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

Bac 2026 de spécialité maths, Antilles-Guyane jour 2 : sujet officiel et corrigé

Sujet officiel du baccalauréat

Spécialité mathématiques, session 2026 : Antilles-Guyane, jour 2

Épreuve du mercredi 17 juin 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 Antilles-Guyane, jour 2 : mercredi 17 juin 2026, quatre heures, calculatrice en mode examen autorisée. Il compte quatre exercices indépendants notés sur 20 points, 6, 5, 4 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 suit un message le long d'une chaîne de relais : arbre pondéré, formule des probabilités totales et probabilité conditionnelle inversée, puis loi binomiale, espérance et variance d'une moyenne de variables aléatoires indépendantes, inégalité de Bienaymé-Tchebychev, et enfin une suite arithmético-géométrique étudiée par raisonnement par récurrence et théorème de convergence monotone. L'exercice 2 est un problème de géométrie dans l'espace sur un tétraèdre : distances, aire et volume, équation cartésienne d'un plan, vecteur normal, projeté orthogonal, représentation paramétrique d'une droite et angle par le produit scalaire. L'exercice 3 est un vrai ou faux sur les équations différentielles y′=ayy'=ay et y′=ay+fy'=ay+f, la convexité par la dérivée seconde et une limite par le théorème des gendarmes. L'exercice 4 étudie une famille de fonctions avec logarithme népérien : primitive et courbes dérivées lues sur un graphique, point d'inflexion, croissance comparée, corollaire du théorème des valeurs intermédiaires, algorithme de balayage en Python, primitive de la forme u′uu'u et valeur moyenne d'une fonction.

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 question A.1 de l'exercice 4, où l'on lit le SIGNE de f2f_{2} pour obtenir les variations d'une primitive, pas ses variations ; l'angle de la question B.3 de l'exercice 2, qui vaut 59,04∘59{,}04^{\circ} et se compare à 60∘60^{\circ} par le cosinus exact 334\dfrac{3}{\sqrt{34}}, jamais par une valeur arrondie trop tôt ; et l'écart δ=5\delta=5 de l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev à l'exercice 1, mesuré depuis l'espérance 22 et non depuis 00.

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Ce chapitre fait partie de Spécialité mathématiques en Terminale

Exercice 1 : Probabilités et suites : transmission d'un message par une chaîne de relais

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

Les trois parties de cet exercice peuvent être traitées indépendamment.

On s'intéresse à un réseau de communication constitué d'une chaîne de relais (satellites, antennes, opérateurs...) pour transmettre des messages.

À chaque transmission entre deux relais successifs, des erreurs peuvent apparaitre dans le message.

Une étude statistique a permis d'établir que pour chaque relai :

• si le message reçu est sans erreur, il a 94 %94\,\% de chances d'être transmis sans erreur au relai suivant ;

• si le message reçu comporte des erreurs, il y a 35 %35\,\% de chances que les erreurs soient corrigées et donc que le message soit transmis sans erreur au relai suivant.

On choisit au hasard un message envoyé au cours d'une journée.

Pour un évènement EE quelconque, on désigne par E‾\overline{E} son évènement contraire et par P(E)P(E) sa probabilité.

  • Partie A
  • On considère les évènements suivants :
    • A1A_{1} : « le message reçu par le premier relai est sans erreur » ;
    • A2A_{2} : « le message reçu par le deuxième relai est sans erreur ».
  • On admet que P(A1)=0,96P\left(A_{1}\right)=0{,}96.
  • Arbre pondéré à deux niveaux. La racine mène à A1 et à A1 barre ; chacun de ces deux nœuds mène à A2 et à A2 barre. Les six branches portent des pointillés à compléter.
  • A.1. Recopier et compléter l'arbre pondéré ci-contre.
  • A.2. Montrer que P(A2)=0,916 4P\left(A_{2}\right)=0{,}916\,4.
  • A.3. Calculer PA2(A1‾)P_{A_{2}}\big(\overline{A_{1}}\big). On arrondira le résultat à 10−410^{-4}. Interpréter le résultat dans le contexte de l'exercice.
  • Partie B
  • Pour vérifier le bon fonctionnement d'un relai, des tests indépendants les uns des autres sont effectués.
  • Un test est positif si la présence d'au moins une erreur est détectée.
  • On admet que la probabilité qu'un test soit positif est égale à 0,040{,}04.
  • On choisit au hasard un échantillon de 5050 tests réalisés sur le relai.
  • Le nombre de tests réalisés est suffisamment grand pour assimiler ce choix à un tirage avec remise.
  • 1. On note XX la variable aléatoire qui à chaque échantillon de 5050 tests associe le nombre de tests positifs. Ainsi la variable aléatoire XX suit la loi binomiale de paramètres n=50n=50 et p=0,04p=0{,}04.
  • B.1.a. Déterminer la probabilité que 44 tests soient positifs dans cet échantillon. On arrondira le résultat à 10−210^{-2}.
  • B.1.b. Donner la probabilité qu'au moins un test soit positif dans cet échantillon. On arrondira le résultat à 10−210^{-2}.
  • B.1.c. Calculer l'espérance et la variance de la variable aléatoire XX.
  • 2. On étudie une chaîne de transmission de l'information composée de 2525 relais.
  • On considère la variable aléatoire X1X_{1} qui à chaque échantillon de 5050 tests pratiqués sur le relai 11 associe le nombre de tests positifs.
  • On définit de la même manière les variables aléatoires X2X_{2} pour le relai 22, ..., X25X_{25} pour le relai 2525.
  • On admet que ces 2525 variables aléatoires sont indépendantes entre elles et qu'elles admettent la même espérance égale à 22 et la même variance égale à 1,921{,}92.
  • On note MM la variable aléatoire donnant la moyenne du nombre de tests positifs lors des contrôles effectués sur les 2525 relais.
  • On a donc M=X1+X2+⋯+X2525M=\dfrac{X_{1}+X_{2}+\cdots+X_{25}}{25}.
  • B.2.a. Vérifier que E(M)=2\mathrm{E}(M)=2 et montrer que V(M)=0,076 8\mathrm{V}(M)=0{,}076\,8.
  • B.2.b. À l'aide de l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev, montrer que la probabilité que la moyenne des tests positifs soit strictement inférieure à 77 est supérieure à 0,990{,}99.
    Indication : on pourra utiliser, sans justification, le fait que : P(M<7)=P(−3<M<7)P(M<7)=P(-3<M<7).
  • Partie C
  • On désigne par nn un entier naturel non nul.
  • On s'intéresse à une chaîne de transmission de l'information composée de nn relais.
  • On considère l'évènement AnA_{n} : « le message reçu par le nn-ième relai est sans erreur ».
  • On note pnp_{n} la probabilité que le message reçu au nn-ième relai soit sans erreur.
  • On a ainsi pn=P(An)p_{n}=P\left(A_{n}\right) et p1=0,96p_{1}=0{,}96.
  • On admet que pour tout entier naturel n⩾1n\geqslant 1, pn+1=0,59pn+0,35p_{n+1}=0{,}59p_{n}+0{,}35.
  • C.1. Montrer par récurrence que pour tout entier naturel n⩾1n\geqslant 1, pn+1⩽pnp_{n+1}\leqslant p_{n}.
  • C.2. Montrer que la suite (pn)(p_{n}) est convergente.
  • C.3. Déterminer la valeur exacte de sa limite.

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A.1
A.3
B.1.a
B.1.b
B.1.c
B.2.b
C.3
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Réponses

  • A.1 P(A1)=0,96P(A_{1})=0{,}96 ; P(A1‾)=0,04P\big(\overline{A_{1}}\big)=0{,}04 ; PA1(A2)=0,94P_{A_{1}}(A_{2})=0{,}94 ; PA1(A2‾)=0,06P_{A_{1}}\big(\overline{A_{2}}\big)=0{,}06 ; PA1‾(A2)=0,35P_{\overline{A_{1}}}(A_{2})=0{,}35 ; PA1‾(A2‾)=0,65P_{\overline{A_{1}}}\big(\overline{A_{2}}\big)=0{,}65
  • A.2 P(A2)=0,96×0,94+0,04×0,35=0,916 4P(A_{2})=0{,}96\times 0{,}94+0{,}04\times 0{,}35=0{,}916\,4 (probabilités totales)
  • A.3 PA2(A1‾)=0,0140,916 4≈0,015 3P_{A_{2}}\big(\overline{A_{1}}\big)=\dfrac{0{,}014}{0{,}916\,4}\approx 0{,}015\,3 : environ 1,53 %1{,}53\,\% des messages reçus sans erreur au deuxième relai étaient arrivés avec erreurs au premier
  • B.1.a P(X=4)=(504)0,044 0,9646≈0,09P(X=4)=\binom{50}{4}0{,}04^{4}\,0{,}96^{46}\approx 0{,}09
  • B.1.b P(X⩾1)=1−0,9650≈0,87P(X\geqslant 1)=1-0{,}96^{50}\approx 0{,}87
  • B.1.c E(X)=2\mathrm{E}(X)=2 ; V(X)=1,92\mathrm{V}(X)=1{,}92
  • B.2.a E(M)=2\mathrm{E}(M)=2 ; V(M)=25×1,92252=0,076 8\mathrm{V}(M)=\dfrac{25\times 1{,}92}{25^{2}}=0{,}076\,8
  • B.2.b P(M<7)⩾1−0,076 825=0,996 928>0,99P(M<7)\geqslant 1-\dfrac{0{,}076\,8}{25}=0{,}996\,928>0{,}99
  • C.1 Initialisation p2=0,916 4⩽0,96p_{2}=0{,}916\,4\leqslant 0{,}96 ; hérédité en multipliant par 0,59>00{,}59>0 puis en ajoutant 0,350{,}35
  • C.2 (pn)(p_{n}) décroissante et minorée par 00 : elle converge (convergence monotone)
  • C.3 ℓ=3541≈0,853 7\ell=\dfrac{35}{41}\approx 0{,}853\,7

A.1. Dans un arbre pondéré, les branches du premier niveau portent des probabilités simples et celles du second niveau des probabilités CONDITIONNELLES, sachant l'évènement du nœud d'où elles partent.

