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Maths complémentaires, Terminale • Examen blanc corrigé à Montréal

Examen de synthèse corrigé : maths complémentaires

Une série de chapitre annonce son sujet : on sait qu'on travaille sur les suites, et la moitié du travail est déjà faite. Un examen final ne l'annonce pas, et c'est la seule différence qui compte. Cet examen de synthèse couvre les neuf thèmes du programme de l'option mathématiques complémentaires de Terminale, telle qu'elle est enseignée au Lycée Marie de France et au Collège Stanislas à Montréal.

Format de l'épreuve : 12 exercices, 100 points, 3 heures, quatre parties de 25 points. Comme dans toute l'option, chaque exercice est contextualisé : aucune question ne demande de calculer pour calculer.

Les deux questions qui séparent vraiment les copies sont la dernière de l'exercice 3, où deux doses d'engrais très différentes donnent exactement le même rendement, et la dernière de l'exercice 10, où un test fiable à 99 pour cent produit cinq fois plus de faux positifs que de vrais malades. Dans les deux cas le calcul est court, et c'est l'interprétation qui compte.

Rappel de cours

  • Dérivée d'un quotient : (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v}\right)'=\frac{u'v-uv'}{v^{2}}. Une dérivée positive donne la croissance, jamais la divergence : une fonction croissante peut être majorée.
  • Modèle logistique K1+aert\frac{K}{1+a\,\mathrm{e}^{-rt}} : la limite KK est la capacité du milieu, et la croissance est la plus rapide quand la fonction vaut K2\frac{K}{2}.
  • Suite géométrique de raison qq : la somme des n+1n+1 premiers termes vaut u01qn+11qu_{0}\frac{1-q^{n+1}}{1-q}, et si q<1|q|<1 cette somme converge vers u01q\frac{u_{0}}{1-q}. Une infinité de termes peut donc avoir un total fini.
  • Suite arithmético-géométrique un+1=aun+bu_{n+1}=au_{n}+b : on soustrait le point fixe L=b1aL=\frac{b}{1-a}, et unLu_{n}-L devient géométrique de raison aa.
  • Les pourcentages de variation se multiplient, ils ne s'additionnent jamais : cinq baisses de 18 pour cent donnent 0,8250{,}82^{5}, pas 15×0,181-5\times 0{,}18.
  • Décroissance exponentielle : la demi-vie t1/2t_{1/2} vérifie k=ln2t1/2k=\frac{\ln 2}{t_{1/2}}, et tout délai relatif est indépendant de la quantité initiale.
  • Logarithme et modèles : une droite sur papier semi-logarithmique signale une exponentielle, une droite sur papier log-log signale une loi de puissance dont la pente donne l'exposant.
  • Prix moyen contre prix marginal : le prix moyen est l'aire totale divisée par la quantité, le prix marginal est la hauteur de la courbe au point courant. Les confondre est l'erreur classique des tarifs progressifs.
  • Bayes : PT(M)=P(M)×PM(T)P(T)P_{T}(M)=\frac{P(M)\times P_{M}(T)}{P(T)}. Ne jamais confondre PM(T)P_{M}(T) et PT(M)P_{T}(M) : leur écart dépend de la rareté de la maladie.
  • Intervalle de confiance à 95 pour cent : [f1n ; f+1n]\left[f-\frac{1}{\sqrt{n}}\ ;\ f+\frac{1}{\sqrt{n}}\right]. L'amplitude varie comme 1n\frac{1}{\sqrt{n}}, donc quadrupler l'échantillon ne divise la marge que par 2.

Partie A : Fonctions et modèles continus (/25)

Exercice 1 : La diffusion d'une application mobile

Le nombre d'utilisateurs d'une application, exprimé en milliers, est modélisé pour tout réel t0t\geq 0 par f(t)=501+24e0,5tf(t)=\dfrac{50}{1+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}}, où tt est le nombre de mois écoulés depuis le lancement.

  • a) Calculez f(0)f(0) et interprétez ce résultat.
  • b) Déterminez la limite de ff en ++\infty et interprétez-la dans le contexte.
  • c) Montrez que f(t)=600e0,5t(1+24e0,5t)2f'(t)=\dfrac{600\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}}{\left(1+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}\right)^{2}}, puis déterminez le sens de variation de ff.
  • d) Résolvez l'équation f(t)=25f(t)=25. On admet que la croissance est la plus rapide à cet instant : au bout de combien de mois cela se produit-il ?
  • e) Déterminez, à un dixième de mois près, le moment où l'application atteint 45 000 utilisateurs.
Voir la correction

a) f(0)=501+24=5025=2f(0)=\dfrac{50}{1+24}=\dfrac{50}{25}=2. Au lancement, l'application compte 2 000 utilisateurs.

b) Quand tt tend vers ++\infty, 0,5t-0{,}5t tend vers -\infty donc e0,5t\mathrm{e}^{-0{,}5t} tend vers 0. Le dénominateur tend vers 1 et f(t)f(t) tend vers 50. Le nombre d'utilisateurs se stabilise donc autour de 50 000 : c'est la taille du marché que l'application peut espérer atteindre.

c) Posons u(t)=1+24e0,5tu(t)=1+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}, de sorte que f=50uf=\dfrac{50}{u}. Alors u(t)=24×(0,5)e0,5t=12e0,5tu'(t)=24\times(-0{,}5)\mathrm{e}^{-0{,}5t}=-12\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}, et f=50uu2=600e0,5tu2f'=-\dfrac{50u'}{u^{2}}=\dfrac{600\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}}{u^{2}}, ce qui est la formule annoncée. Une exponentielle et un carré étant strictement positifs, f(t)>0f'(t)>0 pour tout tt : ff est strictement croissante sur [0 ; +[[0\ ;\ +\infty[.

