 0,412 580{,}412\,5^{8}, qui est la probabilité que les huit aient l'option, ou 1−0,412 581-0{,}412\,5^{8}.

B.3.a. On note XnX_{n} le nombre d'abonnés de l'échantillon ayant activé l'option ; comme en B.1, XnX_{n} suit la loi binomiale B(n ;0,412 5)\mathcal{B}(n\,;0{,}412\,5). L'événement « au moins un abonné a activé l'option » est l'événement CONTRAIRE de « aucun abonné n'a activé l'option », c'est-à-dire de {Xn=0}\{X_{n}=0\}.

Donc qn=P(Xn⩾1)=1−P(Xn=0)=1−(1−0,412 5)n=1−0,587 5nq_{n}=P(X_{n}\geqslant 1)=1-P(X_{n}=0)=1-(1-0{,}412\,5)^{n}=1-0{,}587\,5^{n}, pour tout entier naturel nn non nul.

« Au moins un » appelle presque toujours l'événement contraire. Le calcul direct, P(Xn=1)+P(Xn=2)+⋯+P(Xn=n)P(X_{n}=1)+P(X_{n}=2)+\cdots+P(X_{n}=n), est possible mais ne mène pas à la forme demandée.

B.3.b. On cherche le plus petit entier nn tel que qn⩾0,999q_{n}\geqslant 0{,}999. Or qn⩾0,999  ⟺  1−0,587 5n⩾0,999  ⟺  0,587 5n⩽0,001q_{n}\geqslant 0{,}999\iff 1-0{,}587\,5^{n}\geqslant 0{,}999\iff 0{,}587\,5^{n}\leqslant 0{,}001.

La fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, donc 0,587 5n⩽0,001  ⟺  nln⁡(0,587 5)⩽ln⁡(0,001)0{,}587\,5^{n}\leqslant 0{,}001\iff n\ln(0{,}587\,5)\leqslant\ln(0{,}001). Comme 0<0,587 5<10<0{,}587\,5<1, ln⁡(0,587 5)<0\ln(0{,}587\,5)<0, et diviser par ce nombre NÉGATIF renverse l'inégalité : n⩾ln⁡(0,001)ln⁡(0,587 5)≈12,99n\geqslant\dfrac{\ln(0{,}001)}{\ln(0{,}587\,5)}\approx 12{,}99. Le plus petit entier qui convient est n=13n=13.

Vérification aux bords, à la calculatrice : q12=1−0,587 512≈0,998 3<0,999q_{12}=1-0{,}587\,5^{12}\approx 0{,}998\,3<0{,}999 et q13=1−0,587 513≈0,999 0⩾0,999q_{13}=1-0{,}587\,5^{13}\approx 0{,}999\,0\geqslant 0{,}999. L'écart est mince : avec un tableau de valeurs, il faut au moins quatre décimales pour trancher entre 1212 et 1313.

Deux pièges : oublier de renverser l'inégalité, ce qui conduirait à « n⩽12,99n\leqslant 12{,}99 » et à une absurdité ; et arrondir 12,9912{,}99 à 1212 au lieu de prendre l'entier immédiatement supérieur.

C.1. Le montant mensuel est le prix de l'abonnement, augmenté de 22 euros si l'option est activée. Les six valeurs possibles de YY sont donc, en euros : 55 et 77 (Étudiant, sans puis avec l'option), 1010 et 1212 (Classique), 1616 et 1818 (Famille).

C.2. Chaque valeur de YY correspond à une intersection, donc à un chemin de l'arbre. P(Y=5)=P(E∩H‾)=0,25×0,55=0,137 5P(Y=5)=P(E\cap\overline{H})=0{,}25\times 0{,}55=0{,}137\,5 ; P(Y=7)=P(E∩H)=0,112 5P(Y=7)=P(E\cap H)=0{,}112\,5 ; P(Y=10)=P(C∩H‾)=0,6×0,7=0,42P(Y=10)=P(C\cap\overline{H})=0{,}6\times 0{,}7=0{,}42 ; P(Y=12)=P(C∩H)=0,18P(Y=12)=P(C\cap H)=0{,}18.

Pour l'abonnement Famille, les branches issues de FF ne sont pas données : on passe par la donnée de l'énoncé. P(Y=18)=P(F∩H)=0,12P(Y=18)=P(F\cap H)=0{,}12, et, comme FF est la réunion disjointe de F∩HF\cap H et de F∩H‾F\cap\overline{H}, P(Y=16)=P(F∩H‾)=P(F)−P(F∩H)=0,15−0,12=0,03P(Y=16)=P(F\cap\overline{H})=P(F)-P(F\cap H)=0{,}15-0{,}12=0{,}03. Le tableau de la loi de YY figure en fin de corrigé.

Contrôle indispensable : 0,137 5+0,112 5+0,42+0,18+0,03+0,12=10{,}137\,5+0{,}112\,5+0{,}42+0{,}18+0{,}03+0{,}12=1. Une loi dont la somme n'est pas 11 trahit une branche mal lue, presque toujours celle de la famille.

C.3. Par définition de l'espérance : E(Y)=5×0,137 5+7×0,112 5+10×0,42+12×0,18+16×0,03+18×0,12\mathrm{E}(Y)=5\times 0{,}137\,5+7\times 0{,}112\,5+10\times 0{,}42+12\times 0{,}18+16\times 0{,}03+18\times 0{,}12, soit E(Y)=0,687 5+0,787 5+4,2+2,16+0,48+2,16=10,475\mathrm{E}(Y)=0{,}687\,5+0{,}787\,5+4{,}2+2{,}16+0{,}48+2{,}16=10{,}475.

Vérification par une autre voie : YY est la somme du prix de l'abonnement, d'espérance 5×0,25+10×0,6+16×0,15=9,655\times 0{,}25+10\times 0{,}6+16\times 0{,}15=9{,}65, et de 22 euros si l'option est activée, d'espérance 2×P(H)=2×0,412 5=0,8252\times P(H)=2\times 0{,}412\,5=0{,}825. Par linéarité, E(Y)=9,65+0,825=10,475\mathrm{E}(Y)=9{,}65+0{,}825=10{,}475.

Interprétation : sur un grand nombre d'abonnés, le montant mensuel moyen payé par abonné est d'environ 10,4810{,}48 euros. Ce n'est pas un montant que paie un abonné, aucune formule ne coûte 10,47510{,}475 euros : c'est une MOYENNE, utile par exemple pour estimer la recette mensuelle de la plateforme, environ 10,4810{,}48 euros multipliés par le nombre d'abonnés.

C.4. À la calculatrice, on entre les valeurs de YY dans une liste et leurs probabilités dans une autre, puis on lance les statistiques à une variable avec la seconde liste comme effectifs. La calculatrice affiche xˉ=10,475\bar{x}=10{,}475, ce qui contrôle la saisie, et l'écart-type σx≈3,701 9\sigma_{x}\approx 3{,}701\,9. La variance est son carré : V(Y)=σ2≈13,70\mathrm{V}(Y)=\sigma^{2}\approx 13{,}70.

Le calcul par la formule de König-Huygens donne la même valeur : E(Y2)=25×0,137 5+49×0,112 5+100×0,42+144×0,18+256×0,03+324×0,12=123,43\mathrm{E}(Y^{2})=25\times 0{,}137\,5+49\times 0{,}112\,5+100\times 0{,}42+144\times 0{,}18+256\times 0{,}03+324\times 0{,}12=123{,}43, et V(Y)=123,43−10,4752=123,43−109,725 625=13,704 375≈13,70\mathrm{V}(Y)=123{,}43-10{,}475^{2}=123{,}43-109{,}725\,625=13{,}704\,375\approx 13{,}70.

Erreur fréquente : recopier l'écart-type 3,703{,}70 que la calculatrice affiche, au lieu de la variance. La calculatrice ne donne pas toujours la variance directement : on élève σx\sigma_{x} au carré.

C.5.a. La variance est le carré de l'écart-type : V(Z)=σ(Z)2=22=4\mathrm{V}(Z)=\sigma(Z)^{2}=2^{2}=4.