Premier niveau : P(A1)=0,96P(A_{1})=0{,}96 est donné, et par l'évènement contraire P(A1‾)=1−0,96=0,04P\big(\overline{A_{1}}\big)=1-0{,}96=0{,}04.

Second niveau, depuis A1A_{1} (message reçu sans erreur par le premier relai) : il est transmis sans erreur avec une probabilité de 94 %94\,\%, donc PA1(A2)=0,94P_{A_{1}}(A_{2})=0{,}94 et PA1(A2‾)=0,06P_{A_{1}}\big(\overline{A_{2}}\big)=0{,}06. Depuis A1‾\overline{A_{1}} (message reçu avec erreurs) : les erreurs sont corrigées avec une probabilité de 35 %35\,\%, donc PA1‾(A2)=0,35P_{\overline{A_{1}}}(A_{2})=0{,}35 et PA1‾(A2‾)=0,65P_{\overline{A_{1}}}\big(\overline{A_{2}}\big)=0{,}65.

Contrôle : les probabilités issues d'un même nœud ont pour somme 11 (0,96+0,040{,}96+0{,}04, 0,94+0,060{,}94+0{,}06, 0,35+0,650{,}35+0{,}65). L'arbre complété figure en fin de corrigé. Erreur fréquente : écrire 0,350{,}35 sur la branche de A1‾\overline{A_{1}} vers A2‾\overline{A_{2}}, en lisant « 35 %35\,\% » comme la probabilité de garder des erreurs ; l'énoncé dit le contraire, c'est la probabilité que les erreurs soient CORRIGÉES.

A.2. Formule des probabilités totales, avec la partition {A1 ;A1‾}\big\{A_{1}\,;\overline{A_{1}}\big\} : un message peut arriver sans erreur au deuxième relai par deux chemins de l'arbre.

P(A2)=P(A1∩A2)+P(A1‾∩A2)=P(A1) PA1(A2)+P(A1‾) PA1‾(A2)=0,96×0,94+0,04×0,35=0,902 4+0,014=0,916 4P(A_{2})=P(A_{1}\cap A_{2})+P\big(\overline{A_{1}}\cap A_{2}\big)=P(A_{1})\,P_{A_{1}}(A_{2})+P\big(\overline{A_{1}}\big)\,P_{\overline{A_{1}}}(A_{2})=0{,}96\times 0{,}94+0{,}04\times 0{,}35=0{,}902\,4+0{,}014=0{,}916\,4.

Erreur fréquente : ne garder que le premier chemin et répondre 0,902 40{,}902\,4. Le second chemin, celui du message abîmé puis réparé, ne pèse que 0,0140{,}014 mais il est indispensable pour tomber sur la valeur annoncée.

A.3. On cherche une probabilité conditionnée par A2A_{2} alors que l'arbre commence par A1A_{1} : on « retourne » l'arbre en revenant à la définition (démarche de la formule de Bayes).

PA2(A1‾)=P(A1‾∩A2)P(A2)=0,04×0,350,916 4=0,0140,916 4≈0,015 277P_{A_{2}}\big(\overline{A_{1}}\big)=\dfrac{P\big(\overline{A_{1}}\cap A_{2}\big)}{P(A_{2})}=\dfrac{0{,}04\times 0{,}35}{0{,}916\,4}=\dfrac{0{,}014}{0{,}916\,4}\approx 0{,}015\,277, soit 0,015 30{,}015\,3 arrondi à 10−410^{-4}.

Interprétation : parmi les messages reçus sans erreur par le deuxième relai, environ 1,53 %1{,}53\,\% avaient été reçus avec des erreurs par le premier relai (leurs erreurs ont été corrigées en route). Autrement dit, un message propre au deuxième relai était presque toujours déjà propre au premier.

Piège : confondre PA2(A1‾)P_{A_{2}}\big(\overline{A_{1}}\big) avec PA1‾(A2)=0,35P_{\overline{A_{1}}}(A_{2})=0{,}35, lu sur l'arbre. Le dénominateur est la probabilité de l'évènement QU'ON SAIT RÉALISÉ, ici A2A_{2}. L'interprétation doit nommer cette population de référence : les messages reçus sans erreur au deuxième relai.

B.1.a. XX suit la loi binomiale B(50 ;0,04)\mathcal{B}(50\,;0{,}04), donc pour tout entier kk de 00 à 5050 : P(X=k)=(50k)0,04k 0,9650−kP(X=k)=\binom{50}{k}0{,}04^{k}\,0{,}96^{50-k}.

Pour k=4k=4 : P(X=4)=(504)×0,044×0,9646P(X=4)=\binom{50}{4}\times 0{,}04^{4}\times 0{,}96^{46}, avec (504)=50×49×48×474×3×2×1=230 300\binom{50}{4}=\dfrac{50\times 49\times 48\times 47}{4\times 3\times 2\times 1}=230\,300. On obtient P(X=4)≈0,090 2P(X=4)\approx 0{,}090\,2, soit 0,090{,}09 arrondi à 10−210^{-2} (à la calculatrice, la fonction de probabilité binomiale, souvent notée binomFdp).

Erreur fréquente : utiliser la fonction cumulée (binomFRép), qui donne P(X⩽4)≈0,95P(X\leqslant 4)\approx 0{,}95 et non la probabilité d'exactement 44 tests positifs.

B.1.b. « Au moins un » se traite par l'évènement contraire, « aucun » : P(X⩾1)=1−P(X=0)=1−(500)0,040 0,9650=1−0,9650P(X\geqslant 1)=1-P(X=0)=1-\binom{50}{0}0{,}04^{0}\,0{,}96^{50}=1-0{,}96^{50}.

0,9650≈0,129 90{,}96^{50}\approx 0{,}129\,9, donc P(X⩾1)≈0,870 1P(X\geqslant 1)\approx 0{,}870\,1, soit 0,870{,}87 arrondi à 10−210^{-2}. Même avec une probabilité de 0,040{,}04 par test, un échantillon de 5050 tests contient au moins un test positif dans 87 %87\,\% des cas.

Piège : écrire 1−P(X⩽1)1-P(X\leqslant 1), qui est P(X⩾2)P(X\geqslant 2). Le contraire de « X⩾1X\geqslant 1 » est « X=0X=0 », et lui seul.

B.1.c. Pour une loi binomiale B(n ;p)\mathcal{B}(n\,;p) : E(X)=np\mathrm{E}(X)=np et V(X)=np(1−p)\mathrm{V}(X)=np(1-p). Ici E(X)=50×0,04=2\mathrm{E}(X)=50\times 0{,}04=2 et V(X)=50×0,04×0,96=1,92\mathrm{V}(X)=50\times 0{,}04\times 0{,}96=1{,}92.

En moyenne, un échantillon de 5050 tests contient 22 tests positifs. Cohérence avec la suite : ce sont exactement l'espérance 22 et la variance 1,921{,}92 que la question 2 admet pour chacune des variables X1X_{1}, ..., X25X_{25}. Erreur fréquente : oublier le facteur 1−p1-p et donner V(X)=2\mathrm{V}(X)=2.

B.2.a. Espérance, par linéarité (valable sans hypothèse d'indépendance) : E(M)=125(E(X1)+⋯+E(X25))=125×25×2=2\mathrm{E}(M)=\dfrac{1}{25}\big(\mathrm{E}(X_{1})+\cdots+\mathrm{E}(X_{25})\big)=\dfrac{1}{25}\times 25\times 2=2.

Variance : d'abord V(aY)=a2 V(Y)\mathrm{V}(aY)=a^{2}\,\mathrm{V}(Y), donc V(M)=1252 V(X1+⋯+X25)\mathrm{V}(M)=\dfrac{1}{25^{2}}\,\mathrm{V}(X_{1}+\cdots+X_{25}). Ensuite, les 2525 variables étant INDÉPENDANTES, la variance de leur somme est la somme de leurs variances, 25×1,92=4825\times 1{,}92=48. D'où V(M)=48625=1,9225=0,076 8\mathrm{V}(M)=\dfrac{48}{625}=\dfrac{1{,}92}{25}=0{,}076\,8.

Les deux pièges : sortir 125\dfrac{1}{25} de la variance sans l'élever au carré (on trouverait 1,921{,}92), et additionner les variances sans citer l'indépendance, qui est la seule raison pour laquelle on en a le droit.

B.2.b. L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev, appliquée à MM d'espérance 22 et de variance 0,076 80{,}076\,8, s'écrit pour tout réel δ>0\delta>0 : P(∣M−2∣⩾δ)⩽V(M)δ2P\big(|M-2|\geqslant\delta\big)\leqslant\dfrac{\mathrm{V}(M)}{\delta^{2}}.

L'intervalle ]−3 ;7[]-3\,;7[ est centré en 22, de demi-largeur 55 : −3<M<7  ⟺  −5<M−2<5  ⟺  ∣M−2∣<5-3<M<7\iff -5<M-2<5\iff|M-2|<5. On prend donc δ=5\delta=5 : P(∣M−2∣⩾5)⩽0,076 825=0,003 072P\big(|M-2|\geqslant 5\big)\leqslant\dfrac{0{,}076\,8}{25}=0{,}003\,072.

On passe à l'évènement contraire, ce qui renverse le sens de l'inégalité : P(−3<M<7)=1−P(∣M−2∣⩾5)⩾1−0,003 072=0,996 928P(-3<M<7)=1-P\big(|M-2|\geqslant 5\big)\geqslant 1-0{,}003\,072=0{,}996\,928. Avec l'indication, P(M<7)=P(−3<M<7)⩾0,996 928>0,99P(M<7)=P(-3<M<7)\geqslant 0{,}996\,928>0{,}99 : la probabilité que la moyenne des tests positifs soit strictement inférieure à 77 est bien supérieure à 0,990{,}99.