d) f(t)=25f(t)=25 équivaut à 50=25(1+24e0,5t)50=25\left(1+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}\right), soit 1+24e0,5t=21+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}=2, puis e0,5t=124\mathrm{e}^{-0{,}5t}=\dfrac{1}{24}. En prenant le logarithme népérien : 0,5t=ln24-0{,}5t=-\ln 24, donc t=2ln246,4t=2\ln 24\approx 6{,}4. La croissance est la plus rapide au bout d'environ 6,4 mois, c'est-à-dire quand l'application a conquis la moitié de son marché.

e) On résout f(t)=45f(t)=45 : 50=45(1+24e0,5t)50=45\left(1+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}\right) donne 1+24e0,5t=1091+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}=\dfrac{10}{9}, puis 24e0,5t=1924\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}=\dfrac{1}{9} et e0,5t=1216\mathrm{e}^{-0{,}5t}=\dfrac{1}{216}. Donc t=2ln216t=2\ln 216. Comme 216=63216=6^{3}, on a aussi t=6ln610,8t=6\ln 6\approx 10{,}8 mois. Il faut donc environ 10,8 mois pour atteindre 45 000 utilisateurs, alors que les 25 000 premiers avaient été atteints en 6,4 mois : la fin de la conquête est beaucoup plus lente que le début.

Partie A : Fonctions et modèles continus (/25)

Exercice 2 : Le prix qui maximise la recette

Une salle de spectacle observe que si le billet est vendu au prix de pp dollars, avec p>0p>0, le nombre de billets vendus est modélisé par D(p)=2000e0,05pD(p)=2000\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}.

La recette, en dollars, est alors R(p)=pD(p)=2000pe0,05pR(p)=p\,D(p)=2000p\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}.

  • a) Calculez D(0)D(0) et D(20)D(20), arrondis à l'unité, puis justifiez que DD est décroissante.
  • b) Montrez que R(p)=2000e0,05p(10,05p)R'(p)=2000\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}\left(1-0{,}05p\right).
  • c) Dressez le tableau de variations de RR sur ]0 ; +[]0\ ;\ +\infty[ et déterminez le prix qui maximise la recette.
  • d) Calculez la recette maximale, arrondie au dollar. Combien de billets sont alors vendus ?
  • e) La salle envisage de porter le prix à 25 dollars. Calculez la recette correspondante et expliquez, en termes de clients perdus, pourquoi augmenter le prix fait ici baisser la recette.
Voir la correction

a) D(0)=2000D(0)=2000 et D(20)=2000e1736D(20)=2000\,\mathrm{e}^{-1}\approx 736. La fonction p0,05pp\mapsto -0{,}05p est décroissante et l'exponentielle est croissante, donc DD est décroissante : plus le billet est cher, moins il se vend.

b) RR est un produit : avec u(p)=2000pu(p)=2000p et v(p)=e0,05pv(p)=\mathrm{e}^{-0{,}05p}, on a u=2000u'=2000 et v=0,05e0,05pv'=-0{,}05\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}. Donc R=uv+uv=2000e0,05p100pe0,05p=2000e0,05p(10,05p)R'=u'v+uv'=2000\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}-100p\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}=2000\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}\left(1-0{,}05p\right) en factorisant par 2000e0,05p2000\,\mathrm{e}^{-0{,}05p}.

c) Le facteur 2000e0,05p2000\,\mathrm{e}^{-0{,}05p} est strictement positif, donc RR' a le signe de 10,05p1-0{,}05p. Ce facteur est positif pour p<20p<20 et négatif pour p>20p>20. Ainsi RR est croissante sur ]0 ; 20]]0\ ;\ 20], décroissante sur [20 ; +[[20\ ;\ +\infty[, et atteint son maximum en p=20p=20. Le prix optimal est donc de 20 dollars.

d) R(20)=2000×20×e1=40000e14715R(20)=2000\times 20\times\mathrm{e}^{-1}=\dfrac{40\,000}{\mathrm{e}}\approx 14\,715 dollars. Le nombre de billets vendus est D(20)736D(20)\approx 736.

e) R(25)=2000×25×e1,2514325R(25)=2000\times 25\times\mathrm{e}^{-1{,}25}\approx 14\,325 dollars, soit environ 390 dollars de moins. En passant de 20 à 25 dollars, la salle gagne 5 dollars sur chaque billet vendu, mais elle perd des clients : D(25)573D(25)\approx 573 contre D(20)736D(20)\approx 736, soit environ 163 spectateurs de moins. Le gain sur les billets restants ne compense pas la perte de ceux qui ne viennent plus. Le prix de 20 dollars est exactement celui où ces deux effets s'équilibrent.

Partie A : Fonctions et modèles continus (/25)

Exercice 3 : La dose d'engrais qui maximise le rendement

Le rendement d'une parcelle, en quintaux par hectare, est modélisé en fonction de la dose xx d'engrais, en unités par hectare, par R(x)=40xx2+4R(x)=\dfrac{40x}{x^{2}+4} pour x0x\geq 0.