C.5.b. On utilise l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev : pour tout réel δ>0\delta>0, P(∣Z−E(Z)∣⩾δ)⩽V(Z)δ2P\left(\left|Z-\mathrm{E}(Z)\right|\geqslant\delta\right)\leqslant\dfrac{\mathrm{V}(Z)}{\delta^{2}}.

L'intervalle ]6 ;12[]6\,;12[ est centré en E(Z)=9\mathrm{E}(Z)=9, de demi-largeur 33 : 6<Z<12  ⟺  ∣Z−9∣<36<Z<12\iff\left|Z-9\right|<3. Avec δ=3\delta=3, on obtient P(∣Z−9∣⩾3)⩽432=49P\left(\left|Z-9\right|\geqslant 3\right)\leqslant\dfrac{4}{3^{2}}=\dfrac{4}{9}.

On passe à l'événement contraire, ce qui renverse le sens de l'inégalité : P(6<Z<12)=1−P(∣Z−9∣⩾3)⩾1−49=59≈0,56P(6<Z<12)=1-P\left(\left|Z-9\right|\geqslant 3\right)\geqslant 1-\dfrac{4}{9}=\dfrac{5}{9}\approx 0{,}56. Comme 59⩾0,5\dfrac{5}{9}\geqslant 0{,}5, il y a bien au moins 50 %50\,\% de chances que le prix de l'abonnement soit strictement compris entre 6 et 12 euros : l'affirmation du responsable est justifiée.

L'inégalité est faite pour ce genre de question : on ne connaît pas la loi de ZZ, seulement son espérance et sa variance, et elle suffit à garantir un minorant. Les pièges : prendre δ=12−6=6\delta=12-6=6 au lieu de la DEMI-largeur 33 ; mettre l'écart-type 22 au numérateur au lieu de la variance 44 ; oublier que l'intervalle doit être centré sur l'espérance pour que l'inégalité s'applique telle quelle.

E0,25H0,450,1125non H0,550,1375C0,6H0,30,18non H0,70,42F0,15H0,80,12non H0,20,03
yiy_{i}55771010121216161818
P(Y=yi)P\left(Y=y_{i}\right)0,137 50{,}137\,50,112 50{,}112\,50,420{,}420,180{,}180,030{,}030,120{,}12
Loi de probabilité de Y

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Exercice 2 : Suites et équation différentielle : deux modèles d'une population de perches-soleil

4 points Suites et récurrenceLes équations différentiellesPython et méthodes numériques

La perche-soleil est une espèce de poisson envahissante. Un plan de lutte contre la prolifération de cette espèce est mis en place et on étudie dans cet exercice deux modèles d'évolution de la population de perches-soleil dans un étang naturel. On estime que, dans cet étang, le nombre de perches-soleil s'élève à 4 000 individus au 1er janvier 2025.

  • Partie A : étude d'un modèle discret
  • Dans cette partie, on modélise le nombre de perches-soleil dans l'étang par une suite (un)(u_{n}).
  • Pour tout entier naturel nn, unu_{n} désigne le nombre de perches-soleil, exprimé en millier, dans l'étang au 1er janvier de l'année 2025+n2025+n.
  • La suite (un)(u_{n}) est définie par :
    • u0=4u_{0}=4.
    • pour tout entier naturel nn : un+1=4−4unu_{n+1}=4-\dfrac{4}{u_{n}}.
  • On admet que cette suite est bien définie et qu'en particulier pour tout entier nn, un>0u_{n}>0.
  • A.1. Calculer le nombre de perches-soleil au 1er janvier 2026 donné par ce modèle.
  • 2. On note hh la fonction définie sur l'intervalle ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par h(x)=4−4xh(x)=4-\dfrac{4}{x}.
  • A.2.a. Justifier que la fonction hh est croissante sur l'intervalle ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.
  • A.2.b. Démontrer que pour tout entier naturel nn : 2⩽un+1⩽un⩽42\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n}\leqslant 4
  • A.2.c. En déduire que la suite (un)(u_{n}) est convergente. On note ℓ\ell sa limite.
  • A.2.d. Justifier que ℓ=2\ell=2.
  • A.2.e. Ce modèle prévoit-il une élimination à long terme de l'espèce envahissante ?
  • 3. On considère le script Python ci-dessous.
  • A.3.a. Soit ss un réel appartenant à l'intervalle ]2 ;4[]2\,;4[.
    Recopier et compléter ce script de sorte qu'il renvoie, après exécution, le plus petit entier nn tel que un<su_{n}<s.
  • Script Python encadré de sept lignes : def population(s) : ; puis, indentées, u=4 ; n=0 ; while suivi de pointillés et de deux-points ; puis, indentées dans la boucle, u= suivi de pointillés et n= suivi de pointillés ; enfin return n, au niveau de la boucle.
  • A.3.b. Quelle valeur renvoie la commande population(2.2) ?
    Interpréter ce résultat dans le contexte de l'exercice.
  • Partie B : étude d'un modèle continu
  • On note tt le temps écoulé, exprimé en année, à partir du 1er janvier 2025. L'évolution du nombre de perches-soleil, exprimé en millier, est modélisée par la fonction pp telle que :
    • la fonction pp est définie et dérivable sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ ;
    • p(0)=4p(0)=4 ;
    • la fonction pp est solution de l'équation différentielle (E)y′+y=2(E)\quad y'+y=2 où yy est une fonction de la variable réelle tt.
  • B.1. Donner l'ensemble des solutions de l'équation (E)(E).
  • B.2. En déduire que l'expression de la fonction pp sur l'intervalle [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ est p(t)=2e−t+2p(t)=2\mathrm{e}^{-t}+2.
  • B.3. Ce modèle prévoit-il une élimination à long terme de l'espèce envahissante ?

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/5

A.1
A.2.e
A.3.b
B.3
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Réponses

  • A.1 u1=4−44=3u_{1}=4-\dfrac{4}{4}=3 : 3 000 perches-soleil au 1er janvier 2026
  • A.2.a h′(x)=4x2>0h'(x)=\dfrac{4}{x^{2}}>0 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ : hh est croissante
  • A.2.b Récurrence : initialisation 2⩽3⩽4⩽42\leqslant 3\leqslant 4\leqslant 4 ; hérédité en appliquant hh, croissante, avec h(2)=2h(2)=2 et h(4)=3h(4)=3
  • A.2.c (un)(u_{n}) décroissante et minorée par 22 : elle converge (convergence monotone)
  • A.2.d hh continue en ℓ∈[2 ;4]\ell\in[2\,;4], donc ℓ=h(ℓ)  ⟺  (ℓ−2)2=0  ⟺  ℓ=2\ell=h(\ell)\iff(\ell-2)^{2}=0\iff\ell=2
  • A.2.e Non : la population tend vers 2 000 perches-soleil, pas vers 0
  • A.3.a while u>=s : puis u=4-4/u puis n=n+1
  • A.3.b 1010 : u9=2,2u_{9}=2{,}2 n'est pas <2,2<2{,}2, u10≈2,18u_{10}\approx 2{,}18 ; la population passe sous 2 200 perches au 1er janvier 2035
  • B.1 y(t)=Ke−t+2y(t)=K\mathrm{e}^{-t}+2, K∈RK\in\mathbb{R}
  • B.2 p(0)=K+2=4p(0)=K+2=4 donc K=2K=2 : p(t)=2e−t+2p(t)=2\mathrm{e}^{-t}+2
  • B.3 Non : lim⁡t→+∞p(t)=2\lim_{t\to+\infty}p(t)=2, la population tend vers 2 000 perches-soleil

A.1. Le 1er janvier 2026 correspond à 2025+n2025+n avec n=1n=1. Par la relation de récurrence avec n=0n=0 : u1=4−4u0=4−44=4−1=3u_{1}=4-\dfrac{4}{u_{0}}=4-\dfrac{4}{4}=4-1=3.

Comme unu_{n} est exprimé en milliers, ce modèle prévoit 3 0003\,000 perches-soleil au 1er janvier 2026. Erreur fréquente : répondre « 33 » sans revenir à l'unité, alors que la question demande un NOMBRE de perches-soleil.

A.2.a. La fonction hh est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ comme somme d'une constante et d'un multiple de la fonction inverse, et h′(x)=0−4×(−1x2)=4x2h'(x)=0-4\times\left(-\dfrac{1}{x^{2}}\right)=\dfrac{4}{x^{2}}.