Pourquoi l'indication est juste : MM est une moyenne de nombres de tests, donc M⩾0>−3M\geqslant 0>-3 toujours, et la condition −3<M-3<M ne retire rien. Elle sert à se ramener à un intervalle CENTRÉ en l'espérance, seule forme que l'inégalité sait traiter. Erreur fréquente : prendre δ=7\delta=7 (la borne) au lieu de δ=7−2=5\delta=7-2=5 (l'écart à l'espérance).

C.1. Raisonnement par récurrence. Pour tout entier n⩾1n\geqslant 1, on note P(n)\mathcal{P}(n) la propriété : « pn+1⩽pnp_{n+1}\leqslant p_{n} ».

Initialisation, n=1n=1 : p2=0,59×0,96+0,35=0,566 4+0,35=0,916 4p_{2}=0{,}59\times 0{,}96+0{,}35=0{,}566\,4+0{,}35=0{,}916\,4 et p1=0,96p_{1}=0{,}96, donc p2⩽p1p_{2}\leqslant p_{1} : P(1)\mathcal{P}(1) est vraie. On retrouve au passage la valeur de P(A2)P(A_{2}) de la partie A.

Hérédité : soit n⩾1n\geqslant 1 un entier tel que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie, c'est-à-dire pn+1⩽pnp_{n+1}\leqslant p_{n}. En multipliant par 0,590{,}59, qui est strictement positif, le sens de l'inégalité est conservé : 0,59pn+1⩽0,59pn0{,}59p_{n+1}\leqslant 0{,}59p_{n}. En ajoutant 0,350{,}35 : 0,59pn+1+0,35⩽0,59pn+0,350{,}59p_{n+1}+0{,}35\leqslant 0{,}59p_{n}+0{,}35, c'est-à-dire pn+2⩽pn+1p_{n+2}\leqslant p_{n+1}. P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie.

Conclusion : la propriété est vraie au rang 11 et héréditaire, donc, par le principe de récurrence, pn+1⩽pnp_{n+1}\leqslant p_{n} pour tout entier n⩾1n\geqslant 1 : la suite (pn)(p_{n}) est décroissante.

Erreurs fréquentes : écrire l'hypothèse de récurrence « pour tout nn », c'est-à-dire supposer ce qu'on veut démontrer ; ou ne pas dire pourquoi la multiplication par 0,590{,}59 garde le sens de l'inégalité (avec un coefficient négatif, elle le renverserait).

C.2. Théorème de convergence monotone : toute suite décroissante et minorée converge. La suite (pn)(p_{n}) est décroissante (question C.1), et minorée par 00 puisque chaque pnp_{n} est une probabilité : 0⩽pn⩽10\leqslant p_{n}\leqslant 1. Elle est donc convergente.

Le théorème donne l'EXISTENCE de la limite, pas sa valeur : on sait seulement à ce stade qu'elle est comprise entre 00 et p1=0,96p_{1}=0{,}96. Piège : affirmer que la limite vaut 00 parce que la suite est minorée par 00.

C.3. On note ℓ\ell la limite. La suite est définie par pn+1=g(pn)p_{n+1}=g(p_{n}) avec g(x)=0,59x+0,35g(x)=0{,}59x+0{,}35, fonction affine donc continue sur R\mathbb{R}. Quand n→+∞n\to+\infty, pn+1→ℓp_{n+1}\to\ell et g(pn)→g(ℓ)g(p_{n})\to g(\ell) ; par unicité de la limite, ℓ=g(ℓ)\ell=g(\ell).

ℓ=0,59ℓ+0,35  ⟺  0,41ℓ=0,35  ⟺  ℓ=0,350,41=3541\ell=0{,}59\ell+0{,}35\iff 0{,}41\ell=0{,}35\iff\ell=\dfrac{0{,}35}{0{,}41}=\dfrac{35}{41}. La limite de la suite (pn)(p_{n}) est 3541≈0,853 7\dfrac{35}{41}\approx 0{,}853\,7.

Vérification : 0,59×3541+0,35=20,65+14,3541=35410{,}59\times\dfrac{35}{41}+0{,}35=\dfrac{20{,}65+14{,}35}{41}=\dfrac{35}{41}, et 3541∈[0 ;0,96]\dfrac{35}{41}\in[0\,;0{,}96], cohérent avec C.2. Autre voie : la suite vn=pn−3541v_{n}=p_{n}-\dfrac{35}{41} est géométrique de raison 0,590{,}59, donc tend vers 00.

Interprétation : dans une très longue chaîne, la probabilité qu'un message arrive sans erreur au dernier relai se stabilise autour de 85,4 %85{,}4\,\%, grâce aux corrections. Piège : répondre 0,850{,}85 ou 0,853 70{,}853\,7 alors que l'énoncé demande la valeur EXACTE, 3541\dfrac{35}{41}.

A10,96A20,940,9024non A20,060,0576non A10,04A20,350,014non A20,650,026

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Exercice 2 : Géométrie dans l'espace : un module d'escalade en forme de tétraèdre

5 points Géométrie dans l'espaceLe produit scalaire

Dans une salle d'escalade, un nouveau module en forme de tétraèdre, destiné à être posé au sol, est en cours de fabrication.

Ce module servira à créer des plans inclinés.

On munit l'espace d'un repère orthonormé (A ;ı⃗,ȷ⃗,k⃗)\left(\mathrm{A}\,;\vec{\imath},\vec{\jmath},\vec{k}\right).

L'unité est le mètre.

On considère les trois points suivants : B(92 ;0 ;0)\mathrm{B}\left(\dfrac{9}{2}\,;0\,;0\right), C(94 ;3 ;0)\mathrm{C}\left(\dfrac{9}{4}\,;3\,;0\right) et D(32 ;1 ;3)\mathrm{D}\left(\dfrac{3}{2}\,;1\,;3\right).

On modélise le module par le tétraèdre ABCD.

On souhaite analyser ce module pour des raisons de construction et de sécurité.

Vue en perspective du repère d'origine A et du tétraèdre ABCD. La base ABC est posée dans le plan horizontal, D est au-dessus ; le pied H de la hauteur issue de D est marqué dans la base et relié à D en pointillés. La droite Δ, en rouge, passe par D et descend vers le point L, situé dans le plan de la base, à gauche de A.
  • Partie A
  • 1. On représente ci-contre le triangle ABC et sa hauteur issue de C.
  • Triangle ABC, de base AB horizontale et de sommet C en haut, avec la hauteur issue de C tracée en pointillés : elle tombe perpendiculairement sur AB, au milieu de la base (angle droit marqué).
  • A.1.a. Montrer que le triangle ABC est isocèle en C.
  • A.1.b. Montrer que l'aire du triangle ABC est égale à 6,75 m26{,}75\ \mathrm{m}^{2}.
  • A.2.a. Vérifier qu'une équation cartésienne du plan (ABC) est : z=0z=0.
  • A.2.b. Montrer que le point H(32 ;1 ;0)\mathrm{H}\left(\dfrac{3}{2}\,;1\,;0\right) est le projeté orthogonal du point D sur le plan (ABC).
  • A.3. On rappelle que le volume V\mathcal{V} d'un tétraèdre est donné par V=13×B×h\mathcal{V}=\dfrac{1}{3}\times\mathcal{B}\times h, où B\mathcal{B} est l'aire d'une base et hh la hauteur relative à la base B\mathcal{B}. En déduire le volume du module.
  • Partie B
  • 1. On considère le vecteur n⃗(433)\vec{n}\begin{pmatrix}4\\3\\3\end{pmatrix}.
  • B.1.a. Montrer que le vecteur n⃗\vec{n} est un vecteur normal au plan (BCD).
  • B.1.b. En déduire qu'une équation cartésienne du plan (BCD) est : 4x+3y+3z−18=04x+3y+3z-18=0.
  • B.1.c. Donner une représentation paramétrique de la droite Δ\Delta orthogonale au plan (BCD) et passant par D.
  • B.2. On admet que la droite Δ\Delta et le plan (ABC) sont sécants et on désigne par L leur point d'intersection. Montrer que L a pour coordonnées (−52 ;−2 ;0)\left(-\dfrac{5}{2}\,;-2\,;0\right).
  • B.3. Le module est considéré adapté aux débutants si l'angle LDH^\widehat{\mathrm{LDH}} est strictement inférieur à 60∘60^{\circ}. Montrer que ce module est adapté aux débutants.

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/6

A.1.a
A.1.b
A.3
B.3
Voir la correction

Réponses

  • A.1.a CA=CB=154\mathrm{CA}=\mathrm{CB}=\dfrac{15}{4} m : ABC est isocèle en C
  • A.1.b Hauteur CI=3\mathrm{CI}=3 avec I milieu de [AB] ; aire =12×92×3=274=6,75 m2=\dfrac{1}{2}\times\dfrac{9}{2}\times 3=\dfrac{27}{4}=6{,}75\ \mathrm{m}^{2}
  • A.2.a A, B, C non alignés et de cote nulle : (ABC) a pour équation z=0z=0
  • A.2.b H∈(ABC)\mathrm{H}\in(\mathrm{ABC}) et DH→=−3k⃗\overrightarrow{\mathrm{DH}}=-3\vec{k} normal à (ABC) : H est le projeté orthogonal de D
  • A.3 V=13×274×3=274=6,75 m3\mathcal{V}=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{27}{4}\times 3=\dfrac{27}{4}=6{,}75\ \mathrm{m}^{3}
  • B.1.a n⃗⋅BC→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=0 et n⃗⋅BD→=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BD}}=0, vecteurs non colinéaires : n⃗\vec{n} normal à (BCD)
  • B.1.b 4x+3y+3z+d=04x+3y+3z+d=0 et B\mathrm{B} dans le plan : d=−18d=-18
  • B.1.c Δ:x=32+4t\Delta : x=\dfrac{3}{2}+4t, y=1+3ty=1+3t, z=3+3tz=3+3t, t∈Rt\in\mathbb{R}
  • B.2 z=0z=0 donne t=−1t=-1, d'où L(−52 ;−2 ;0)\mathrm{L}\left(-\dfrac{5}{2}\,;-2\,;0\right)
  • B.3 cos⁡LDH^=334>12\cos\widehat{\mathrm{LDH}}=\dfrac{3}{\sqrt{34}}>\dfrac{1}{2}, donc LDH^≈59,0∘<60∘\widehat{\mathrm{LDH}}\approx 59{,}0^{\circ}<60^{\circ} : module adapté aux débutants

A.1.a. Dans un repère orthonormé, la distance entre deux points se calcule par MN=(xN−xM)2+(yN−yM)2+(zN−zM)2\mathrm{MN}=\sqrt{(x_{N}-x_{M})^{2}+(y_{N}-y_{M})^{2}+(z_{N}-z_{M})^{2}}. Isocèle EN C veut dire : les deux côtés issus de C sont égaux, CA=CB\mathrm{CA}=\mathrm{CB}.