  • a) Calculez R(0)R(0) et R(2)R(2), et interprétez la première valeur.
  • b) Montrez que R(x)=40(4x2)(x2+4)2R'(x)=\dfrac{40\left(4-x^{2}\right)}{\left(x^{2}+4\right)^{2}}.
  • c) Déduisez-en le tableau de variations de RR sur [0 ; +[[0\ ;\ +\infty[ et la dose optimale.
  • d) Déterminez la limite de RR en ++\infty et expliquez ce que ce modèle affirme au sujet du surdosage.
  • e) Résolvez l'équation R(x)=8R(x)=8. Commentez : que doit faire un agriculteur qui viserait un rendement de 8 quintaux par hectare ?
Voir la correction

a) R(0)=0R(0)=0 et R(2)=808=10R(2)=\dfrac{80}{8}=10. Sans engrais, le modèle prévoit un rendement nul, ce qui est une limite évidente du modèle : une parcelle non fertilisée produit tout de même quelque chose.

b) RR est un quotient avec u(x)=40xu(x)=40x et v(x)=x2+4v(x)=x^{2}+4, donc u=40u'=40 et v=2xv'=2x. Alors R=uvuvv2=40(x2+4)40x×2x(x2+4)2=40x2+16080x2(x2+4)2=16040x2(x2+4)2=40(4x2)(x2+4)2R'=\dfrac{u'v-uv'}{v^{2}}=\dfrac{40\left(x^{2}+4\right)-40x\times 2x}{\left(x^{2}+4\right)^{2}}=\dfrac{40x^{2}+160-80x^{2}}{\left(x^{2}+4\right)^{2}}=\dfrac{160-40x^{2}}{\left(x^{2}+4\right)^{2}}=\dfrac{40\left(4-x^{2}\right)}{\left(x^{2}+4\right)^{2}}.

c) Le dénominateur est strictement positif, donc RR' a le signe de 4x24-x^{2}, positif pour 0x<20\leq x<2 et négatif pour x>2x>2. Donc RR croît sur [0 ; 2][0\ ;\ 2], décroît sur [2 ; +[[2\ ;\ +\infty[, et son maximum vaut R(2)=10R(2)=10. La dose optimale est de 2 unités par hectare.

d) En divisant numérateur et dénominateur par x2x^{2} : R(x)=40x1+4x2R(x)=\dfrac{\frac{40}{x}}{1+\frac{4}{x^{2}}}, dont le numérateur tend vers 0 et le dénominateur vers 1. Donc R(x)R(x) tend vers 0. Le modèle affirme qu'un surdosage massif finit par annuler complètement le rendement, ce qui correspond au fait qu'un excès d'engrais brûle les cultures.

e) R(x)=8R(x)=8 donne 40x=8(x2+4)40x=8\left(x^{2}+4\right), soit 8x240x+32=08x^{2}-40x+32=0, puis en divisant par 8 : x25x+4=0x^{2}-5x+4=0. Le discriminant vaut 2516=925-16=9, d'où x=532=1x=\dfrac{5-3}{2}=1 ou x=5+32=4x=\dfrac{5+3}{2}=4. Deux doses très différentes donnent donc le même rendement. Un agriculteur visant 8 quintaux doit évidemment choisir x=1x=1 : c'est quatre fois moins d'engrais pour le même résultat, donc moins cher et moins polluant. La dose x=4x=4 correspond au même rendement atteint par le mauvais côté du maximum.

Partie B : Suites et modèles discrets (/25)

Exercice 4 : La valeur de revente d'un véhicule

Une voiture achetée 32 000 dollars perd 18 pour cent de sa valeur chaque année. On note vnv_{n} sa valeur, en dollars, au bout de nn années, donc v0=32000v_{0}=32\,000.

  • a) Justifiez que (vn)(v_{n}) est géométrique, précisez sa raison, puis exprimez vnv_{n} en fonction de nn.
  • b) Calculez v3v_{3} et v5v_{5}, arrondis au dollar.
  • c) Déterminez par le calcul la première année où la valeur passe sous 10 000 dollars.
  • d) Un concessionnaire propose plutôt une décote linéaire de 4 000 dollars par an. Comparez les deux modèles au bout de 3 ans puis au bout de 7 ans.
  • e) Le modèle linéaire prévoit une valeur nulle au bout de 8 ans. Que prévoit le modèle géométrique, et lequel des deux est le plus réaliste ?
Voir la correction

a) Perdre 18 pour cent revient à multiplier par 10,18=0,821-0{,}18=0{,}82. On a donc vn+1=0,82vnv_{n+1}=0{,}82\,v_{n} : la suite est géométrique de raison 0,820{,}82 et de premier terme 32 000. Ainsi vn=32000×0,82nv_{n}=32\,000\times 0{,}82^{\,n}.

b) v3=32000×0,82317644v_{3}=32\,000\times 0{,}82^{3}\approx 17\,644 dollars et v5=32000×0,82511864v_{5}=32\,000\times 0{,}82^{5}\approx 11\,864 dollars.

c) On cherche le plus petit nn tel que 32000×0,82n<1000032\,000\times 0{,}82^{\,n}<10\,000, soit 0,82n<0,31250{,}82^{\,n}<0{,}3125. En passant au logarithme népérien, et comme ln(0,82)\ln(0{,}82) est négatif, l'inégalité change de sens : n>ln(0,3125)ln(0,82)5,86n>\dfrac{\ln(0{,}3125)}{\ln(0{,}82)}\approx 5{,}86. Le plus petit entier est n=6n=6, et on vérifie v69728v_{6}\approx 9\,728 dollars contre v511864v_{5}\approx 11\,864 dollars. C'est donc au bout de 6 ans.

d) Le modèle linéaire donne 320004000n32\,000-4\,000n. Au bout de 3 ans : 20 000 dollars contre environ 17 644 dollars pour le modèle géométrique, qui est donc plus pessimiste. Au bout de 7 ans : 4 000 dollars contre 32000×0,827797732\,000\times 0{,}82^{7}\approx 7\,977 dollars, et c'est maintenant le modèle géométrique qui est le plus optimiste. Les deux courbes se croisent entre-temps.

e) Le modèle géométrique ne prévoit jamais une valeur nulle : 0,82n0{,}82^{\,n} est strictement positif pour tout nn, la suite tend vers 0 sans jamais l'atteindre. Le modèle géométrique est plus réaliste, pour deux raisons : une voiture garde toujours une valeur résiduelle, ne serait-ce qu'en pièces, et la décote réelle est bien plus forte les premières années que les dernières, ce qu'un pourcentage constant reproduit et qu'une soustraction constante ne reproduit pas.