Pour tout x>0x>0, x2>0x^{2}>0, donc h′(x)>0h'(x)>0 : la fonction hh est strictement croissante, donc croissante, sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Autre justification, sans dérivée : la fonction inverse est décroissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ ; multipliée par −4<0-4<0, elle devient croissante ; ajouter 44 ne change pas le sens de variation. Erreur fréquente : écrire h′(x)=−4x2h'(x)=-\dfrac{4}{x^{2}}, en oubliant que la dérivée de 1x\dfrac{1}{x} est déjà négative.

A.2.b. On démontre par récurrence, pour tout entier naturel nn, la propriété P(n)\mathcal{P}(n) : « 2⩽un+1⩽un⩽42\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n}\leqslant 4 ».

Initialisation : u0=4u_{0}=4 et u1=3u_{1}=3 (question A.1), donc 2⩽u1⩽u0⩽42\leqslant u_{1}\leqslant u_{0}\leqslant 4 s'écrit 2⩽3⩽4⩽42\leqslant 3\leqslant 4\leqslant 4, ce qui est vrai : 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+1⩽un⩽42\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n}\leqslant 4 ; montrons P(n+1)\mathcal{P}(n+1), c'est-à-dire 2⩽un+2⩽un+1⩽42\leqslant u_{n+2}\leqslant u_{n+1}\leqslant 4. Les quatre nombres 22, un+1u_{n+1}, unu_{n} et 44 sont dans ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, intervalle sur lequel hh est croissante (question A.2.a) : appliquer hh conserve l'ordre, donc h(2)⩽h(un+1)⩽h(un)⩽h(4)h(2)\leqslant h(u_{n+1})\leqslant h(u_{n})\leqslant h(4).

Or h(2)=4−2=2h(2)=4-2=2, h(un+1)=un+2h(u_{n+1})=u_{n+2}, h(un)=un+1h(u_{n})=u_{n+1} et h(4)=4−1=3h(4)=4-1=3. On obtient 2⩽un+2⩽un+1⩽32\leqslant u_{n+2}\leqslant u_{n+1}\leqslant 3, et comme 3⩽43\leqslant 4, 2⩽un+2⩽un+1⩽42\leqslant u_{n+2}\leqslant u_{n+1}\leqslant 4 : P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie.

Conclusion : la propriété est vraie au rang 00 et héréditaire, donc, par le principe de récurrence, 2⩽un+1⩽un⩽42\leqslant u_{n+1}\leqslant u_{n}\leqslant 4 pour tout entier naturel nn.

Le point clé de l'hérédité est l'argument « hh est croissante, donc elle conserve l'ordre », appliqué à toute la chaîne d'un coup : c'est ce qui justifie la question A.2.a. Erreurs fréquentes : affirmer que la croissance de hh entraîne celle de la suite (la suite est au contraire décroissante ici) ; oublier de calculer h(2)h(2) et h(4)h(4) ; ou démontrer seulement l'encadrement 2⩽un⩽42\leqslant u_{n}\leqslant 4, qui ne dit rien du sens de variation.

A.2.c. D'après A.2.b, pour tout entier naturel nn, un+1⩽unu_{n+1}\leqslant u_{n} : la suite (un)(u_{n}) est décroissante ; et un⩾2u_{n}\geqslant 2 : elle est minorée par 22. D'après le théorème de convergence monotone, toute suite décroissante et minorée converge : la suite (un)(u_{n}) est convergente.

Par passage à la limite dans l'encadrement 2⩽un⩽42\leqslant u_{n}\leqslant 4, sa limite vérifie 2⩽ℓ⩽42\leqslant\ell\leqslant 4. Le théorème donne l'existence de la limite, pas sa valeur : ℓ\ell n'est pas forcément le minorant 22, c'est la question suivante qui le prouve.

A.2.d. La suite vérifie un+1=h(un)u_{n+1}=h(u_{n}) et converge vers ℓ\ell. Comme ℓ∈[2 ;4]⊂ ]0 ;+∞[\ell\in[2\,;4]\subset\,]0\,;+\infty[ et que hh est continue sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ (elle y est dérivable), on peut passer à la limite des deux côtés : un+1→ℓu_{n+1}\to\ell et h(un)→h(ℓ)h(u_{n})\to h(\ell). Par unicité de la limite, ℓ=h(ℓ)\ell=h(\ell) : ℓ\ell est un point fixe de hh.

On résout ℓ=4−4ℓ\ell=4-\dfrac{4}{\ell} avec ℓ≠0\ell\neq 0. En multipliant par ℓ\ell : ℓ2=4ℓ−4\ell^{2}=4\ell-4, soit ℓ2−4ℓ+4=0\ell^{2}-4\ell+4=0, c'est-à-dire (ℓ−2)2=0(\ell-2)^{2}=0, d'où ℓ=2\ell=2. L'équation n'a qu'une solution, il n'y a donc aucune valeur à écarter.

La rédaction attendue cite la continuité de hh en ℓ\ell : c'est elle qui autorise à écrire h(un)→h(ℓ)h(u_{n})\to h(\ell). Elle demande aussi de savoir que ℓ≠0\ell\neq 0, ce que donne ℓ⩾2\ell\geqslant 2, pour multiplier par ℓ\ell.

A.2.e. Non. La suite (un)(u_{n}) converge vers 22 : à long terme, selon ce modèle, le nombre de perches-soleil se rapproche de 22 milliers, soit 2 0002\,000 individus, en restant au-dessus. La population diminue de moitié mais se stabilise : l'espèce n'est pas éliminée, puisque la limite n'est pas 00.

A.3.a. On cherche le plus petit entier nn tel que un<su_{n}<s. Le programme calcule les termes un par un et doit donc CONTINUER tant que la condition d'arrêt n'est pas atteinte, c'est-à-dire tant que un⩾su_{n}\geqslant s : la ligne de la boucle est while u>=s :. Dans la boucle, on calcule le terme suivant, u=4-4/u, puis on augmente le rang, n=n+1. Le script complété figure en fin de corrigé.

Ici le terme suivant ne dépend que du terme précédent, pas de nn : l'ordre des deux lignes de la boucle ne change pas le résultat. Comme s<4=u0s<4=u_{0}, la boucle tourne au moins une fois ; et comme s>2=ℓs>2=\ell, la suite finit par passer sous ss, ce qui garantit que la boucle s'arrête.

La condition est le piège : while u00. Quant à while u>s :, elle ne diffère de la bonne condition que si un terme tombe EXACTEMENT sur ss, et c'est justement ce qui arrive à la question suivante.

A.3.b. On calcule les termes successifs : u2=4−43=83≈2,667u_{2}=4-\dfrac{4}{3}=\dfrac{8}{3}\approx 2{,}667 ; u3=4−32=2,5u_{3}=4-\dfrac{3}{2}=2{,}5 ; u4=4−1,6=2,4u_{4}=4-1{,}6=2{,}4 ; u5=73≈2,333u_{5}=\dfrac{7}{3}\approx 2{,}333 ; u6=167≈2,286u_{6}=\dfrac{16}{7}\approx 2{,}286 ; u7=2,25u_{7}=2{,}25 ; u8=209≈2,222u_{8}=\dfrac{20}{9}\approx 2{,}222 ; u9=4−4×920=4−1,8=2,2u_{9}=4-\dfrac{4\times 9}{20}=4-1{,}8=2{,}2 ; u10=4−42,2=2411≈2,182u_{10}=4-\dfrac{4}{2{,}2}=\dfrac{24}{11}\approx 2{,}182.

Le terme u9u_{9} vaut EXACTEMENT 2,22{,}2 : la condition u9⩾2,2u_{9}\geqslant 2{,}2 est encore vraie, la boucle fait un tour de plus, et u10<2,2u_{10}<2{,}2 l'arrête. La commande population(2.2) renvoie 1010. Le calcul en machine tombe lui aussi exactement sur 2.2 au neuvième tour, et le programme renvoie bien 1010.