CA→(−94 ;−3 ;0)\overrightarrow{\mathrm{CA}}\left(-\dfrac{9}{4}\,;-3\,;0\right), donc CA=8116+9=81+14416=22516=154\mathrm{CA}=\sqrt{\dfrac{81}{16}+9}=\sqrt{\dfrac{81+144}{16}}=\sqrt{\dfrac{225}{16}}=\dfrac{15}{4}.

CB→(92−94 ;0−3 ;0)=(94 ;−3 ;0)\overrightarrow{\mathrm{CB}}\left(\dfrac{9}{2}-\dfrac{9}{4}\,;0-3\,;0\right)=\left(\dfrac{9}{4}\,;-3\,;0\right), donc CB=8116+9=154\mathrm{CB}=\sqrt{\dfrac{81}{16}+9}=\dfrac{15}{4}.

CA=CB=154=3,75\mathrm{CA}=\mathrm{CB}=\dfrac{15}{4}=3{,}75 m : le triangle ABC est isocèle en C. (Il n'est pas équilatéral : AB=92=4,5\mathrm{AB}=\dfrac{9}{2}=4{,}5 m.) Erreur fréquente : comparer AB et AC, ce qui testerait un triangle isocèle en A.

A.1.b. Dans un triangle isocèle en C, la hauteur issue de C est aussi la médiane : elle coupe [AB] en son milieu I. Comme A(0 ;0 ;0)\mathrm{A}(0\,;0\,;0) et B(92 ;0 ;0)\mathrm{B}\left(\dfrac{9}{2}\,;0\,;0\right), I(94 ;0 ;0)\mathrm{I}\left(\dfrac{9}{4}\,;0\,;0\right).

IC→(0 ;3 ;0)\overrightarrow{\mathrm{IC}}(0\,;3\,;0) donc CI=3\mathrm{CI}=3. Vérification de l'orthogonalité : IC→⋅AB→=0×92+3×0+0×0=0\overrightarrow{\mathrm{IC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=0\times\dfrac{9}{2}+3\times 0+0\times 0=0, la droite (CI) est bien perpendiculaire à (AB).

Aire du triangle : A=AB×CI2=92×32=274=6,75 m2\mathcal{A}=\dfrac{\mathrm{AB}\times\mathrm{CI}}{2}=\dfrac{\dfrac{9}{2}\times 3}{2}=\dfrac{27}{4}=6{,}75\ \mathrm{m}^{2}.

Autre lecture : A et B sont sur l'axe des abscisses et C a pour ordonnée 33 dans le plan z=0z=0, donc la distance de C à la droite (AB) vaut 33. Piège : prendre CA ou CB comme hauteur, ce qui donnerait 8,437 5 m28{,}437\,5\ \mathrm{m}^{2} ; ou oublier de diviser par 22.

A.2.a. Les trois points A, B et C ont une cote nulle, donc ils vérifient tous l'équation z=0z=0. Ils définissent bien un plan : AB→(92 ;0 ;0)\overrightarrow{\mathrm{AB}}\left(\dfrac{9}{2}\,;0\,;0\right) et AC→(94 ;3 ;0)\overrightarrow{\mathrm{AC}}\left(\dfrac{9}{4}\,;3\,;0\right) ne sont pas colinéaires (la deuxième coordonnée du premier est nulle, pas celle du second). Le plan (ABC) est donc le plan d'équation z=0z=0, c'est-à-dire le plan (A ;ı⃗,ȷ⃗)\left(\mathrm{A}\,;\vec{\imath},\vec{\jmath}\right) : le sol.

Le point à ne pas oublier : trois points d'un plan d'équation z=0z=0 ne suffisent à le désigner que s'ils ne sont pas alignés.

A.2.b. Le projeté orthogonal de D sur le plan (ABC) est l'unique point H du plan tel que la droite (DH) soit orthogonale au plan. Il y a donc DEUX conditions à vérifier.

Appartenance : H a une cote nulle, donc H∈(ABC)\mathrm{H}\in(\mathrm{ABC}). Orthogonalité : DH→(32−32 ;1−1 ;0−3)=(0 ;0 ;−3)=−3k⃗\overrightarrow{\mathrm{DH}}\left(\dfrac{3}{2}-\dfrac{3}{2}\,;1-1\,;0-3\right)=(0\,;0\,;-3)=-3\vec{k}. Or k⃗(0 ;0 ;1)\vec{k}(0\,;0\,;1) est un vecteur normal au plan d'équation z=0z=0 (coefficients de xx, yy, zz dans l'équation). DH→\overrightarrow{\mathrm{DH}} est colinéaire à un vecteur normal du plan, donc (DH) est orthogonale à (ABC).

H est donc le projeté orthogonal de D sur (ABC). Erreur fréquente : ne vérifier que l'une des deux conditions ; un point du plan quelconque, ou un point quelconque de la verticale de D, ne suffit pas.

A.3. On prend pour base le triangle ABC, d'aire B=274 m2\mathcal{B}=\dfrac{27}{4}\ \mathrm{m}^{2} (question A.1.b). La hauteur relative à cette base est la distance de D au plan (ABC), c'est-à-dire DH\mathrm{DH}, puisque H est le projeté orthogonal de D : h=DH=∥DH→∥=3h=\mathrm{DH}=\left\|\overrightarrow{\mathrm{DH}}\right\|=3 m.

V=13×274×3=274=6,75 m3\mathcal{V}=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{27}{4}\times 3=\dfrac{27}{4}=6{,}75\ \mathrm{m}^{3}. Le volume du module est de 6,75 m36{,}75\ \mathrm{m}^{3}.

Vérification : D a pour cote 33 et la base est au sol, donc la hauteur est bien la cote de D. Pièges : oublier le facteur 13\dfrac{1}{3} (on trouverait 20,25 m320{,}25\ \mathrm{m}^{3}, le volume d'un prisme) ou écrire l'unité en m2\mathrm{m}^{2}.

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→(94−92 ;3 ;0)=(−94 ;3 ;0)\overrightarrow{\mathrm{BC}}\left(\dfrac{9}{4}-\dfrac{9}{2}\,;3\,;0\right)=\left(-\dfrac{9}{4}\,;3\,;0\right) et BD→(32−92 ;1 ;3)=(−3 ;1 ;3)\overrightarrow{\mathrm{BD}}\left(\dfrac{3}{2}-\dfrac{9}{2}\,;1\,;3\right)=(-3\,;1\,;3).

Ils ne sont pas colinéaires : la troisième coordonnée de BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}} est nulle et pas celle de BD→\overrightarrow{\mathrm{BD}}, alors que BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}} n'est pas le vecteur nul.

Produits scalaires : n⃗⋅BC→=4×(−94)+3×3+3×0=−9+9+0=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=4\times\left(-\dfrac{9}{4}\right)+3\times 3+3\times 0=-9+9+0=0 et n⃗⋅BD→=4×(−3)+3×1+3×3=−12+3+9=0\vec{n}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BD}}=4\times(-3)+3\times 1+3\times 3=-12+3+9=0.

n⃗\vec{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (BCD) : c'est un vecteur normal à ce plan. Piège : un seul produit scalaire nul ne prouve rien, il faut les deux, et la non-colinéarité se dit.

B.1.b. Un plan de vecteur normal n⃗(a ;b ;c)\vec{n}(a\,;b\,;c) admet une équation cartésienne de la forme ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0. Avec n⃗(4 ;3 ;3)\vec{n}(4\,;3\,;3) : 4x+3y+3z+d=04x+3y+3z+d=0.

Le point B appartient au plan : 4×92+3×0+3×0+d=04\times\dfrac{9}{2}+3\times 0+3\times 0+d=0, soit 18+d=018+d=0 et d=−18d=-18. Une équation cartésienne du plan (BCD) est donc 4x+3y+3z−18=04x+3y+3z-18=0.

Vérification avec les deux autres points : pour C, 4×94+3×3+0−18=9+9−18=04\times\dfrac{9}{4}+3\times 3+0-18=9+9-18=0 ; pour D, 4×32+3×1+3×3−18=6+3+9−18=04\times\dfrac{3}{2}+3\times 1+3\times 3-18=6+3+9-18=0. Les trois points sont bien dans le plan.

B.1.c. La droite Δ\Delta est orthogonale au plan (BCD) : elle est dirigée par un vecteur normal de ce plan, n⃗(4 ;3 ;3)\vec{n}(4\,;3\,;3). Elle passe par D(32 ;1 ;3)\mathrm{D}\left(\dfrac{3}{2}\,;1\,;3\right).

Un point M(x ;y ;z)M(x\,;y\,;z) appartient à Δ\Delta si et seulement s'il existe un réel tt tel que DM→=t n⃗\overrightarrow{\mathrm{D}M}=t\,\vec{n}, ce qui donne la représentation paramétrique : x=32+4tx=\dfrac{3}{2}+4t, y=1+3ty=1+3t, z=3+3tz=3+3t, t∈Rt\in\mathbb{R}.

Toute autre représentation obtenue avec un vecteur directeur colinéaire à n⃗\vec{n} et un autre point de Δ\Delta est juste aussi. Erreurs fréquentes : oublier « t∈Rt\in\mathbb{R} », ou prendre pour vecteur directeur un vecteur DU plan, comme BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}}, ce qui donnerait une droite parallèle au plan et non orthogonale.