Partie B : Suites et modèles discrets (/25)

Exercice 5 : Le taux de reproduction d'une épidémie

On note unu_{n} le nombre de nouveaux cas d'une maladie pendant la semaine nn, avec u0=120u_{0}=120. On modélise la propagation par un+1=Runu_{n+1}=R\,u_{n}, où RR est le taux de reproduction.

Dans les questions a) à c) on prend R=1,15R=1{,}15.

  • a) Exprimez unu_{n} en fonction de nn, puis calculez u8u_{8} arrondi à l'unité.
  • b) Calculez le nombre total de cas des semaines 0 à 8 incluses, arrondi à l'unité.
  • c) Déterminez la première semaine où le nombre de nouveaux cas dépasse 500.
  • d) Des mesures ramènent le taux à R=0,9R=0{,}9, toujours avec u0=120u_{0}=120. Montrez que le nombre total de cas sur toutes les semaines à venir reste fini, et calculez-le.
  • e) Expliquez pourquoi la valeur 1 pour RR est un seuil critique, et non un simple repère commode.
Voir la correction

a) La suite est géométrique de raison 1,151{,}15, donc un=120×1,15nu_{n}=120\times 1{,}15^{\,n}. Alors u8=120×1,158367u_{8}=120\times 1{,}15^{8}\approx 367 nouveaux cas.

b) La somme des neuf premiers termes d'une suite géométrique vaut u0×1R91R=120×1,15910,152014u_{0}\times\dfrac{1-R^{9}}{1-R}=120\times\dfrac{1{,}15^{9}-1}{0{,}15}\approx 2\,014 cas au total.

c) On cherche le plus petit nn tel que 120×1,15n>500120\times 1{,}15^{\,n}>500, soit 1,15n>2561{,}15^{\,n}>\dfrac{25}{6}. En passant au logarithme : n>ln(25/6)ln(1,15)10,2n>\dfrac{\ln(25/6)}{\ln(1{,}15)}\approx 10{,}2. Donc n=11n=11 : c'est la semaine 11, où u11558u_{11}\approx 558 cas contre u10485u_{10}\approx 485.

d) Avec R=0,9R=0{,}9, la somme des n+1n+1 premiers termes vaut 120×10,9n+10,1120\times\dfrac{1-0{,}9^{\,n+1}}{0{,}1}. Comme 0<0,9<10<0{,}9<1, la puissance 0,9n+10{,}9^{\,n+1} tend vers 0, donc cette somme converge vers 1200,1=1200\dfrac{120}{0{,}1}=1\,200. Le nombre total de cas sur toute la durée de l'épidémie reste donc inférieur à 1 200, quel que soit le nombre de semaines écoulées.

e) Parce que la nature de la somme change de part et d'autre de 1. Si R>1R>1, la suite géométrique diverge et la somme des termes croît sans limite : l'épidémie n'a pas de taille finale. Si R<1R<1, la suite tend vers 0 et la somme converge vers u01R\dfrac{u_{0}}{1-R} : l'épidémie a un nombre total de cas fini, connu d'avance. Le passage de R=1,15R=1{,}15 à R=0,9R=0{,}9 ne change pas seulement la vitesse, il change la conclusion mathématique. C'est pourquoi les mesures sanitaires visent toujours à faire passer RR sous 1, et non simplement à le réduire.

Partie B : Suites et modèles discrets (/25)

Exercice 6 : Une population qui se stabilise, lue sur un graphique

Une réserve naturelle compte unu_{n} animaux au bout de nn années, avec u0=20u_{0}=20. Chaque année, la population perd 40 pour cent de son effectif et la réserve introduit 40 animaux.

On a donc un+1=0,6un+40u_{n+1}=0{,}6\,u_{n}+40. Le graphique ci-dessous représente la droite d'équation y=0,6x+40y=0{,}6x+40, la droite d'équation y=xy=x, et la construction des premiers termes.

2040608010012020406080100120y = 0,6x + 40y = xu0u1u2L = 100
  • a) Calculez u1u_{1} et u2u_{2}, et retrouvez-les sur le graphique.
  • b) Le point d'intersection des deux droites a pour abscisse L=100L=100. Vérifiez par le calcul que LL est bien la solution de L=0,6L+40L=0{,}6L+40, et interprétez.
  • c) On pose wn=un100w_{n}=u_{n}-100. Montrez que (wn)(w_{n}) est géométrique, puis exprimez unu_{n} en fonction de nn.
  • d) Déterminez la limite de (un)(u_{n}) et confirmez la lecture graphique.
  • e) Déterminez la première année où la population dépasse 99 animaux.
Voir la correction

a) u1=0,6×20+40=52u_{1}=0{,}6\times 20+40=52 et u2=0,6×52+40=71,2u_{2}=0{,}6\times 52+40=71{,}2. Sur le graphique, on part de u0=20u_{0}=20 sur l'axe des abscisses, on monte verticalement jusqu'à la droite y=0,6x+40y=0{,}6x+40 pour lire u1=52u_{1}=52, puis on se déplace horizontalement jusqu'à la droite y=xy=x pour reporter cette valeur en abscisse, et on recommence.

b) 0,6×100+40=60+40=1000{,}6\times 100+40=60+40=100, donc L=100L=100 vérifie bien l'équation. Cette valeur est le point fixe du modèle : si la population valait exactement 100, elle resterait à 100 indéfiniment, les 40 pertes annuelles étant compensées exactement par les 40 introductions.