Ces valeurs suggèrent la forme explicite un=2+2n+1u_{n}=2+\dfrac{2}{n+1}, qui se démontre par récurrence : u0=2+2=4u_{0}=2+2=4, et si un=2+2n+1=2(n+2)n+1u_{n}=2+\dfrac{2}{n+1}=\dfrac{2(n+2)}{n+1}, alors un+1=4−2(n+1)n+2=2n+6n+2=2+2n+2u_{n+1}=4-\dfrac{2(n+1)}{n+2}=\dfrac{2n+6}{n+2}=2+\dfrac{2}{n+2}. Elle confirme que un<2,2  ⟺  2n+1<0,2  ⟺  n+1>10  ⟺  n⩾10u_{n}<2{,}2\iff\dfrac{2}{n+1}<0{,}2\iff n+1>10\iff n\geqslant 10.

Interprétation : n=10n=10 correspond au 1er janvier de l'année 2025+10=20352025+10=2035. Selon ce modèle, c'est en 2035 que le nombre de perches-soleil passe pour la première fois strictement sous 2 2002\,200 individus ; au 1er janvier 2034, il vaut encore exactement 2 2002\,200. Erreurs fréquentes : répondre 99, en lisant u9=2,2u_{9}=2{,}2 comme déjà inférieur à 2,22{,}2 (ou avec la condition u>s) ; ou répondre « 1010 » sans traduire le rang en année.

B.1. L'équation (E)(E) s'écrit y′=−y+2y'=-y+2 : c'est une équation de la forme y′=ay+by'=ay+b avec a=−1a=-1 et b=2b=2. Ses solutions sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ sont les fonctions t↦Keat−bat\mapsto K\mathrm{e}^{at}-\dfrac{b}{a}, soit y(t)=Ke−t+2y(t)=K\mathrm{e}^{-t}+2, avec KK réel quelconque.

Vérification : si y(t)=Ke−t+2y(t)=K\mathrm{e}^{-t}+2, alors y′(t)=−Ke−ty'(t)=-K\mathrm{e}^{-t} et y′(t)+y(t)=−Ke−t+Ke−t+2=2y'(t)+y(t)=-K\mathrm{e}^{-t}+K\mathrm{e}^{-t}+2=2. La constante 22 est la solution constante de (E)(E) : 0+2=20+2=2. Erreur fréquente : oublier de mettre l'équation sous la forme y′=ay+by'=ay+b et prendre a=1a=1, ce qui donnerait des solutions en et\mathrm{e}^{t}.

B.2. La fonction pp est solution de (E)(E), donc il existe un réel KK tel que p(t)=Ke−t+2p(t)=K\mathrm{e}^{-t}+2 pour tout t⩾0t\geqslant 0. La condition initiale p(0)=4p(0)=4 s'écrit Ke0+2=4K\mathrm{e}^{0}+2=4, soit K+2=4K+2=4, donc K=2K=2. Ainsi p(t)=2e−t+2p(t)=2\mathrm{e}^{-t}+2 sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

B.3. Comme −t→−∞-t\to-\infty quand t→+∞t\to+\infty, lim⁡t→+∞e−t=0\lim_{t\to+\infty}\mathrm{e}^{-t}=0, et, par opérations sur les limites, lim⁡t→+∞p(t)=2×0+2=2\lim_{t\to+\infty}p(t)=2\times 0+2=2. De plus p(t)>2p(t)>2 pour tout tt, puisque 2e−t>02\mathrm{e}^{-t}>0.

Non : ce modèle ne prévoit pas l'élimination de l'espèce. Le nombre de perches-soleil diminue et se rapproche de 22 milliers, soit 2 0002\,000 individus, sans jamais descendre en dessous. Les deux modèles, discret et continu, s'accordent sur ce point : même limite de 2 0002\,000 perches. Le continu décroît seulement beaucoup plus vite, p(1)=2e−1+2≈2,74p(1)=2\mathrm{e}^{-1}+2\approx 2{,}74 contre u1=3u_{1}=3.

python
def population(s) :
    u=4
    n=0
    while u>=s :
        u=4-4/u
        n=n+1
    return n

Exercice 3 : Géométrie dans l'espace : distance d'un point à un plan dans une pyramide, par deux méthodes

5 points Géométrie dans l'espaceLe produit scalaire

Dans cet exercice l'unité est le centimètre.

On considère une pyramide à base carrée SABCD comme dans la figure ci-dessous.

  • Pyramide SABCD en perspective, de sommet S, à base carrée ABCD ; les arêtes cachées SA, AB, AD et les diagonales AC et BD de la base sont en pointillés. Les diagonales se coupent en O, situé à la verticale sous S. Trois flèches épaisses partent de O : vers I, milieu de [DC], vers J, milieu de [BC], et vers K, sur [OS], verticalement.
  • Dans cette figure :
    • AB=BC=CD=DA=OS=2\mathrm{AB}=\mathrm{BC}=\mathrm{CD}=\mathrm{DA}=\mathrm{OS}=2 cm ;
    • I est le milieu de [CD], J le milieu de [BC] et K le milieu de [OS].
  • L'espace est muni du repère orthonormé (O ;OI→,OJ→,OK→)\left(\mathrm{O}\,;\overrightarrow{\mathrm{OI}},\overrightarrow{\mathrm{OJ}},\overrightarrow{\mathrm{OK}}\right).
  • On admet que B(−1 ;1 ;0)\mathrm{B}(-1\,;1\,;0), C(1 ;1 ;0)\mathrm{C}(1\,;1\,;0), et S(0 ;0 ;2)\mathrm{S}(0\,;0\,;2).
  • Les parties A et B sont indépendantes.
  • Partie A
  • A.1. Donner les coordonnées des points A et D.
  • A.2. Calculer le produit scalaire SC→⋅SB→\overrightarrow{\mathrm{SC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{SB}}.
  • A.3. En déduire la mesure de l'angle BSC^\widehat{\mathrm{BSC}} arrondie au dixième de degré près.
  • Partie B
  • On se propose dans cette partie de déterminer la distance du point O au plan (SBC).
  • 1. Soit n⃗\vec{n} le vecteur de coordonnées (021)\begin{pmatrix}0\\2\\1\end{pmatrix}.
  • B.1.a. Justifier que le vecteur n⃗\vec{n} est normal au plan (SBC).
  • B.1.b. En déduire qu'une équation cartésienne du plan (SBC) est 2y+z−2=02y+z-2=0.
  • 2. On note H le projeté orthogonal du point O sur le plan (SBC).
  • B.2.a. Justifier qu'une représentation paramétrique de la droite (OH) est : {x=0y=2tz=t\begin{cases}x=0\\y=2t\\z=t\end{cases} avec t∈Rt\in\mathbb{R}.
  • B.2.b. Calculer les coordonnées du point H.
  • B.2.c. En déduire que la distance du point O au plan (SBC) est égale à 255\dfrac{2\sqrt{5}}{5} cm.
  • Partie C
  • On se propose ici de retrouver le résultat de la partie B par une autre méthode.
  • 1. On rappelle que le volume d'une pyramide est donné par : V=13×aire de la base×hauteurV=\dfrac{1}{3}\times\text{aire de la base}\times\text{hauteur}
  • C.1.a. Calculer le volume de la pyramide SABCD.
  • C.1.b. En déduire que le volume de la pyramide OCBS est égal à 23\dfrac{2}{3} cm³.
  • C.2. Déterminer l'aire du triangle SBC.
  • C.3. Déduire des questions précédentes que la distance du point O au plan (SBC) est égale à 255\dfrac{2\sqrt{5}}{5} cm.