B.2. Le point L est sur Δ\Delta et dans le plan (ABC), d'équation z=0z=0. On cherche donc la valeur du paramètre pour laquelle la cote s'annule : 3+3t=0  ⟺  t=−13+3t=0\iff t=-1.

Pour t=−1t=-1 : x=32−4=−52x=\dfrac{3}{2}-4=-\dfrac{5}{2}, y=1−3=−2y=1-3=-2, z=0z=0. Le point d'intersection est L(−52 ;−2 ;0)\mathrm{L}\left(-\dfrac{5}{2}\,;-2\,;0\right).

Le paramètre t=−1t=-1 est unique, ce qui confirme que la droite et le plan sont sécants en un seul point. Piège : remplacer dans l'équation du plan (BCD) au lieu de celle de (ABC) ; on retrouverait t=0t=0, c'est-à-dire D lui-même.

B.3. L'angle LDH^\widehat{\mathrm{LDH}} a pour sommet D : on le calcule avec le produit scalaire des vecteurs ISSUS DE D, DL→⋅DH→=DL×DH×cos⁡LDH^\overrightarrow{\mathrm{DL}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{DH}}=\mathrm{DL}\times\mathrm{DH}\times\cos\widehat{\mathrm{LDH}}.

DL→(−52−32 ;−2−1 ;0−3)=(−4 ;−3 ;−3)\overrightarrow{\mathrm{DL}}\left(-\dfrac{5}{2}-\dfrac{3}{2}\,;-2-1\,;0-3\right)=(-4\,;-3\,;-3), qui vaut −n⃗-\vec{n}, cohérent avec t=−1t=-1. DH→(0 ;0 ;−3)\overrightarrow{\mathrm{DH}}(0\,;0\,;-3).

DL→⋅DH→=0+0+(−3)×(−3)=9\overrightarrow{\mathrm{DL}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{DH}}=0+0+(-3)\times(-3)=9, DL=16+9+9=34\mathrm{DL}=\sqrt{16+9+9}=\sqrt{34} et DH=3\mathrm{DH}=3. Donc cos⁡LDH^=9334=334≈0,514 5\cos\widehat{\mathrm{LDH}}=\dfrac{9}{3\sqrt{34}}=\dfrac{3}{\sqrt{34}}\approx 0{,}514\,5.

Comparaison à 60∘60^{\circ}, dont le cosinus vaut 12\dfrac{1}{2} : 334>12  ⟺  6>34  ⟺  36>34\dfrac{3}{\sqrt{34}}>\dfrac{1}{2}\iff 6>\sqrt{34}\iff 36>34, ce qui est vrai. La fonction cosinus étant strictement décroissante sur [0∘ ;180∘][0^{\circ}\,;180^{\circ}], cos⁡LDH^>cos⁡60∘\cos\widehat{\mathrm{LDH}}>\cos 60^{\circ} entraîne LDH^<60∘\widehat{\mathrm{LDH}}<60^{\circ}. À la calculatrice, LDH^≈59,0∘\widehat{\mathrm{LDH}}\approx 59{,}0^{\circ}. Le module est adapté aux débutants.

Autre voie : L et H sont dans le plan (ABC) et (DH) est orthogonale à ce plan, donc le triangle LDH est rectangle en H, et cos⁡LDH^=DHDL=334\cos\widehat{\mathrm{LDH}}=\dfrac{\mathrm{DH}}{\mathrm{DL}}=\dfrac{3}{\sqrt{34}}, la même valeur.

La marge est mince, 59,04∘59{,}04^{\circ} contre 60∘60^{\circ} : arrondir le cosinus à 0,50{,}5 trop tôt ferait conclure à un angle de 60∘60^{\circ} et rater la question. Autre piège : prendre LD→\overrightarrow{\mathrm{LD}} au lieu de DL→\overrightarrow{\mathrm{DL}}, ce qui change le signe du produit scalaire et donne l'angle supplémentaire, environ 121∘121^{\circ}.

Exercice 3 : Vrai ou faux : équations différentielles, convexité et asymptote

4 points Les équations différentiellesLa convexitéLimites et continuitéDérivation et trigonométrie

Pour chacune des affirmations suivantes, indiquer si elle est vraie ou fausse.

Justifier chaque réponse.

Une réponse non justifiée ne rapporte aucun point.

  • 1. Le plan est muni d'un repère orthonormé.
  • 1.a. On considère l'équation différentielle (E1): y′+2y=0\left(E_{1}\right) :\ y'+2y=0, où yy est une fonction de la variable xx définie sur R\mathbb{R}. On note ff la solution de l'équation différentielle (E1)(E_{1}) telle que f(0)=1f(0)=1.
    Affirmation 1 : La courbe représentative de la fonction ff passe par le point A de coordonnées (ln⁡2 ;12)\left(\ln 2\,;\dfrac{1}{2}\right).
  • 1.b. On considère la fonction ff définie sur l'intervalle [π2 ;π]\left[\dfrac{\pi}{2}\,;\pi\right] par : f(x)=x−cos⁡(x)f(x)=x-\cos(x).
    Affirmation 2 : Sur l'intervalle [π2 ;π]\left[\dfrac{\pi}{2}\,;\pi\right], la courbe représentative de la fonction ff est au-dessus de ses tangentes.
  • 1.c. On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par : f(x)=1+sin⁡(x)xf(x)=1+\dfrac{\sin(x)}{x}.
    Affirmation 3 : La droite d'équation y=1y=1 est une asymptote horizontale de la courbe représentative de la fonction ff.
  • 2. On considère l'équation différentielle (E2): y′−3y=2−6x\left(E_{2}\right) :\ y'-3y=2-6x, où yy est une fonction de la variable xx définie sur R\mathbb{R}.
    Affirmation 4 : La fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=2x−e3xf(x)=2x-\mathrm{e}^{3x} est une solution de l'équation (E2)(E_{2}).

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/4

1.a
1.b
1.c
2
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Réponses

  • 1.a Faux : f(x)=e−2xf(x)=\mathrm{e}^{-2x} et f(ln⁡2)=14≠12f(\ln 2)=\dfrac{1}{4}\neq\dfrac{1}{2}
  • 1.b Faux : f′′(x)=cos⁡x⩽0f''(x)=\cos x\leqslant 0 sur [π2 ;π]\left[\dfrac{\pi}{2}\,;\pi\right], ff est concave, sa courbe est au-dessous de ses tangentes
  • 1.c Vrai : sin⁡xx→0\dfrac{\sin x}{x}\to 0 par encadrement, donc f(x)→1f(x)\to 1 en +∞+\infty
  • 2 Vrai : f′(x)−3f(x)=2−3e3x−6x+3e3x=2−6xf'(x)-3f(x)=2-3\mathrm{e}^{3x}-6x+3\mathrm{e}^{3x}=2-6x

1.a. Affirmation 1 : fausse. L'équation y′+2y=0y'+2y=0 s'écrit y′=−2yy'=-2y, de la forme y′=ayy'=ay avec a=−2a=-2. Ses solutions sur R\mathbb{R} sont les fonctions x↦Ce−2xx\mapsto C\mathrm{e}^{-2x}, où CC est une constante réelle.

Condition initiale : f(0)=Ce0=C=1f(0)=C\mathrm{e}^{0}=C=1, donc f(x)=e−2xf(x)=\mathrm{e}^{-2x} pour tout réel xx.

Alors f(ln⁡2)=e−2ln⁡2=(eln⁡2)−2=2−2=14f(\ln 2)=\mathrm{e}^{-2\ln 2}=\left(\mathrm{e}^{\ln 2}\right)^{-2}=2^{-2}=\dfrac{1}{4}. Comme 14≠12\dfrac{1}{4}\neq\dfrac{1}{2}, le point A(ln⁡2 ;12)\mathrm{A}\left(\ln 2\,;\dfrac{1}{2}\right) n'est pas sur la courbe de ff : l'affirmation 1 est fausse.

Le piège est double. Le signe : réécrire y′+2y=0y'+2y=0 en y′=2yy'=2y donnerait f(x)=e2xf(x)=\mathrm{e}^{2x} et f(ln⁡2)=4f(\ln 2)=4. Et le facteur 22 : la valeur 12\dfrac{1}{2} proposée est e−ln⁡2\mathrm{e}^{-\ln 2}, celle qu'on obtiendrait avec f(x)=e−xf(x)=\mathrm{e}^{-x}, solution de y′+y=0y'+y=0.

1.b. Affirmation 2 : fausse. Une fonction deux fois dérivable sur un intervalle est convexe sur cet intervalle, c'est-à-dire que sa courbe est au-dessus de ses tangentes, si et seulement si sa dérivée seconde y est positive. On étudie donc le signe de f′′f''.

f′(x)=1−(−sin⁡x)=1+sin⁡xf'(x)=1-(-\sin x)=1+\sin x, puis f′′(x)=cos⁡xf''(x)=\cos x. Sur [π2 ;π]\left[\dfrac{\pi}{2}\,;\pi\right], cos⁡x⩽0\cos x\leqslant 0 (il est nul en π2\dfrac{\pi}{2} et strictement négatif ensuite). La fonction ff est donc CONCAVE sur cet intervalle : sa courbe est au-dessous de ses tangentes, et l'affirmation 2 est fausse.

Contre-exemple explicite, pour qui préfère ne pas s'appuyer sur la seule propriété : la tangente en π\pi a pour équation y=f′(π)(x−π)+f(π)=1×(x−π)+π+1=x+1y=f'(\pi)(x-\pi)+f(\pi)=1\times(x-\pi)+\pi+1=x+1, car f′(π)=1+sin⁡π=1f'(\pi)=1+\sin\pi=1 et f(π)=π−cos⁡π=π+1f(\pi)=\pi-\cos\pi=\pi+1. En x=π2x=\dfrac{\pi}{2}, la courbe passe par f(π2)=π2f\left(\dfrac{\pi}{2}\right)=\dfrac{\pi}{2} et la tangente par π2+1\dfrac{\pi}{2}+1 : la courbe est sous cette tangente.