c) wn+1=un+1100=0,6un+40100=0,6un60=0,6(un100)=0,6wnw_{n+1}=u_{n+1}-100=0{,}6u_{n}+40-100=0{,}6u_{n}-60=0{,}6\left(u_{n}-100\right)=0{,}6\,w_{n}. La suite (wn)(w_{n}) est donc géométrique de raison 0,60{,}6, de premier terme w0=20100=80w_{0}=20-100=-80. Ainsi wn=80×0,6nw_{n}=-80\times 0{,}6^{\,n} et un=10080×0,6nu_{n}=100-80\times 0{,}6^{\,n}. Vérification : u2=10080×0,36=10028,8=71,2u_{2}=100-80\times 0{,}36=100-28{,}8=71{,}2.

d) Comme 0<0,6<10<0{,}6<1, la suite (0,6n)\left(0{,}6^{\,n}\right) tend vers 0, donc unu_{n} tend vers 100. Le graphique le montre bien : la construction en escalier se resserre vers le point d'intersection des deux droites, sans jamais le dépasser puisque wnw_{n} reste négatif.

e) On cherche le plus petit nn tel que 10080×0,6n>99100-80\times 0{,}6^{\,n}>99, soit 80×0,6n<180\times 0{,}6^{\,n}<1, puis 0,6n<0,01250{,}6^{\,n}<0{,}0125. En passant au logarithme et en changeant le sens puisque ln(0,6)<0\ln(0{,}6)<0 : n>ln(0,0125)ln(0,6)8,58n>\dfrac{\ln(0{,}0125)}{\ln(0{,}6)}\approx 8{,}58. Donc n=9n=9 : c'est au bout de 9 ans, avec u999,2u_{9}\approx 99{,}2 animaux contre u898,7u_{8}\approx 98{,}7.

Partie C : Logarithme, intégrales et aires (/25)

Exercice 7 : La demi-vie d'un médicament et la posologie

La concentration d'un médicament dans le sang, en milligrammes par litre, est modélisée par c(t)=c0ektc(t)=c_{0}\,\mathrm{e}^{-kt}, où tt est le temps en heures et k>0k>0.

On mesure que la concentration est divisée par deux toutes les 6 heures.

  • a) Traduisez cette information par une équation, puis montrez que k=ln26k=\dfrac{\ln 2}{6}. Donnez une valeur approchée de kk.
  • b) On prend c0=12c_{0}=12. Calculez la concentration au bout de 6 heures, puis au bout de 18 heures.
  • c) Le médicament n'est plus actif quand la concentration est tombée à 10 pour cent de sa valeur initiale. Déterminez ce délai, à un dixième d'heure près.
  • d) Exprimez ce délai à l'aide de ln10\ln 10 et de ln2\ln 2 uniquement, et vérifiez qu'il ne dépend pas de c0c_{0}.
  • e) Le fabricant recommande une prise toutes les 8 heures. Est-ce cohérent avec la réponse à la question c) ? Justifiez.
Voir la correction

a) La condition s'écrit c(t+6)=12c(t)c(t+6)=\dfrac{1}{2}c(t) pour tout tt, soit c0ek(t+6)=12c0ektc_{0}\,\mathrm{e}^{-k(t+6)}=\dfrac{1}{2}c_{0}\,\mathrm{e}^{-kt}. En divisant par c0ektc_{0}\,\mathrm{e}^{-kt}, qui n'est pas nul, il reste e6k=12\mathrm{e}^{-6k}=\dfrac{1}{2}. En prenant le logarithme népérien : 6k=ln2-6k=-\ln 2, donc k=ln260,1155k=\dfrac{\ln 2}{6}\approx 0{,}1155.

b) c(6)=12×12=6c(6)=12\times\dfrac{1}{2}=6 milligrammes par litre. Au bout de 18 heures, soit trois demi-vies, c(18)=12×(12)3=1,5c(18)=12\times\left(\dfrac{1}{2}\right)^{3}=1{,}5 milligramme par litre.

c) On résout c0ekt=0,1c0c_{0}\,\mathrm{e}^{-kt}=0{,}1\,c_{0}, soit ekt=0,1\mathrm{e}^{-kt}=0{,}1 et donc kt=ln(0,1)=ln10-kt=\ln(0{,}1)=-\ln 10, d'où t=ln10k2,30260,115519,9t=\dfrac{\ln 10}{k}\approx\dfrac{2{,}3026}{0{,}1155}\approx 19{,}9 heures.

d) En remplaçant kk : t=ln10ln26=6ln10ln219,93t=\dfrac{\ln 10}{\frac{\ln 2}{6}}=\dfrac{6\ln 10}{\ln 2}\approx 19{,}93 heures. La concentration initiale c0c_{0} s'est éliminée dès la question c) en divisant les deux membres : le délai ne dépend donc pas de la dose. C'est une propriété générale de la décroissance exponentielle, et c'est pourquoi on parle de demi-vie sans préciser la dose.

e) Oui, c'est cohérent, et c'est même le but. Au bout de 8 heures il reste e8k0,397\mathrm{e}^{-8k}\approx 0{,}397, soit environ 40 pour cent de la dose, donc bien plus que les 10 pour cent du seuil d'inactivité atteints seulement vers 19,9 heures. En reprenant le médicament toutes les 8 heures, on remet une dose avant que la précédente ne soit devenue inefficace, ce qui maintient la concentration au-dessus du seuil actif en permanence.

Partie C : Logarithme, intégrales et aires (/25)

Exercice 8 : Une facture d'électricité à tarif progressif

Un fournisseur applique un tarif progressif : les 40 premiers kilowattheures sont facturés 0,08 dollar par kWh, les suivants jusqu'à 100 kWh sont facturés 0,12 dollar par kWh, et au-delà de 100 kWh le prix est de 0,18 dollar par kWh.