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/11

A.1
A.2
A.3
B.2.b
C.1.a
C.2
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Réponses

  • A.1 A(−1 ;−1 ;0)\mathrm{A}(-1\,;-1\,;0) et D(1 ;−1 ;0)\mathrm{D}(1\,;-1\,;0)
  • A.2 SC→⋅SB→=−1+1+4=4\overrightarrow{\mathrm{SC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{SB}}=-1+1+4=4
  • A.3 cos⁡BSC^=46=23\cos\widehat{\mathrm{BSC}}=\dfrac{4}{6}=\dfrac{2}{3}, donc BSC^≈48,2∘\widehat{\mathrm{BSC}}\approx 48{,}2^{\circ}
  • B.1.a n⃗⋅BC→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=0 et n⃗⋅SB→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{SB}}=0, avec BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}}, SB→\overrightarrow{\mathrm{SB}} non colinéaires
  • B.1.b 2y+z+d=02y+z+d=0 et S\mathrm{S} dans le plan : d=−2d=-2
  • B.2.a (OH)(\mathrm{OH}) passe par O et est dirigée par n⃗\vec{n}, normal au plan
  • B.2.b t=25t=\dfrac{2}{5} : H(0 ;45 ;25)\mathrm{H}\left(0\,;\dfrac{4}{5}\,;\dfrac{2}{5}\right)
  • B.2.c OH=1625+425=205=255\mathrm{OH}=\sqrt{\dfrac{16}{25}+\dfrac{4}{25}}=\dfrac{\sqrt{20}}{5}=\dfrac{2\sqrt{5}}{5} cm
  • C.1.a V=13×4×2=83V=\dfrac{1}{3}\times 4\times 2=\dfrac{8}{3} cm³
  • C.1.b Base OCB d'aire 11, le quart du carré, hauteur 22 : V=23V=\dfrac{2}{3} cm³
  • C.2 ASBC=BC×SJ2=252=5\mathcal{A}_{\mathrm{SBC}}=\dfrac{\mathrm{BC}\times\mathrm{SJ}}{2}=\dfrac{2\sqrt{5}}{2}=\sqrt{5} cm²
  • C.3 23=13×5×d\dfrac{2}{3}=\dfrac{1}{3}\times\sqrt{5}\times d, donc d=25=255d=\dfrac{2}{\sqrt{5}}=\dfrac{2\sqrt{5}}{5} cm

A.1. Le point I a pour coordonnées (1 ;0 ;0)(1\,;0\,;0), puisque OI→\overrightarrow{\mathrm{OI}} est le premier vecteur du repère, et c'est le milieu de [CD]. Donc xD=2xI−xC=2−1=1x_{\mathrm{D}}=2x_{\mathrm{I}}-x_{\mathrm{C}}=2-1=1, yD=2yI−yC=0−1=−1y_{\mathrm{D}}=2y_{\mathrm{I}}-y_{\mathrm{C}}=0-1=-1 et zD=0z_{\mathrm{D}}=0 : D(1 ;−1 ;0)\mathrm{D}(1\,;-1\,;0).

ABCD est un carré, donc un parallélogramme : AB→=DC→\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\overrightarrow{\mathrm{DC}}. Or DC→(0 ;2 ;0)\overrightarrow{\mathrm{DC}}(0\,;2\,;0), donc A=B−DC→\mathrm{A}=\mathrm{B}-\overrightarrow{\mathrm{DC}}, soit A(−1 ;−1 ;0)\mathrm{A}(-1\,;-1\,;0).

Vérification : O est le centre du carré, milieu de la diagonale [AC] comme de [BD] ; le milieu de [AC] a pour coordonnées (−1+12 ;−1+12 ;0)=(0 ;0 ;0)\left(\dfrac{-1+1}{2}\,;\dfrac{-1+1}{2}\,;0\right)=(0\,;0\,;0), et celui de [BD] aussi. Et DA=2\mathrm{DA}=2 : DA→(−2 ;0 ;0)\overrightarrow{\mathrm{DA}}(-2\,;0\,;0). Erreur fréquente : lire les coordonnées sur la perspective, où l'axe (OI)(\mathrm{OI}) part vers le bas à gauche et trompe l'œil sur les signes.

A.2. Dans un repère orthonormé, le produit scalaire se calcule avec les coordonnées : xx′+yy′+zz′xx'+yy'+zz'. On a SC→(1−0 ;1−0 ;0−2)\overrightarrow{\mathrm{SC}}(1-0\,;1-0\,;0-2), soit SC→(1 ;1 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{SC}}(1\,;1\,;-2), et SB→(−1 ;1 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{SB}}(-1\,;1\,;-2).

Donc SC→⋅SB→=1×(−1)+1×1+(−2)×(−2)=−1+1+4=4\overrightarrow{\mathrm{SC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{SB}}=1\times(-1)+1\times 1+(-2)\times(-2)=-1+1+4=4.

Le piège est le sens des vecteurs : les deux partent de S, on soustrait donc les coordonnées de S à celles de C et de B. Prendre CS→\overrightarrow{\mathrm{CS}} au lieu de SC→\overrightarrow{\mathrm{SC}} changerait le signe du résultat, et l'angle calculé ensuite deviendrait son supplémentaire.

A.3. On utilise l'autre expression du produit scalaire : SC→⋅SB→=SC×SB×cos⁡BSC^\overrightarrow{\mathrm{SC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{SB}}=\mathrm{SC}\times\mathrm{SB}\times\cos\widehat{\mathrm{BSC}}. Les longueurs se calculent dans le repère orthonormé : SC=12+12+(−2)2=6\mathrm{SC}=\sqrt{1^{2}+1^{2}+(-2)^{2}}=\sqrt{6} et SB=(−1)2+12+(−2)2=6\mathrm{SB}=\sqrt{(-1)^{2}+1^{2}+(-2)^{2}}=\sqrt{6}.

Donc 4=6×6×cos⁡BSC^=6cos⁡BSC^4=\sqrt{6}\times\sqrt{6}\times\cos\widehat{\mathrm{BSC}}=6\cos\widehat{\mathrm{BSC}}, d'où cos⁡BSC^=46=23\cos\widehat{\mathrm{BSC}}=\dfrac{4}{6}=\dfrac{2}{3}, et, l'angle géométrique étant entre 00 et 180∘180^{\circ}, BSC^=arccos⁡(23)≈48,19∘\widehat{\mathrm{BSC}}=\arccos\left(\dfrac{2}{3}\right)\approx 48{,}19^{\circ}, soit 48,2∘48{,}2^{\circ} au dixième de degré près.

Vérification par la formule d'Al-Kashi dans le triangle SBC : BC2=SB2+SC2−2 SB×SC×cos⁡BSC^=6+6−2×6×23=4\mathrm{BC}^{2}=\mathrm{SB}^{2}+\mathrm{SC}^{2}-2\,\mathrm{SB}\times\mathrm{SC}\times\cos\widehat{\mathrm{BSC}}=6+6-2\times 6\times\dfrac{2}{3}=4, soit BC=2\mathrm{BC}=2, la longueur de l'énoncé. Erreur fréquente : laisser la calculatrice en radians, qui affiche alors 0,8410{,}841.

B.1.a. Un vecteur est normal à un plan s'il est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de ce plan. On prend BC→(2 ;0 ;0)\overrightarrow{\mathrm{BC}}(2\,;0\,;0) et SB→(−1 ;1 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{SB}}(-1\,;1\,;-2), qui ne sont pas colinéaires : la deuxième coordonnée de BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}} est nulle, pas celle de SB→\overrightarrow{\mathrm{SB}}.

n⃗⋅BC→=0×2+2×0+1×0=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=0\times 2+2\times 0+1\times 0=0 et n⃗⋅SB→=0×(−1)+2×1+1×(−2)=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{SB}}=0\times(-1)+2\times 1+1\times(-2)=0. Le vecteur n⃗\vec{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (SBC) : il est normal à ce plan.

Les deux vecteurs doivent être non colinéaires, et il faut le DIRE : un seul produit scalaire nul, ou deux vecteurs colinéaires, ne suffisent pas. On aurait aussi pu prendre SC→(1 ;1 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{SC}}(1\,;1\,;-2) : 0+2−2=00+2-2=0.

B.1.b. Un plan de vecteur normal n⃗(a ;b ;c)\vec{n}(a\,;b\,;c) a une équation de la forme ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0 : ici, 2y+z+d=02y+z+d=0. Le point S(0 ;0 ;2)\mathrm{S}(0\,;0\,;2) appartient au plan, donc 2×0+2+d=02\times 0+2+d=0, d'où d=−2d=-2. Une équation cartésienne de (SBC) est 2y+z−2=02y+z-2=0.

Vérification avec les deux autres points : pour B, 2×1+0−2=02\times 1+0-2=0 ; pour C, 2×1+0−2=02\times 1+0-2=0. Les trois points vérifient l'équation.