Erreurs fréquentes : dériver −cos⁡x-\cos x en −sin⁡x-\sin x (la dérivée de cos⁡\cos est −sin⁡-\sin, donc celle de −cos⁡-\cos est +sin⁡+\sin), ou conclure sur le signe de f′f', qui renseigne sur les variations et non sur la position par rapport aux tangentes. Ici f′(x)=1+sin⁡x⩾0f'(x)=1+\sin x\geqslant 0 : ff est croissante, mais concave.

1.c. Affirmation 3 : vraie. La droite y=1y=1 est asymptote horizontale en +∞+\infty si lim⁡x→+∞f(x)=1\lim_{x\to+\infty}f(x)=1, c'est-à-dire si lim⁡x→+∞sin⁡xx=0\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\sin x}{x}=0. Le sinus n'a pas de limite en +∞+\infty : on raisonne par encadrement (théorème des gendarmes).

Pour tout réel xx, −1⩽sin⁡x⩽1-1\leqslant\sin x\leqslant 1. En divisant par x>0x>0, ce qui conserve le sens des inégalités : −1x⩽sin⁡xx⩽1x-\dfrac{1}{x}\leqslant\dfrac{\sin x}{x}\leqslant\dfrac{1}{x}. Or lim⁡x→+∞−1x=lim⁡x→+∞1x=0\lim_{x\to+\infty}-\dfrac{1}{x}=\lim_{x\to+\infty}\dfrac{1}{x}=0. D'après le théorème des gendarmes, lim⁡x→+∞sin⁡xx=0\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\sin x}{x}=0, donc lim⁡x→+∞f(x)=1\lim_{x\to+\infty}f(x)=1.

La droite d'équation y=1y=1 est une asymptote horizontale à la courbe de ff en +∞+\infty : l'affirmation 3 est vraie.

Remarque utile : la courbe coupe son asymptote une infinité de fois, en chaque x=kπx=k\pi (kk entier non nul) où sin⁡x=0\sin x=0. Cela n'empêche rien : une asymptote décrit le comportement à l'infini, pas l'absence de point commun. Piège : invoquer la limite sin⁡xx→1\dfrac{\sin x}{x}\to 1, qui est vraie en 00 et pas en +∞+\infty.

2. Affirmation 4 : vraie. Pour savoir si une fonction donnée est solution d'une équation différentielle, on la remplace dans l'équation : il n'y a rien à résoudre.

ff est dérivable sur R\mathbb{R} et f′(x)=2−3e3xf'(x)=2-3\mathrm{e}^{3x} (dérivée de eu\mathrm{e}^{u} égale à u′euu'\mathrm{e}^{u}, avec u(x)=3xu(x)=3x). Pour tout réel xx : f′(x)−3f(x)=2−3e3x−3(2x−e3x)=2−3e3x−6x+3e3x=2−6xf'(x)-3f(x)=2-3\mathrm{e}^{3x}-3\left(2x-\mathrm{e}^{3x}\right)=2-3\mathrm{e}^{3x}-6x+3\mathrm{e}^{3x}=2-6x.

L'égalité f′(x)−3f(x)=2−6xf'(x)-3f(x)=2-6x est vraie pour TOUT réel xx : ff est une solution de (E2)(E_{2}), l'affirmation 4 est vraie.

Pour aller plus loin : la fonction x↦2xx\mapsto 2x est une solution particulière (sa dérivée 22 vérifie 2−6x=2−6x2-6x=2-6x), et les solutions de l'équation homogène y′=3yy'=3y sont les x↦Ce3xx\mapsto C\mathrm{e}^{3x}. Les solutions de (E2)(E_{2}) sont donc les x↦Ce3x+2xx\mapsto C\mathrm{e}^{3x}+2x, et ff correspond à C=−1C=-1. Piège : oublier le facteur 33 en dérivant e3x\mathrm{e}^{3x} ; les exponentielles ne se simplifieraient plus et l'on conclurait à tort que l'affirmation est fausse.

Exercice 4 : Fonction logarithme : une famille de fonctions, courbes dérivées, algorithme et valeur moyenne

5 points Exponentielle et logarithmeLa convexitéLimites et continuitéPrimitives et intégration

On considère la fonction fkf_{k} définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par : fk(x)=1−x+k(1+ln⁡x)xf_{k}(x)=1-x+\dfrac{k(1+\ln x)}{x}

où kk est un réel strictement positif et ln désigne la fonction logarithme népérien.

On désigne par Ck\mathcal{C}_{k} la représentation graphique de la fonction fkf_{k} dans un repère orthonormé.

On admet que la fonction fkf_{k} est deux fois dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

On note fk′f_{k}' sa dérivée première et fk′′f_{k}'' sa dérivée seconde.

  • Partie A : étude d'un premier cas particulier
  • Dans cette partie, on se place dans le cas k=2k=2.
  • La courbe C2\mathcal{C}_{2} est représentée sur le graphique ci-dessous.
  • On précise que :
    • Le point A est un point d'inflexion de la courbe C2\mathcal{C}_{2} ;
    • T2T_{2} est la tangente à la courbe C2\mathcal{C}_{2} au point A.
  • Repère orthonormé quadrillé tous les 0,5, graduations 0 et 1 sur les axes, abscisses de 0 à 3,5 environ. La courbe C2, en rouge, monte très vite depuis le bas du repère, coupe l'axe des abscisses vers x = 0,3, atteint un maximum un peu au-dessus de 2 vers x = 0,75, puis redescend presque en ligne droite, passe par le point d'inflexion A, d'abscisse un peu supérieure à 1,5 et d'ordonnée un peu supérieure à 1, et recoupe l'axe des abscisses vers x = 2,5. La tangente T2 en A, en pointillés, est au-dessus de la courbe avant A et au-dessous après A.
  • A.1. On considère une primitive F2F_{2} de la fonction f2f_{2} sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Avec la précision permise par le graphique, donner les variations de la fonction F2F_{2} sur l'intervalle ]0 ;3]]0\,;3].
  • A.2. Parmi les trois courbes ci-dessous, indiquer celle qui représente f2′f_{2}' et celle qui représente f2′′f_{2}''. Justifier.
  • Courbe 1 : elle descend depuis le haut du repère, coupe l'axe des abscisses vers x = 0,75, atteint un minimum d'environ -1,4 vers x = 1,65, puis remonte très lentement en restant sous -1.
    Courbe 1
  • Courbe 2 : elle monte depuis le bas du repère à partir de x = 1 environ, coupe l'axe des abscisses vers x = 1,65, atteint un petit maximum positif, d'environ 0,1, vers x = 2,3, puis redescend très lentement vers 0.
    Courbe 2
  • Courbe 3 : elle monte régulièrement depuis le bas du repère, coupe l'axe des abscisses vers x = 2,5 et continue de croître jusqu'au bord droit.
    Courbe 3
  • Partie B : étude d'un second cas particulier
  • Dans cette partie on se place dans le cas k=1k=1.
  • On considère la fonction f1f_{1} définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par : f1(x)=1−x+1+ln⁡xxf_{1}(x)=1-x+\dfrac{1+\ln x}{x}
  • B.1.a. Montrer que pour tout réel x>0x>0 : f1′(x)=−1−ln⁡xx2f_{1}'(x)=-1-\dfrac{\ln x}{x^{2}}.
  • B.1.b. Déterminer la limite de f1′(x)f_{1}'(x) lorsque xx tend vers +∞+\infty.
  • 2. On admet que :
    • l'axe des ordonnées est une asymptote de la courbe de f1′f_{1}' ;
    • pour tout réel x>0x>0, f1′′(x)=2ln⁡x−1x3f_{1}''(x)=\dfrac{2\ln x-1}{x^{3}}.
  • On donne ci-dessous le tableau de variations de f1′f_{1}' sur l'intervalle ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.
  • Tableau de variations de f1' sur ]0 ; +∞[ : double barre en 0, valeur +∞ ; f1' décroît jusqu'à x = e puissance un demi, où elle vaut -1 - 1/(2e) ; puis f1' croît vers -1 en +∞.
  • B.2.a. Justifier les variations de la fonction f1′f_{1}' sur l'intervalle ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et la valeur de l'extremum.
  • B.2.b. Justifier la limite de la fonction f1′f_{1}' en 00.
  • B.2.c. Montrer qu'il existe une unique solution α\alpha à l'équation f1′(x)=0f_{1}'(x)=0 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. En déduire que f1f_{1} admet un maximum sur l'intervalle ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.
  • B.2.d. Recopier et compléter les pointillés du programme écrit en langage Python ci-dessous, afin qu'il renvoie une valeur approchée à 10−210^{-2} près de la solution α\alpha de l'équation f1′(x)=0f_{1}'(x)=0 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.
  • Programme Python : def d(x) : return -1-ln(x)/x**2 ; puis def alpha() : u = 0.5 ; while d(u) suivi de pointillés et de 0 : ; dans la boucle u = pointillés ; return u.
  • On rappelle que x**2 désigne x2x^{2}.
  • Partie C : kk quelconque
  • On considère la fonction hh définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par h(x)=1+ln⁡xxh(x)=\dfrac{1+\ln x}{x},
  • et la fonction HH définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par H(x)=12(1+ln⁡x)2H(x)=\dfrac{1}{2}(1+\ln x)^{2}.
  • On admet que HH est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.
  • C.1. Montrer que la fonction HH est une primitive de hh.
  • On rappelle que kk est un réel strictement positif et que fkf_{k} est la fonction définie sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par : fk(x)=1−x+k(1+ln⁡x)xf_{k}(x)=1-x+\dfrac{k(1+\ln x)}{x}
  • C.2. Existe-t-il une valeur de kk pour laquelle la valeur moyenne de la fonction fkf_{k} sur l'intervalle [1 ;e][1\,;\mathrm{e}] est égale à 00 ? Justifier.

