Bac – Spécialité mathématiques – Métropole – sujet 1 – juin 2021

Métropole – juin 2021

Spécialité maths – Sujet 1- Correction

L’énoncé de ce sujet de bac est disponible ici.

Ex 1

Exercice 1

  1. $f$ est dérivable sur $]0;+\infty [$ puisque $f\dsec$ existe.
    Pour tout réel $x>0$ on a :
    $\begin{align*} f'(x)&=\dfrac{2\e^{2x}\times x-\e^{2x}}{x^2} \\
    &=\dfrac{(2x-1)\e^{2x}}{x^2}\end{align*}$
    Réponse c
    $\quad$
  2. La fonction exponentielle est strictement positive sur $\R$.
    Le signe de $f'(x)$ ne dépend donc que de celui de $2x-1$.
    Or $2x-1>0 \ssi x>\dfrac{1}{2}$
    Par conséquent $f$ est strictement décroissante sur $\left]0;\dfrac{1}{2}\right]$ et strictement croissante sur $\left[\dfrac{1}{2};+\infty\right[$.
    Elle admet donc un minimum en $\dfrac{1}{2}$.
    $\quad$
    Remarque : On pouvait répondre à cette question en traçant la courbe représentant la fonction sur la calculatrice.
    $\quad$
    Réponse c
    $\quad$
  3. Par croissances comparées, $\lim\limits_{x\to +\infty} \dfrac{\e^{2x}}{x}=+\infty$
    Réponse a
    $\quad$
  4. La fonction exponentielle est strictement positive sur $\R$.
    Le signe de $f\dsec(x)$ ne dépend donc que de celui de $2x^2-2x+1$.
    Son discriminant est :
    $\Delta=(-2)^2-2\times 4\times 1=-4<0$.
    Le coefficient principal est $a=2>0$.
    Par conséquent $f\dsec(x)>0$ sur $]0;+\infty[$ et $f$ est convexe sur $]0;+\infty[$.
    Réponse b
    $\quad$

Ex 2

Exercice 2

PARTIE I

  1. On obtient l’arbre pondéré suivant :
    $\quad$

    $\quad$
  2. a. On veut calculer :
    $\begin{align*} p(D\cap T)&=p(D)\times p_D(T)\\
    &=0,05\times 0,98\\
    &=0,049\end{align*}$
    La probabilité qu’une pièce choisie au hasard dans la production de la
    chaîne soit défectueuse et présente un test positif est égale à $0,049$.
    $\quad$
    b. $D$ et $\conj{D}$ forment un système complet d’événements fini.
    D’après la formule des probabilités totales on a :
    $\begin{align*}
    p(T)&=p(D)\times p_D(T)+p\left(\conj{D}\right)\times p_{\conj{D}}(T)\\
    &=0,05\times 0,98+0,95\times 0,03\\
    &=0,077~5\end{align*}$
    $\quad$
  3. On veut calculer :
    $\begin{align*} p_T(D)&=\dfrac{p(T\cap D)}{p(T)} \\
    &=\dfrac{0,049}{0,077~5}\\
    &\approx 0,63\end{align*}$
    La valeur prédictive positive de ce test est environ égale à $0,63<0,95$.
    Ce test n’est donc pas efficace.
    $\quad$

PARTIE II

  1. On effectue $20$ tirages aléatoires, indépendants et identiques. À chaque tirage il n’y a que deux issues : $D$ et $\conj{D}$.
    $X$ suit donc la loi binomiale de paramètre $n=20$ et $p=0,05$.
    $\quad$
  2. On veut calculer :
    $\begin{align*} p(X\pg 1)&=1-p(X=0) \\
    &=1-0,95^{20} \\
    &\approx 0,64\end{align*}$
    La probabilité pour que cet échantillon contienne au moins une pièce défectueuse est environ égale à $0,64$.
    $\quad$
  3. L’espérance est $E(X)=20 \times 0,05=1$.
    Cela signifie qu’en moyenne il y a une pièce défectueuse par échantillon de $20$ pièces.
    $\quad$