B.2.a. H est le projeté orthogonal de O sur (SBC), donc la droite (OH) est orthogonale au plan (SBC) : elle est dirigée par un vecteur normal au plan, par exemple n⃗(0 ;2 ;1)\vec{n}(0\,;2\,;1). Elle passe par O(0 ;0 ;0)\mathrm{O}(0\,;0\,;0).

Une représentation paramétrique de (OH) est donc x=0+0×tx=0+0\times t, y=0+2ty=0+2t, z=0+1×tz=0+1\times t, soit {x=0y=2tz=t\begin{cases}x=0\\y=2t\\z=t\end{cases} avec t∈Rt\in\mathbb{R}. Remarque : O n'est pas dans le plan, puisque 2×0+0−2≠02\times 0+0-2\neq 0, donc H est distinct de O et la droite (OH) est bien définie.

B.2.b. Le point H est l'intersection de la droite (OH) et du plan (SBC). On remplace xx, yy et zz par leurs expressions en tt dans l'équation du plan : 2×2t+t−2=02\times 2t+t-2=0, soit 5t=25t=2, d'où t=25t=\dfrac{2}{5}.

Donc H(0 ;2×25 ;25)=(0 ;45 ;25)\mathrm{H}\left(0\,;2\times\dfrac{2}{5}\,;\dfrac{2}{5}\right)=\left(0\,;\dfrac{4}{5}\,;\dfrac{2}{5}\right), c'est-à-dire H(0 ;0,8 ;0,4)\mathrm{H}(0\,;0{,}8\,;0{,}4). Vérification : 2×0,8+0,4−2=02\times 0{,}8+0{,}4-2=0, H est bien dans le plan. Erreur fréquente : donner t=25t=\dfrac{2}{5} comme réponse, alors que la question demande les coordonnées du point.

B.2.c. La distance d'un point à un plan est la distance entre ce point et son projeté orthogonal sur le plan : c'est la plus courte distance entre O et un point du plan. Donc la distance cherchée est OH=02+(45)2+(25)2=1625+425=2025=205\mathrm{OH}=\sqrt{0^{2}+\left(\dfrac{4}{5}\right)^{2}+\left(\dfrac{2}{5}\right)^{2}}=\sqrt{\dfrac{16}{25}+\dfrac{4}{25}}=\sqrt{\dfrac{20}{25}}=\dfrac{\sqrt{20}}{5}.

Comme 20=4×5=25\sqrt{20}=\sqrt{4\times 5}=2\sqrt{5}, on obtient OH=255\mathrm{OH}=\dfrac{2\sqrt{5}}{5} cm, soit environ 0,890{,}89 cm. Ordre de grandeur cohérent : c'est moins que OJ=1\mathrm{OJ}=1, la distance de O à la droite (BC), qui est dans le plan.

C.1.a. La base ABCD est un carré de côté 22 cm, d'aire 22=42^{2}=4 cm². Le point O est le centre du carré et la droite (OS) est portée par le troisième axe du repère orthonormé, orthogonal au plan de la base : la hauteur de la pyramide est OS=2\mathrm{OS}=2 cm.

Donc VSABCD=13×4×2=83V_{\mathrm{SABCD}}=\dfrac{1}{3}\times 4\times 2=\dfrac{8}{3} cm³, soit environ 2,672{,}67 cm³. Erreur fréquente : oublier le facteur 13\dfrac{1}{3}, ce qui donne le volume du pavé droit, 88 cm³.

C.1.b. La pyramide OCBS a pour sommet S et pour base le triangle OCB, situé dans le plan de la base ; sa hauteur est encore OS=2\mathrm{OS}=2 cm. Les diagonales d'un carré se coupent en leur milieu et découpent le carré en quatre triangles superposables : l'aire de OCB est le quart de celle du carré, soit 44=1\dfrac{4}{4}=1 cm².

Donc VOCBS=13×1×2=23V_{\mathrm{OCBS}}=\dfrac{1}{3}\times 1\times 2=\dfrac{2}{3} cm³. C'est le quart du volume de SABCD, 14×83=23\dfrac{1}{4}\times\dfrac{8}{3}=\dfrac{2}{3}, ce qui est le sens du « en déduire ». Contrôle de l'aire : OCB est rectangle en O, car OC→⋅OB→=1×(−1)+1×1=0\overrightarrow{\mathrm{OC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OB}}=1\times(-1)+1\times 1=0, et OC=OB=2\mathrm{OC}=\mathrm{OB}=\sqrt{2}, donc son aire vaut 2×22=1\dfrac{\sqrt{2}\times\sqrt{2}}{2}=1.

C.2. Le triangle SBC est isocèle en S, puisque SB=SC=6\mathrm{SB}=\mathrm{SC}=\sqrt{6} (question A.3). Dans un triangle isocèle, la médiane issue du sommet principal est aussi la hauteur : J étant le milieu de [BC], la droite (SJ) est la hauteur issue de S. Avec J(0 ;1 ;0)\mathrm{J}(0\,;1\,;0), SJ→(0 ;1 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{SJ}}(0\,;1\,;-2) et SJ=0+1+4=5\mathrm{SJ}=\sqrt{0+1+4}=\sqrt{5}.

Donc l'aire du triangle SBC vaut BC×SJ2=2×52=5\dfrac{\mathrm{BC}\times\mathrm{SJ}}{2}=\dfrac{2\times\sqrt{5}}{2}=\sqrt{5} cm², soit environ 2,242{,}24 cm².

Vérification avec l'angle de la partie A : aire =12 SB×SC×sin⁡BSC^=12×6×1−49=3×53=5=\dfrac{1}{2}\,\mathrm{SB}\times\mathrm{SC}\times\sin\widehat{\mathrm{BSC}}=\dfrac{1}{2}\times 6\times\sqrt{1-\dfrac{4}{9}}=3\times\dfrac{\sqrt{5}}{3}=\sqrt{5}. Erreur fréquente : prendre l'arête SB=6\mathrm{SB}=\sqrt{6} comme hauteur du triangle.

C.3. On calcule le volume du même tétraèdre OCBS de deux façons : un tétraèdre peut prendre n'importe laquelle de ses quatre faces comme base. Avec la base SBC et le sommet O, la hauteur est la distance dd de O au plan (SBC), puisque c'est la longueur du segment issu de O perpendiculaire à ce plan.

Donc VOCBS=13×ASBC×dV_{\mathrm{OCBS}}=\dfrac{1}{3}\times\mathcal{A}_{\mathrm{SBC}}\times d, soit 23=13×5×d\dfrac{2}{3}=\dfrac{1}{3}\times\sqrt{5}\times d, d'où 5 d=2\sqrt{5}\,d=2 et d=25=255d=\dfrac{2}{\sqrt{5}}=\dfrac{2\sqrt{5}}{5} cm, en multipliant numérateur et dénominateur par 5\sqrt{5}. On retrouve le résultat de la partie B.

Le point de rédaction attendu est la phrase qui identifie la hauteur relative à la face SBC avec la distance de O au plan (SBC). Erreur fréquente : utiliser le volume 83\dfrac{8}{3} de la grande pyramide, dont SBC n'est pas une face complète de même sommet O.

Exercice 4 : Fonction logarithme : limites, variations, convexité et position par rapport à une tangente

5 points Exponentielle et logarithmeLa convexitéLimites et continuité

On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=5ln⁡(x2+1)−3xf(x)=5\ln\left(x^{2}+1\right)-3x et on admet que la fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R}.

On note Cf\mathcal{C}_{f} sa courbe représentative dans un repère orthonormé du plan.

On a tracé ci-dessous la courbe Cf\mathcal{C}_{f} et la tangente à la courbe Cf\mathcal{C}_{f} au point A d'abscisse 1.