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A.1
A.2
B.1.b
B.2.a
B.2.b
B.2.c
B.2.d
C.2
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Réponses

  • A.1 F2F_{2} décroissante sur ]0 ;0,3]]0\,;0{,}3], croissante sur [0,3 ;2,5][0{,}3\,;2{,}5], décroissante sur [2,5 ;3][2{,}5\,;3] (valeurs lues)
  • A.2 f2′f_{2}' : courbe 1 ; f2′′f_{2}'' : courbe 2
  • B.1.a (1+ln⁡xx)′=1x×x−(1+ln⁡x)x2=−ln⁡xx2\left(\dfrac{1+\ln x}{x}\right)'=\dfrac{\frac{1}{x}\times x-(1+\ln x)}{x^{2}}=-\dfrac{\ln x}{x^{2}}, d'où f1′(x)=−1−ln⁡xx2f_{1}'(x)=-1-\dfrac{\ln x}{x^{2}}
  • B.1.b lim⁡x→+∞f1′(x)=−1\lim\limits_{x\to+\infty}f_{1}'(x)=-1
  • B.2.a f1′′<0f_{1}''<0 sur ]0 ;e12[\left]0\,;\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right[, >0>0 ensuite ; minimum f1′(e12)=−1−12ef_{1}'\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)=-1-\dfrac{1}{2\mathrm{e}}
  • B.2.b lim⁡x→0f1′(x)=+∞\lim\limits_{x\to 0}f_{1}'(x)=+\infty
  • B.2.c Unique α∈]0 ;e12[\alpha\in\left]0\,;\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right[, α≈0,65\alpha\approx 0{,}65 ; f1f_{1} croît puis décroît : maximum f1(α)f_{1}(\alpha)
  • B.2.d while d(u) > 0 : puis u = u + 0.01 ; le programme renvoie 0,660{,}66
  • C.1 H′(x)=12×2(1+ln⁡x)×1x=h(x)H'(x)=\dfrac{1}{2}\times 2(1+\ln x)\times\dfrac{1}{x}=h(x)
  • C.2 Oui, une seule : k=(e−1)23≈0,98k=\dfrac{(\mathrm{e}-1)^{2}}{3}\approx 0{,}98

A.1. F2F_{2} est une primitive de f2f_{2}, donc F2′=f2F_{2}'=f_{2} : les variations de F2F_{2} se lisent sur le SIGNE de f2f_{2}, c'est-à-dire sur la position de C2\mathcal{C}_{2} par rapport à l'axe des abscisses.

Lecture du graphique : C2\mathcal{C}_{2} est au-dessous de l'axe des abscisses sur ]0 ;0,3[]0\,;0{,}3[ environ, au-dessus sur ]0,3 ;2,5[]0{,}3\,;2{,}5[ environ, puis de nouveau au-dessous sur ]2,5 ;3]]2{,}5\,;3]. Donc f2<0f_{2}<0, puis f2>0f_{2}>0, puis f2<0f_{2}<0.

Conclusion : F2F_{2} est décroissante sur ]0 ;0,3]]0\,;0{,}3], croissante sur [0,3 ;2,5][0{,}3\,;2{,}5], puis décroissante sur [2,5 ;3][2{,}5\,;3] (bornes lues avec la précision du graphique ; la calculatrice donne 0,330{,}33 et 2,532{,}53).

Le piège classique : décrire les variations de f2f_{2} (croissante puis décroissante, avec un maximum vers 0,750{,}75). La courbe tracée est celle de la DÉRIVÉE de F2F_{2} : on lit son signe, pas son sens de variation.

A.2. Courbe de f2′f_{2}'. Le signe de f2′f_{2}' donne le sens de variation de f2f_{2}. Sur le graphique, f2f_{2} est croissante sur ]0 ;0,75]]0\,;0{,}75] environ (jusqu'au sommet de C2\mathcal{C}_{2}) puis décroissante. Donc f2′f_{2}' est positive puis négative, et s'annule vers x=0,75x=0{,}75.

La courbe 1 est la seule qui convient : elle est au-dessus de l'axe puis au-dessous, et coupe l'axe vers 0,750{,}75. La courbe 2 est négative jusqu'à 1,651{,}65 environ, ce qui ferait de f2f_{2} une fonction décroissante au début, et la courbe 3 négative jusqu'à 2,52{,}5 : toutes deux contredisent la croissance de f2f_{2} près de 00. Donc f2′f_{2}' est représentée par la courbe 1.

Courbe de f2′′f_{2}''. Le signe de f2′′f_{2}'' donne la convexité de f2f_{2}. Avant A, C2\mathcal{C}_{2} est au-dessous de sa tangente T2T_{2} (la tangente est au-dessus de la courbe sur la gauche) : f2f_{2} y est concave, f2′′⩽0f_{2}''\leqslant 0. Après A, la courbe passe au-dessus de T2T_{2} : f2f_{2} est convexe, f2′′⩾0f_{2}''\geqslant 0. A étant un point d'inflexion, f2′′f_{2}'' s'annule en changeant de signe à l'abscisse de A, entre 1,51{,}5 et 22, vers 1,651{,}65.

La courbe 2 est négative puis positive et coupe l'axe vers 1,651{,}65 ; la courbe 3 coupe l'axe vers 2,52{,}5, loin de A. Donc f2′′f_{2}'' est représentée par la courbe 2. Contrôle croisé : f2′′f_{2}'' est la dérivée de f2′f_{2}', et la courbe 1 décroît jusqu'à 1,651{,}65 environ puis croît, ce qui correspond bien au signe de la courbe 2.

Vérification par le calcul (même méthode qu'en B.1.a, avec k=2k=2) : f2′(x)=−1−2ln⁡xx2f_{2}'(x)=-1-\dfrac{2\ln x}{x^{2}} et f2′′(x)=4ln⁡x−2x3f_{2}''(x)=\dfrac{4\ln x-2}{x^{3}}, qui s'annule en x=e12≈1,65x=\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\approx 1{,}65. La courbe 3 ne représente aucune des deux. Piège : choisir les courbes par leur forme générale ; on justifie toujours par un SIGNE et une abscisse d'annulation.

B.1.a. Dérivée d'un quotient uv\dfrac{u}{v}, avec u(x)=1+ln⁡xu(x)=1+\ln x, u′(x)=1xu'(x)=\dfrac{1}{x}, v(x)=xv(x)=x, v′(x)=1v'(x)=1 : (uv)′=u′v−uv′v2\left(\dfrac{u}{v}\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^{2}}.

(1+ln⁡xx)′=1x×x−(1+ln⁡x)×1x2=1−1−ln⁡xx2=−ln⁡xx2\left(\dfrac{1+\ln x}{x}\right)'=\dfrac{\dfrac{1}{x}\times x-(1+\ln x)\times 1}{x^{2}}=\dfrac{1-1-\ln x}{x^{2}}=-\dfrac{\ln x}{x^{2}}. Comme la dérivée de 1−x1-x vaut −1-1, on obtient pour tout réel x>0x>0 : f1′(x)=−1−ln⁡xx2f_{1}'(x)=-1-\dfrac{\ln x}{x^{2}}.

Erreur fréquente : inverser le numérateur en uv′−u′vuv'-u'v, ce qui change le signe ; ou oublier la parenthèse autour de 1+ln⁡x1+\ln x et perdre le −1-1 qui se simplifie avec 1x×x=1\dfrac{1}{x}\times x=1.

B.1.b. En +∞+\infty, ln⁡x\ln x et x2x^{2} tendent tous deux vers +∞+\infty : le quotient ln⁡xx2\dfrac{\ln x}{x^{2}} est une forme indéterminée, qu'on lève par croissance comparée. On écrit ln⁡xx2=ln⁡xx×1x\dfrac{\ln x}{x^{2}}=\dfrac{\ln x}{x}\times\dfrac{1}{x}, avec lim⁡x→+∞ln⁡xx=0\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\ln x}{x}=0 (croissance comparée) et lim⁡x→+∞1x=0\lim_{x\to+\infty}\dfrac{1}{x}=0, donc lim⁡x→+∞ln⁡xx2=0\lim_{x\to+\infty}\dfrac{\ln x}{x^{2}}=0.

Par somme, lim⁡x→+∞f1′(x)=−1−0=−1\lim_{x\to+\infty}f_{1}'(x)=-1-0=-1. La courbe de f1′f_{1}' admet la droite y=−1y=-1 pour asymptote horizontale en +∞+\infty, ce que confirme le tableau de variations donné ensuite.

B.2.a. Le sens de variation de f1′f_{1}' est donné par le signe de sa dérivée f1′′(x)=2ln⁡x−1x3f_{1}''(x)=\dfrac{2\ln x-1}{x^{3}}. Pour x>0x>0, x3>0x^{3}>0 : f1′′(x)f_{1}''(x) a le signe de 2ln⁡x−12\ln x-1.

2ln⁡x−1<0  ⟺  ln⁡x<12  ⟺  x<e122\ln x-1<0\iff\ln x<\dfrac{1}{2}\iff x<\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}, par stricte croissance de la fonction exponentielle. Donc f1′′(x)<0f_{1}''(x)<0 sur ]0 ;e12[\left]0\,;\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right[, f1′′(e12)=0f_{1}''\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)=0 et f1′′(x)>0f_{1}''(x)>0 sur ]e12 ;+∞[\left]\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\,;+\infty\right[ : f1′f_{1}' est strictement décroissante sur ]0 ;e12]\left]0\,;\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right] puis strictement croissante sur [e12 ;+∞[\left[\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\,;+\infty\right[.

Elle admet donc un minimum en e12\mathrm{e}^{\frac{1}{2}} : f1′(e12)=−1−ln⁡(e12)(e12)2=−1−12e=−1−12e≈−1,18f_{1}'\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)=-1-\dfrac{\ln\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)}{\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)^{2}}=-1-\dfrac{\frac{1}{2}}{\mathrm{e}}=-1-\dfrac{1}{2\mathrm{e}}\approx -1{,}18. C'est la valeur du tableau.

Piège de calcul : (e12)2=e1=e\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)^{2}=\mathrm{e}^{1}=\mathrm{e}, et non e14\mathrm{e}^{\frac{1}{4}} ; et ln⁡(e12)=12\ln\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)=\dfrac{1}{2}.