Le graphique ci-dessous représente le prix unitaire p(x)p(x) en fonction de la quantité consommée. Le montant de la facture pour une consommation QQ est l'aire sous cette courbe entre 0 et QQ.

204060801001201401600.040.080.120.160.2kWhdollars par kWh
  • a) Calculez le montant de la facture pour une consommation de 30 kWh, puis de 60 kWh.
  • b) Calculez le montant pour 150 kWh.
  • c) Exprimez le montant C(Q)C(Q) en fonction de QQ pour 40Q10040\leq Q\leq 100.
  • d) Un client a payé exactement 10 dollars. Déterminez sa consommation.
  • e) Calculez le prix moyen au kWh pour une consommation de 150 kWh, et expliquez pourquoi il est inférieur à 0,18 dollar alors que le dernier kWh consommé coûte bien 0,18 dollar.
Voir la correction

a) Pour 30 kWh, on reste dans la première tranche : l'aire est celle d'un rectangle de largeur 30 et de hauteur 0,08, soit 30×0,08=2,4030\times 0{,}08=2{,}40 dollars. Pour 60 kWh, on ajoute la deuxième tranche : 40×0,08+20×0,12=3,20+2,40=5,6040\times 0{,}08+20\times 0{,}12=3{,}20+2{,}40=5{,}60 dollars.

b) Pour 150 kWh, les trois tranches sont concernées : 40×0,08+60×0,12+50×0,18=3,20+7,20+9,00=19,4040\times 0{,}08+60\times 0{,}12+50\times 0{,}18=3{,}20+7{,}20+9{,}00=19{,}40 dollars.

c) Pour 40Q10040\leq Q\leq 100, la première tranche est entièrement consommée et coûte 3,20 dollars, et il reste Q40Q-40 kWh facturés à 0,12 dollar. Donc C(Q)=3,20+0,12(Q40)C(Q)=3{,}20+0{,}12(Q-40), ce qui s'écrit aussi C(Q)=0,12Q1,60C(Q)=0{,}12Q-1{,}60.

d) On a C(40)=3,20C(40)=3{,}20 et C(100)=3,20+0,12×60=10,40C(100)=3{,}20+0{,}12\times 60=10{,}40, donc 10 dollars correspond bien à la deuxième tranche. On résout 3,20+0,12(Q40)=103{,}20+0{,}12(Q-40)=10, soit 0,12(Q40)=6,800{,}12(Q-40)=6{,}80 et Q40=6,800,1256,67Q-40=\dfrac{6{,}80}{0{,}12}\approx 56{,}67. La consommation est d'environ 96,7 kWh.

e) Le prix moyen vaut 19,401500,129\dfrac{19{,}40}{150}\approx 0{,}129 dollar par kWh. Il est inférieur à 0,18 parce que le prix moyen est la moyenne de tous les kWh consommés, dont les 40 premiers n'ont coûté que 0,08 et les 60 suivants 0,12 : seuls les 50 derniers ont été payés 0,18. Autrement dit, le prix moyen est l'aire totale divisée par la largeur, alors que 0,18 est la hauteur de la courbe à l'extrémité droite, c'est-à-dire le prix marginal. Confondre les deux est l'erreur classique de lecture de ce type de tarif.

Partie C : Logarithme, intégrales et aires (/25)

Exercice 9 : La troisième loi de Kepler lue sur un papier log-log

Pour une planète du système solaire, on note aa son demi-grand axe en unités astronomiques et TT sa période de révolution en années. Le tableau donne trois planètes.

On cherche une relation de la forme T=λabT=\lambda a^{b}, où λ\lambda et bb sont deux constantes à déterminer.

PlanèteTerreAstre XAstre Y
a (u.a.)149
T (années)18?
  • a) Vérifiez que les deux premières colonnes satisfont T2=a3T^{2}=a^{3}.
  • b) En supposant T=λabT=\lambda a^{b} avec λ>0\lambda>0, montrez que logT=logλ+bloga\log T=\log\lambda+b\log a.
  • c) Déduisez-en que, dans un repère où l'on porte loga\log a en abscisse et logT\log T en ordonnée, les points sont alignés. Calculez la pente de cette droite à partir des deux premières colonnes.
  • d) Déterminez λ\lambda, puis complétez le tableau en calculant la période de l'astre Y.
  • e) Pourquoi utilise-t-on ici un papier log-log, alors qu'un papier semi-logarithmique suffisait pour une croissance exponentielle ?
Voir la correction

a) Pour la Terre : T2=1T^{2}=1 et a3=1a^{3}=1. Pour l'astre X : T2=82=64T^{2}=8^{2}=64 et a3=43=64a^{3}=4^{3}=64. Les deux colonnes vérifient donc bien T2=a3T^{2}=a^{3}.

b) En appliquant le logarithme décimal à T=λabT=\lambda a^{b} : logT=log(λab)=logλ+log(ab)=logλ+bloga\log T=\log\left(\lambda a^{b}\right)=\log\lambda+\log\left(a^{b}\right)=\log\lambda+b\log a, en utilisant successivement le logarithme d'un produit puis celui d'une puissance.

c) En posant X=logaX=\log a et Y=logTY=\log T, la relation devient Y=bX+logλY=bX+\log\lambda : c'est l'équation d'une droite de pente bb et d'ordonnée à l'origine logλ\log\lambda. Les points sont donc alignés. Avec la Terre, X=0X=0 et Y=0Y=0 ; avec l'astre X, X=log4X=\log 4 et Y=log8Y=\log 8. La pente vaut b=log80log40=3log22log2=32b=\dfrac{\log 8-0}{\log 4-0}=\dfrac{3\log 2}{2\log 2}=\dfrac{3}{2}.