  • Repère orthonormé, abscisses graduées de -6 à 6, ordonnées de -2 à 6. La courbe C_f, en rouge, entre dans le cadre par le haut vers x = -0,9, descend jusqu'à un minimum légèrement négatif vers x = 0,3, passe par l'origine, remonte en traversant sa tangente au point A(1 ; 0,47 environ), atteint un maximum d'environ 2,5 en x = 3, puis redescend et coupe l'axe des abscisses vers x = 6. La tangente en A, en vert, est une droite croissante qui coupe l'axe des ordonnées vers -1,5 ; à gauche de A la courbe est au-dessus de la tangente, à droite elle est en dessous.
  • 1. Conjecturer, à l'aide de la représentation graphique de la fonction ff, les intervalles de R\mathbb{R} sur lesquels la fonction ff semble convexe ou concave.
  • 2. Déterminer, en justifiant, la limite de la fonction ff en −∞-\infty.
  • 3.a. Démontrer que, pour tout xx réel strictement positif, f(x)=x(10ln⁡xx−3)+5ln⁡(1+1x2)f(x)=x\left(10\dfrac{\ln x}{x}-3\right)+5\ln\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right)
  • 3.b. Déterminer, en justifiant, la limite de la fonction ff en +∞+\infty.
  • 4.a. Démontrer que pour tout xx réel, f′(x)=−3x2+10x−3x2+1f'(x)=\dfrac{-3x^{2}+10x-3}{x^{2}+1}.
  • 4.b. Étudier les variations de la fonction ff sur R\mathbb{R}.
  • 5. On admet que la fonction ff est deux fois dérivable sur R\mathbb{R} et que pour tout réel xx, f′′(x)=−10x2+10(x2+1)2f''(x)=\dfrac{-10x^{2}+10}{\left(x^{2}+1\right)^{2}}
  • 5.a. Valider ou rejeter la conjecture faite à la question 1.
  • 5.b. Déterminer l'équation réduite de la tangente à la courbe Cf\mathcal{C}_{f} au point A d'abscisse 1.
  • 5.c. En déduire que pour tout x⩾1x\geqslant 1, ln⁡(x2+1)⩽x+ln⁡(2)−1\ln\left(x^{2}+1\right)\leqslant x+\ln(2)-1.

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2
3.b
4.b
5.a
Intervalle où ff est convexe ;
5.b
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Réponses

  • 1 Conjecture : ff convexe sur ]−∞ ;1]]-\infty\,;1], concave sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ ; A semble être un point d'inflexion
  • 2 lim⁡x→−∞f(x)=+∞\lim_{x\to-\infty}f(x)=+\infty (somme de deux termes qui tendent vers +∞+\infty)
  • 3.a ln⁡(x2+1)=2ln⁡x+ln⁡(1+1x2)\ln\left(x^{2}+1\right)=2\ln x+\ln\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right) pour x>0x>0
  • 3.b lim⁡x→+∞f(x)=−∞\lim_{x\to+\infty}f(x)=-\infty (croissance comparée)
  • 4.a f′(x)=10xx2+1−3=−3x2+10x−3x2+1f'(x)=\dfrac{10x}{x^{2}+1}-3=\dfrac{-3x^{2}+10x-3}{x^{2}+1}
  • 4.b ff décroissante sur ]−∞ ;13]\left]-\infty\,;\dfrac{1}{3}\right], croissante sur [13 ;3]\left[\dfrac{1}{3}\,;3\right], décroissante sur [3 ;+∞[[3\,;+\infty[ ; f(13)=5ln⁡109−1≈−0,47f\left(\dfrac{1}{3}\right)=5\ln\dfrac{10}{9}-1\approx -0{,}47, f(3)=5ln⁡10−9≈2,51f(3)=5\ln 10-9\approx 2{,}51
  • 5.a ff convexe sur [−1 ;1][-1\,;1], concave sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1] et sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ : conjecture validée sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, rejetée sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1]
  • 5.b y=2x+5ln⁡2−5y=2x+5\ln 2-5 (soit y≈2x−1,53y\approx 2x-1{,}53)
  • 5.c ff concave sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ : Cf\mathcal{C}_{f} sous sa tangente en A, 5ln⁡(x2+1)−3x⩽2x+5ln⁡2−55\ln\left(x^{2}+1\right)-3x\leqslant 2x+5\ln 2-5, puis division par 55

1. Une fonction est convexe sur un intervalle où sa courbe est au-dessus de chacune de ses tangentes, concave où elle est en dessous. Sur le graphique, la courbe est « tournée vers le haut » depuis le bord gauche du cadre jusqu'au point A, puis « tournée vers le bas » au-delà ; et la tangente en A TRAVERSE la courbe : la courbe est au-dessus de la tangente à gauche de A, en dessous à droite.

On conjecture donc que ff est convexe sur ]−∞ ;1]]-\infty\,;1] et concave sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, et que A est un point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_{f}.

Le graphique est une fenêtre : la courbe sort du cadre par le haut vers x=−0,9x=-0{,}9, et l'on ne voit rien de ce qui se passe pour x<−1x<-1. Une conjecture prudente le signale ; c'est exactement ce que la question 5.a va mettre en évidence.

2. En −∞-\infty : lim⁡x→−∞(x2+1)=+∞\lim_{x\to-\infty}\left(x^{2}+1\right)=+\infty et lim⁡X→+∞ln⁡X=+∞\lim_{X\to+\infty}\ln X=+\infty, donc, par composition, lim⁡x→−∞ln⁡(x2+1)=+∞\lim_{x\to-\infty}\ln\left(x^{2}+1\right)=+\infty et lim⁡x→−∞5ln⁡(x2+1)=+∞\lim_{x\to-\infty}5\ln\left(x^{2}+1\right)=+\infty. D'autre part, lim⁡x→−∞(−3x)=+∞\lim_{x\to-\infty}(-3x)=+\infty.

Par somme, lim⁡x→−∞f(x)=+∞\lim_{x\to-\infty}f(x)=+\infty. Il n'y a pas de forme indéterminée en −∞-\infty : les deux termes tendent vers +∞+\infty. Erreur fréquente : écrire −3x→−∞-3x\to-\infty par réflexe, alors que xx est négatif.

3.a. Soit x>0x>0. On factorise x2x^{2} dans le logarithme : x2+1=x2(1+1x2)x^{2}+1=x^{2}\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right), produit de deux nombres strictement positifs. Par la propriété ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\ln(ab)=\ln a+\ln b : ln⁡(x2+1)=ln⁡(x2)+ln⁡(1+1x2)=2ln⁡x+ln⁡(1+1x2)\ln\left(x^{2}+1\right)=\ln\left(x^{2}\right)+\ln\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right)=2\ln x+\ln\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right), car ln⁡(x2)=2ln⁡x\ln\left(x^{2}\right)=2\ln x pour x>0x>0.

Donc f(x)=10ln⁡x+5ln⁡(1+1x2)−3xf(x)=10\ln x+5\ln\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right)-3x. Enfin 10ln⁡x−3x=x(10ln⁡xx−3)10\ln x-3x=x\left(10\dfrac{\ln x}{x}-3\right), en factorisant par x≠0x\neq 0. On obtient f(x)=x(10ln⁡xx−3)+5ln⁡(1+1x2)f(x)=x\left(10\dfrac{\ln x}{x}-3\right)+5\ln\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right).

L'hypothèse x>0x>0 sert deux fois : pour que ln⁡x\ln x existe, et pour écrire ln⁡(x2)=2ln⁡x\ln\left(x^{2}\right)=2\ln x ; pour x<0x<0, on aurait ln⁡(x2)=2ln⁡∣x∣\ln\left(x^{2}\right)=2\ln|x|.

3.b. En +∞+\infty, l'expression de départ donne une forme indéterminée : 5ln⁡(x2+1)→+∞5\ln\left(x^{2}+1\right)\to+\infty et −3x→−∞-3x\to-\infty. C'est la raison de la forme de la question 3.a.

Par croissance comparée, lim⁡x→+∞ln⁡xx=0\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\ln x}{x}=0, donc lim⁡x→+∞(10ln⁡xx−3)=−3\lim_{x\to+\infty}\left(10\dfrac{\ln x}{x}-3\right)=-3, et, par produit avec x→+∞x\to+\infty, lim⁡x→+∞x(10ln⁡xx−3)=−∞\lim_{x\to+\infty}x\left(10\dfrac{\ln x}{x}-3\right)=-\infty. Par ailleurs lim⁡x→+∞(1+1x2)=1\lim_{x\to+\infty}\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right)=1 et ln⁡\ln est continue en 11, donc lim⁡x→+∞5ln⁡(1+1x2)=5ln⁡1=0\lim_{x\to+\infty}5\ln\left(1+\dfrac{1}{x^{2}}\right)=5\ln 1=0.