B.2.b. Quand x→0+x\to 0^{+} : lim⁡ln⁡x=−∞\lim\ln x=-\infty donc −ln⁡x→+∞-\ln x\to+\infty, et x2→0+x^{2}\to 0^{+} donc 1x2→+∞\dfrac{1}{x^{2}}\to+\infty. Par produit, −ln⁡xx2=(−ln⁡x)×1x2→+∞-\dfrac{\ln x}{x^{2}}=(-\ln x)\times\dfrac{1}{x^{2}}\to+\infty, et par somme lim⁡x→0f1′(x)=+∞\lim_{x\to 0}f_{1}'(x)=+\infty.

Il n'y a ici AUCUNE forme indéterminée : un produit de deux quantités qui tendent vers +∞+\infty tend vers +∞+\infty. C'est la limite qui justifie l'asymptote verticale (l'axe des ordonnées) admise par l'énoncé. Piège : croire que la croissance comparée intervient en 00 ; elle sert pour xln⁡xx\ln x, pas pour ln⁡xx2\dfrac{\ln x}{x^{2}}.

B.2.c. On découpe ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ selon les variations de f1′f_{1}'.

Sur [e12 ;+∞[\left[\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\,;+\infty\right[ : f1′f_{1}' est strictement croissante et tend vers −1-1 en +∞+\infty, donc pour tout xx de cet intervalle, f1′(x)<−1<0f_{1}'(x)<-1<0. L'équation f1′(x)=0f_{1}'(x)=0 n'y a pas de solution.

Sur ]0 ;e12]\left]0\,;\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right] : f1′f_{1}' est continue (elle est dérivable), strictement décroissante, de limite +∞+\infty en 00, et f1′(e12)=−1−12e<0f_{1}'\left(\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right)=-1-\dfrac{1}{2\mathrm{e}}<0. Comme 00 est compris entre −1−12e-1-\dfrac{1}{2\mathrm{e}} et +∞+\infty, le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires (cas strictement monotone) assure que l'équation f1′(x)=0f_{1}'(x)=0 admet une unique solution α\alpha dans ]0 ;e12[\left]0\,;\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right[.

Au total, l'équation f1′(x)=0f_{1}'(x)=0 admet une unique solution α\alpha sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. À la calculatrice, f1′(0,65)≈0,02>0f_{1}'(0{,}65)\approx 0{,}02>0 et f1′(0,66)≈−0,05<0f_{1}'(0{,}66)\approx -0{,}05<0, donc 0,65<α<0,660{,}65<\alpha<0{,}66, α≈0,653\alpha\approx 0{,}653.

Maximum de f1f_{1} : par la stricte décroissance sur le premier intervalle, f1′(x)>0f_{1}'(x)>0 sur ]0 ;α[]0\,;\alpha[ et f1′(x)<0f_{1}'(x)<0 sur ]α ;e12]\left]\alpha\,;\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\right] ; et f1′<0f_{1}'<0 sur le second intervalle. Donc f1f_{1} est strictement croissante sur ]0 ;α]]0\,;\alpha] et strictement décroissante sur [α ;+∞[[\alpha\,;+\infty[ : elle admet un maximum sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, atteint en α\alpha et égal à f1(α)f_{1}(\alpha).

Pour aller plus loin : f1′(α)=0f_{1}'(\alpha)=0 donne ln⁡α=−α2\ln\alpha=-\alpha^{2}, d'où f1(α)=1−α+1−α2α=1−2α+1α≈1,23f_{1}(\alpha)=1-\alpha+\dfrac{1-\alpha^{2}}{\alpha}=1-2\alpha+\dfrac{1}{\alpha}\approx 1{,}23. Pièges : appliquer le théorème des valeurs intermédiaires sans la stricte monotonie (on n'obtient que l'existence, pas l'unicité) ; ou oublier de traiter l'intervalle [e12 ;+∞[\left[\mathrm{e}^{\frac{1}{2}}\,;+\infty\right[, ce qui laisse l'unicité sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ sans preuve.

B.2.d. La fonction d(x) calcule f1′(x)f_{1}'(x). Le programme part de u=0,5u=0{,}5 et avance par pas de 0,010{,}01 tant que f1′(u)f_{1}'(u) est strictement positif, c'est-à-dire, d'après B.2.c, tant que u<αu<\alpha. Pointillés : while d(u) > 0 : puis u = u + 0.01. Le programme complété figure en fin de corrigé.

Il s'arrête sur la première valeur uu telle que f1′(u)⩽0f_{1}'(u)\leqslant 0, donc telle que u−0,01<α⩽uu-0{,}01<\alpha\leqslant u : il renvoie une valeur approchée de α\alpha par excès, à 10−210^{-2} près. Ici f1′(0,5)=−1+4ln⁡2≈1,77>0f_{1}'(0{,}5)=-1+4\ln 2\approx 1{,}77>0, la boucle démarre bien, et elle renvoie 0,660{,}66 (Python affiche 0,660 000 000 000 000 10{,}660\,000\,000\,000\,000\,1, effet de l'arrondi des flottants).

Le point de départ 0,50{,}5 est légitime parce que 0,5<α0{,}5<\alpha. Piège : écrire while d(u) < 0 : ; comme d(0,5)>0d(0{,}5)>0, la boucle ne tourne jamais et la fonction renvoie 0,50{,}5. En Python, ln n'existe pas sous ce nom : on l'importe par from math import log as ln, ligne absente de l'énoncé qu'on ajoute en tête.

C.1. H=12u2H=\dfrac{1}{2}u^{2} avec u(x)=1+ln⁡xu(x)=1+\ln x, u′(x)=1xu'(x)=\dfrac{1}{x}. La dérivée de u2u^{2} est 2uu′2uu', donc H′(x)=12×2(1+ln⁡x)×1x=1+ln⁡xx=h(x)H'(x)=\dfrac{1}{2}\times 2(1+\ln x)\times\dfrac{1}{x}=\dfrac{1+\ln x}{x}=h(x) pour tout x>0x>0. HH est donc une primitive de hh sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

On reconnaît la forme u′uu'u, dont les primitives sont 12u2+C\dfrac{1}{2}u^{2}+C. Erreur fréquente : oublier le facteur u′=1xu'=\dfrac{1}{x} (dérivée d'une fonction composée) et trouver H′(x)=1+ln⁡xH'(x)=1+\ln x.

C.2. La valeur moyenne de fkf_{k} sur [1 ;e][1\,;\mathrm{e}] est μk=1e−1∫1efk(x) dx\mu_{k}=\dfrac{1}{\mathrm{e}-1}\displaystyle\int_{1}^{\mathrm{e}}f_{k}(x)\,\mathrm{d}x. On calcule l'intégrale par linéarité, en écrivant fk(x)=(1−x)+k h(x)f_{k}(x)=(1-x)+k\,h(x).

Première intégrale : ∫1e(1−x) dx=[x−x22]1e=(e−e22)−(1−12)=−e2−2e+12=−(e−1)22\displaystyle\int_{1}^{\mathrm{e}}(1-x)\,\mathrm{d}x=\left[x-\dfrac{x^{2}}{2}\right]_{1}^{\mathrm{e}}=\left(\mathrm{e}-\dfrac{\mathrm{e}^{2}}{2}\right)-\left(1-\dfrac{1}{2}\right)=-\dfrac{\mathrm{e}^{2}-2\mathrm{e}+1}{2}=-\dfrac{(\mathrm{e}-1)^{2}}{2}.

Seconde intégrale, avec la primitive de C.1 : ∫1eh(x) dx=H(e)−H(1)=12(1+1)2−12(1+0)2=2−12=32\displaystyle\int_{1}^{\mathrm{e}}h(x)\,\mathrm{d}x=H(\mathrm{e})-H(1)=\dfrac{1}{2}(1+1)^{2}-\dfrac{1}{2}(1+0)^{2}=2-\dfrac{1}{2}=\dfrac{3}{2}, car ln⁡e=1\ln\mathrm{e}=1 et ln⁡1=0\ln 1=0.

Donc ∫1efk(x) dx=3k2−(e−1)22\displaystyle\int_{1}^{\mathrm{e}}f_{k}(x)\,\mathrm{d}x=\dfrac{3k}{2}-\dfrac{(\mathrm{e}-1)^{2}}{2} et μk=3k−(e−1)22(e−1)\mu_{k}=\dfrac{3k-(\mathrm{e}-1)^{2}}{2(\mathrm{e}-1)}. Comme e−1≠0\mathrm{e}-1\neq 0 : μk=0  ⟺  3k=(e−1)2  ⟺  k=(e−1)23\mu_{k}=0\iff 3k=(\mathrm{e}-1)^{2}\iff k=\dfrac{(\mathrm{e}-1)^{2}}{3}.

Cette valeur est strictement positive, k=(e−1)23≈0,98k=\dfrac{(\mathrm{e}-1)^{2}}{3}\approx 0{,}98, donc elle est admissible : OUI, il existe une valeur de kk, et une seule, pour laquelle la valeur moyenne de fkf_{k} sur [1 ;e][1\,;\mathrm{e}] est nulle.

Vérification : la fonction k↦μkk\mapsto\mu_{k} est affine de coefficient 32(e−1)>0\dfrac{3}{2(\mathrm{e}-1)}>0, donc strictement croissante, ce qui confirme l'unicité. Pièges : oublier de vérifier que k>0k>0, condition de l'énoncé ; mal calculer [x−x22]1e\left[x-\dfrac{x^{2}}{2}\right]_{1}^{\mathrm{e}} en oubliant le terme en 11 ; ou écrire H(e)=12H(\mathrm{e})=\dfrac{1}{2} en confondant (1+ln⁡e)2(1+\ln\mathrm{e})^{2} et 1+(ln⁡e)21+(\ln\mathrm{e})^{2}.

python
from math import log as ln

def d(x) :
    return -1-ln(x)/x**2

def alpha() :
    u = 0.5
    while d(u) > 0 :
        u = u + 0.01
    return u
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