d) La droite passe par l'origine, donc logλ=0\log\lambda=0 et λ=1\lambda=1. La relation est T=a3/2T=a^{3/2}, ce qui équivaut bien à T2=a3T^{2}=a^{3}. Pour l'astre Y : T=93/2=(9)3=33=27T=9^{3/2}=\left(\sqrt{9}\right)^{3}=3^{3}=27 années.

e) Parce que la nature du modèle n'est pas la même. Une croissance exponentielle s'écrit y=λqxy=\lambda q^{x}, donc logy=logλ+xlogq\log y=\log\lambda+x\log q : c'est logy\log y qui devient affine en xx, et un seul axe doit être gradué en logarithme. Ici le modèle est une puissance, T=λabT=\lambda a^{b}, et c'est logT\log T qui devient affine en loga\log a : il faut passer les deux axes au logarithme. La forme du graphique renseigne donc directement sur le type de modèle : une droite sur papier semi-logarithmique signale une exponentielle, une droite sur papier log-log signale une loi de puissance, et la pente donne alors l'exposant.

Partie D : Probabilités, statistiques et synthèse (/25)

Exercice 10 : Un test de dépistage et le piège des faux positifs

Une maladie touche 0,8 pour cent d'une population. Un test de dépistage donne un résultat positif chez 99 pour cent des personnes malades, et chez 4 pour cent des personnes saines.

On choisit une personne au hasard. On note MM l'événement « la personne est malade » et TT l'événement « le test est positif ».

  • a) Traduisez les données de l'énoncé en probabilités, puis construisez un arbre pondéré.
  • b) Calculez P(MT)P(M\cap T) et P(MT)P\left(\overline{M}\cap T\right).
  • c) Calculez P(T)P(T) à l'aide de la formule des probabilités totales.
  • d) Calculez PT(M)P_{T}(M), la probabilité que la personne soit malade sachant que son test est positif. Arrondissez à 10310^{-3}.
  • e) Le test détecte 99 pour cent des malades, et pourtant la réponse à d) est faible. Expliquez ce paradoxe apparent en comparant les effectifs concernés sur 100 000 personnes.
Voir la correction

a) On a P(M)=0,008P(M)=0{,}008, donc P(M)=0,992P\left(\overline{M}\right)=0{,}992. Le test détectant 99 pour cent des malades, PM(T)=0,99P_{M}(T)=0{,}99. Étant positif chez 4 pour cent des personnes saines, PM(T)=0,04P_{\overline{M}}(T)=0{,}04. L'arbre a deux branches au premier niveau, MM pondérée par 0,0080{,}008 et M\overline{M} par 0,9920{,}992, chacune se scindant en TT et T\overline{T}.

b) P(MT)=P(M)×PM(T)=0,008×0,99=0,00792P(M\cap T)=P(M)\times P_{M}(T)=0{,}008\times 0{,}99=0{,}00792. Et P(MT)=0,992×0,04=0,03968P\left(\overline{M}\cap T\right)=0{,}992\times 0{,}04=0{,}03968.

c) Les événements MM et M\overline{M} formant une partition, P(T)=P(MT)+P(MT)=0,00792+0,03968=0,0476P(T)=P(M\cap T)+P\left(\overline{M}\cap T\right)=0{,}00792+0{,}03968=0{,}0476. Environ 4,76 pour cent des tests sont positifs.

d) PT(M)=P(MT)P(T)=0,007920,04760,166P_{T}(M)=\dfrac{P(M\cap T)}{P(T)}=\dfrac{0{,}00792}{0{,}0476}\approx 0{,}166. Une personne dont le test est positif n'a donc qu'environ 16,6 pour cent de risque d'être réellement malade.

e) Sur 100 000 personnes, 800 sont malades et 99 200 sont saines. Parmi les malades, 0,99×800=7920{,}99\times 800=792 sont détectées. Parmi les personnes saines, 0,04×99200=39680{,}04\times 99\,200=3\,968 sont pourtant positives. Le test produit donc 3 968 faux positifs contre seulement 792 vrais positifs : les positifs sont cinq fois plus souvent des erreurs que des cas réels. Le paradoxe se dissout dès qu'on remarque que les 4 pour cent d'erreur s'appliquent à un groupe énorme, alors que les 99 pour cent de réussite s'appliquent à un groupe minuscule. C'est la rareté de la maladie, et non la qualité du test, qui rend le résultat positif peu informatif.

Partie D : Probabilités, statistiques et synthèse (/25)

Exercice 11 : Un sondage avant une élection

Un sondage réalisé sur un échantillon de 1 000 personnes choisies au hasard donne 52 pour cent d'intentions de vote pour un candidat.

On rappelle qu'un intervalle de confiance au niveau de confiance de 95 pour cent est donné par [f1n ; f+1n]\left[f-\dfrac{1}{\sqrt{n}}\ ;\ f+\dfrac{1}{\sqrt{n}}\right], où ff est la fréquence observée et nn la taille de l'échantillon.