Par somme, lim⁡x→+∞f(x)=−∞\lim_{x\to+\infty}f(x)=-\infty. Cohérence avec le graphique : la courbe redescend après x=3x=3 et repasse sous l'axe des abscisses vers x=6x=6. Le terme linéaire −3x-3x l'emporte sur le logarithme.

4.a. La dérivée de ln⁡u\ln u, pour uu dérivable et strictement positive, est u′u\dfrac{u'}{u}. Avec u(x)=x2+1>0u(x)=x^{2}+1>0 et u′(x)=2xu'(x)=2x : (ln⁡(x2+1))′=2xx2+1\left(\ln\left(x^{2}+1\right)\right)'=\dfrac{2x}{x^{2}+1}.

Donc, pour tout réel xx, f′(x)=5×2xx2+1−3=10x−3(x2+1)x2+1=−3x2+10x−3x2+1f'(x)=5\times\dfrac{2x}{x^{2}+1}-3=\dfrac{10x-3\left(x^{2}+1\right)}{x^{2}+1}=\dfrac{-3x^{2}+10x-3}{x^{2}+1}. Erreur fréquente : oublier le facteur u′(x)=2xu'(x)=2x et écrire 5x2+1\dfrac{5}{x^{2}+1}.

4.b. Pour tout réel xx, x2+1>0x^{2}+1>0, donc f′(x)f'(x) a le signe du trinôme −3x2+10x−3-3x^{2}+10x-3. Son discriminant vaut Δ=102−4×(−3)×(−3)=100−36=64=82>0\Delta=10^{2}-4\times(-3)\times(-3)=100-36=64=8^{2}>0 ; ses racines sont x1=−10+8−6=13x_{1}=\dfrac{-10+8}{-6}=\dfrac{1}{3} et x2=−10−8−6=3x_{2}=\dfrac{-10-8}{-6}=3. Le coefficient de x2x^{2} est −3<0-3<0 : le trinôme est négatif à l'extérieur des racines et positif entre elles.

Donc f′(x)<0f'(x)<0 sur ]−∞ ;13[\left]-\infty\,;\dfrac{1}{3}\right[ et sur ]3 ;+∞[]3\,;+\infty[, f′(x)>0f'(x)>0 sur ]13 ;3[\left]\dfrac{1}{3}\,;3\right[. La fonction ff est décroissante sur ]−∞ ;13]\left]-\infty\,;\dfrac{1}{3}\right], croissante sur [13 ;3]\left[\dfrac{1}{3}\,;3\right] et décroissante sur [3 ;+∞[[3\,;+\infty[.

Valeurs des extremums : f(13)=5ln⁡(19+1)−1=5ln⁡109−1≈−0,47f\left(\dfrac{1}{3}\right)=5\ln\left(\dfrac{1}{9}+1\right)-1=5\ln\dfrac{10}{9}-1\approx -0{,}47, minimum local ; f(3)=5ln⁡10−9≈2,51f(3)=5\ln 10-9\approx 2{,}51, maximum local. Avec les limites des questions 2 et 3.b, +∞+\infty en −∞-\infty et −∞-\infty en +∞+\infty, le tableau de variations est complet ; il figure en fin de corrigé.

Vérification sur le graphique : un petit creux sous l'axe juste après 00, vers (0,33 ;−0,47)(0{,}33\,;-0{,}47), et un sommet vers (3 ;2,5)(3\,;2{,}5). Contrôle de la factorisation : −3(x−13)(x−3)=−(3x−1)(x−3)=−3x2+10x−3-3\left(x-\dfrac{1}{3}\right)(x-3)=-(3x-1)(x-3)=-3x^{2}+10x-3.

5.a. Le signe de f′′f'' donne la convexité : ff est convexe là où f′′⩾0f''\geqslant 0, concave là où f′′⩽0f''\leqslant 0. Pour tout xx, (x2+1)2>0\left(x^{2}+1\right)^{2}>0, donc f′′(x)f''(x) a le signe de −10x2+10=10(1−x2)=10(1−x)(1+x)-10x^{2}+10=10\left(1-x^{2}\right)=10(1-x)(1+x), qui est positif pour −1<x<1-1<x<1, nul en −1-1 et en 11, négatif sinon.

Donc ff est convexe sur [−1 ;1][-1\,;1], et concave sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1] et sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[. La dérivée seconde s'annule en changeant de signe en −1-1 et en 11 : la courbe a deux points d'inflexion, d'abscisses −1-1 et 11, et A est bien l'un d'eux.

Conclusion : la conjecture est validée sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, où ff est concave, et pour la convexité sur [−1 ;1][-1\,;1] ; elle est rejetée sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1], où ff est concave et non convexe. Le graphique ne pouvait pas le montrer : f(−1)=5ln⁡2+3≈6,47f(-1)=5\ln 2+3\approx 6{,}47 dépasse le haut du cadre, et la partie concave de la courbe n'y figure pas. C'est la leçon de la question : un graphique ne prouve rien hors de sa fenêtre.

5.b. La tangente à Cf\mathcal{C}_{f} au point d'abscisse 11 a pour équation y=f′(1)(x−1)+f(1)y=f'(1)(x-1)+f(1). On calcule f(1)=5ln⁡2−3f(1)=5\ln 2-3 et f′(1)=−3+10−31+1=42=2f'(1)=\dfrac{-3+10-3}{1+1}=\dfrac{4}{2}=2.

Donc y=2(x−1)+5ln⁡2−3y=2(x-1)+5\ln 2-3, et l'équation réduite est y=2x+5ln⁡2−5y=2x+5\ln 2-5. Vérification sur le graphique : 5ln⁡2−5≈−1,535\ln 2-5\approx -1{,}53, et la tangente coupe bien l'axe des ordonnées un peu au-dessous de −1,5-1{,}5 ; A a pour ordonnée f(1)≈0,47f(1)\approx 0{,}47. Erreur fréquente : laisser l'équation sous la forme y=2(x−1)+5ln⁡2−3y=2(x-1)+5\ln 2-3, alors que l'équation RÉDUITE est demandée.

5.c. D'après 5.a, ff est concave sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ ; sur un intervalle où une fonction est concave, sa courbe est située en dessous de chacune de ses tangentes en un point de cet intervalle, en particulier de la tangente en A, d'abscisse 11.

Donc, pour tout x⩾1x\geqslant 1, f(x)⩽2x+5ln⁡2−5f(x)\leqslant 2x+5\ln 2-5, c'est-à-dire 5ln⁡(x2+1)−3x⩽2x+5ln⁡2−55\ln\left(x^{2}+1\right)-3x\leqslant 2x+5\ln 2-5. En ajoutant 3x3x : 5ln⁡(x2+1)⩽5x+5ln⁡2−55\ln\left(x^{2}+1\right)\leqslant 5x+5\ln 2-5 ; en divisant par 5>05>0 : ln⁡(x2+1)⩽x+ln⁡(2)−1\ln\left(x^{2}+1\right)\leqslant x+\ln(2)-1.

Vérifications : égalité en x=1x=1, puisque ln⁡2=1+ln⁡2−1\ln 2=1+\ln 2-1, le point de contact ; et en x=3x=3, ln⁡10≈2,30⩽3+ln⁡2−1≈2,69\ln 10\approx 2{,}30\leqslant 3+\ln 2-1\approx 2{,}69. La condition x⩾1x\geqslant 1 n'est pas décorative : en x=0x=0, l'inégalité dirait 0⩽ln⁡2−1≈−0,310\leqslant\ln 2-1\approx -0{,}31, ce qui est faux, car sur [−1 ;1][-1\,;1] la fonction est convexe et la courbe passe AU-DESSUS de la tangente.

xx]−∞ ;13]\left]-\infty\,;\dfrac{1}{3}\right][13 ;3]\left[\dfrac{1}{3}\,;3\right][3 ;+∞[[3\,;+\infty[
Signe de f′(x)f'(x)−-++−-
Variations de ffdécroissante, de +∞+\infty à 5ln⁡109−15\ln\dfrac{10}{9}-1croissante, de 5ln⁡109−15\ln\dfrac{10}{9}-1 à 5ln⁡10−95\ln 10-9décroissante, de 5ln⁡10−95\ln 10-9 vers −∞-\infty
Tableau de variations de f
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