  • a) Calculez l'amplitude 1n\dfrac{1}{\sqrt{n}} pour n=1000n=1\,000, arrondie à 10410^{-4}.
  • b) Déterminez l'intervalle de confiance au niveau de 95 pour cent, arrondi à 10310^{-3}.
  • c) Le candidat peut-il affirmer qu'il est majoritaire ? Justifiez précisément.
  • d) Quelle taille d'échantillon faudrait-il pour que l'amplitude tombe à 0,01 ?
  • e) Un second sondage, sur 4 000 personnes, donne encore 52 pour cent. La conclusion change-t-elle ? Commentez le coût de cette précision.
Voir la correction

a) 110000,0316\dfrac{1}{\sqrt{1000}}\approx 0{,}0316.

b) L'intervalle est [0,520,0316 ; 0,52+0,0316][0{,}52-0{,}0316\ ;\ 0{,}52+0{,}0316], soit environ [0,488 ; 0,552][0{,}488\ ;\ 0{,}552].

c) Non. L'intervalle contient la valeur 0,50{,}5, ce qui signifie qu'une proportion réelle de 50 pour cent, ou même de 49 pour cent, est compatible avec ce sondage. Le candidat ne peut donc pas conclure qu'il est majoritaire : les 52 pour cent observés sont dans la marge d'erreur. C'est exactement la situation que les médias décrivent comme un scrutin trop serré.

d) Il faut 1n=0,01\dfrac{1}{\sqrt{n}}=0{,}01, donc n=100\sqrt{n}=100 et n=10000n=10\,000 personnes. Diviser l'amplitude par 3 exige donc de multiplier l'échantillon par 9 environ, puisque l'amplitude varie comme 1n\dfrac{1}{\sqrt{n}} et non comme 1n\dfrac{1}{n}.

e) Avec n=4000n=4\,000, l'amplitude vaut 140000,0158\dfrac{1}{\sqrt{4000}}\approx 0{,}0158, et l'intervalle devient environ [0,504 ; 0,536][0{,}504\ ;\ 0{,}536]. Cette fois 0,50{,}5 n'appartient plus à l'intervalle : le candidat peut affirmer qu'il est majoritaire, au niveau de confiance de 95 pour cent. La conclusion change donc, alors que la fréquence observée est identique. Le prix à payer est de quadrupler l'échantillon pour ne diviser l'amplitude que par 2 : la précision d'un sondage coûte de plus en plus cher à mesure qu'on la veut plus grande.

Partie D : Probabilités, statistiques et synthèse (/25)

Exercice 12 : Cinq affirmations à vérifier

Chacune des cinq affirmations suivantes est fausse. Pour chacune, expliquez l'erreur et appuyez-vous sur un contre-exemple chiffré tiré, si possible, des exercices précédents.

Les cinq portent chacune sur un thème différent du programme de l'option.

  • a) « Une fonction dont la dérivée est positive tend nécessairement vers ++\infty. »
  • b) « Si une suite géométrique a une raison strictement inférieure à 1, la somme de tous ses termes est infinie puisqu'elle en a une infinité. »
  • c) « Une baisse de 18 pour cent par an pendant 5 ans revient à une baisse de 90 pour cent. »
  • d) « Le prix moyen au kilowattheure est la moyenne des trois tarifs 0,08 ; 0,12 et 0,18. »
  • e) « Le test de dépistage étant fiable à 99 pour cent, une personne testée positive est malade à 99 pour cent. »
Voir la correction

a) Faux. Une dérivée positive donne la croissance, pas la divergence : une fonction croissante peut être majorée et converger. Contre-exemple immédiat, l'exercice 1 : la fonction f(t)=501+24e0,5tf(t)=\dfrac{50}{1+24\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}} a une dérivée strictement positive partout, et pourtant elle tend vers 50. C'est même tout l'intérêt du modèle logistique : croître sans jamais dépasser la taille du marché.

b) Faux. C'est précisément le contraire : une raison qq vérifiant q<1|q|<1 garantit que la somme converge, vers u01q\dfrac{u_{0}}{1-q}. Contre-exemple, l'exercice 5 : avec u0=120u_{0}=120 et q=0,9q=0{,}9, la somme de tous les termes vaut 1 200, un nombre fini. Ajouter une infinité de termes qui tendent vers 0 assez vite donne un total fini, et c'est ce qui rend le seuil R=1R=1 décisif en épidémiologie.

c) Faux. Les pourcentages de variation ne s'additionnent pas, ils se multiplient. Cinq baisses de 18 pour cent correspondent à un coefficient 0,8250,3710{,}82^{5}\approx 0{,}371, soit une baisse d'environ 62,9 pour cent et non de 90 pour cent. On le lit directement sur l'exercice 4 : v511864v_{5}\approx 11\,864 dollars, ce qui fait bien 37 pour cent environ de la valeur initiale de 32 000 dollars.

d) Faux. Cette moyenne vaudrait 0,08+0,12+0,1830,127\dfrac{0{,}08+0{,}12+0{,}18}{3}\approx 0{,}127, ce qui est proche de la bonne valeur par coïncidence, mais le raisonnement est faux : les trois tarifs ne s'appliquent pas au même nombre de kilowattheures. Il faut une moyenne pondérée par les largeurs des tranches, c'est-à-dire l'aire totale divisée par la consommation. Pour 150 kWh, le calcul de l'exercice 8 donne 19,401500,129\dfrac{19{,}40}{150}\approx 0{,}129. Et surtout, cette valeur change avec la consommation : pour 60 kWh, le prix moyen vaut 5,60600,093\dfrac{5{,}60}{60}\approx 0{,}093, très loin de 0,127. La moyenne arithmétique des tarifs ne dépend pas de QQ, la vraie moyenne en dépend, donc les deux ne peuvent pas coïncider en général.

e) Faux, et c'est la confusion la plus coûteuse du programme : elle échange PM(T)P_{M}(T) et PT(M)P_{T}(M). Le premier est la probabilité d'être positif quand on est malade, ici 0,99 ; le second est la probabilité d'être malade quand on est positif, et l'exercice 10 le calcule à environ 0,166. Ces deux nombres n'ont aucune raison d'être égaux, et la formule de Bayes montre que leur écart dépend de la prévalence de la maladie. Ici la maladie ne touche que 0,8 pour cent de la population, donc les faux positifs, pris sur un groupe cinquante fois plus grand, écrasent les vrais positifs.

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