Ex 3

Exercice 3

I – Premier modèle

$1,3-(-19)=20,3$. Cela signifie qu’à chaque minute la température augmente de $2,03$ °C.
Au bout de $25$ minutes, selon ce modèle, la température des gâteaux serait donc de $-19+25\times 2,03=31,75$ °C.
La température ambiante est de $25$ °C. Les gâteaux ne peuvent pas avoir une température supérieure à la température ambiante.
Ce modèle n’est donc pas pertinent.
$\quad$

II – Second modèle 

  1. Pour tout entier naturel $n$ on a :
    $\begin{align*} T_{n+1}&=T_n-0,06\left(T_n-25\right) \\
    &=T_n-0,06T_n+1,5\\
    &=0,94T_n+1,5\end{align*}$
    $\quad$
  2. On a donc $T_1=0,94\times (-19)+1,5\approx -16,4$
    $T_2=0,94 \times T_1+1,5 \approx -13,9$
    $\quad$
  3. Initialisation : Si $n=0$ alors $T_0=-19 \pp 25$.
    La propriété est vraie au rang $0$.
    $\quad$
    Hérédité : Soit $n\in \N$. On suppose la propriété vraie au rang $n$.
    $\begin{align*} T_{n+1}&=0,94T_n+1,5\\
    &\pp 0,94 \times 25+1,5 \\
    &\pp 25\end{align*}$
    La propriété est donc vraie au rang $n+1$.
    $\quad$
    Conclusion : La propriété est vraie au rang $0$ et est héréditaire.
    Pour tout entier naturel $n$, on a $T_n\pp 25$.
    $\quad$
  4. Pour tout entier naturel $n$, $T_{n+1}-T_n=-0,06\times \left(T_n-25\right)$
    Or $T_n-25 \pp 0$. Donc $T_{n+1}-T_n\pg 0$.
    La suite $\left(T_n\right)$ est par conséquent croissante.
    $\quad$
  5. La suite $\left(T_n\right)$ est croissante et majorée par $25$. Elle est donc convergente.
    $\quad$
  6. a. Pour tout entier naturel $n$ on a
    $\begin{align*} U_{n+1}&=T_{n+1}-25 \\
    &=0,94T_n+1,5-25 \\
    &=0,94T_n-23,5 \\
    &=0,94\left(U_n+25\right)-23,5 \\
    &=0,94U_n+23,5-23,5\\
    &=0,94U_n\end{align*}$
    La suite $\left(U_n\right)$ est donc géométrique de raison $0,94$ et de premier terme $U_0=T_0-25=-44$.
    $\quad$
    b. Pour tout entier naturel $n$ on a donc $U_n=-44 \times 0,94^n$.
    Donc $T_n=U_n+25=-44\times 0,94^n+25$.
    $\quad$
    c. $-1<0,94<1$ donc $\lim\limits_{n\to +\infty} 0,94^n =0$
    Par conséquent $\lim\limits_{n\to +\infty} T_n=25$.
    $\quad$
  7. a. On a $T_{30}\approx 18$.
    La température des gâteaux est donc environ égale à $18$ °C au bout d’une demi-heure.
    $\quad$
    b. À l’aide de la calculatrice on trouve que $T_{17} \approx 9,6$ et $T_{18} \approx 10,6$. De plus la suite $\left(T_n\right)$ est croissante.
    Cécile doit donc attendre entre $17$ et $18$ minutes pour déguster son gâteau.
    $\quad$
    c. On obtient le programme suivant :
    $$\begin{array}{|l|}
    \hline
    \hspace{1cm} \textbf{def seuil}(): \\
    \hspace{1.5cm} \text{n = 0} \\
    \hspace{1.5cm} \text{T = -19} \\
    \hspace{1.5cm} \textbf{while } \text{T < 10} : \hspace{1cm} \\
    \hspace{2cm} \text{T = 0.94 * T + 1.5}  \\
    \hspace{2cm} \text{n = n + 1}\\
    \hspace{1.5cm} \textbf{return } n \\
    \hline
    \end{array}$$
    $\quad$

 

 

Ex A

Exercice A

  1. La droite $d$ a pour vecteur directeur le vecteur $\vec{u}$ et passe par le point $0$.
    Une représentation paramétrique de la droite $d$ est donc $\begin{cases} x=t\\y=t\\z=0\end{cases} \quad, t\in \R$.
    $\quad$
  2. a. On a
    $\begin{align*} AM^2&=(t-1)^2+(t-3)^2+2^2 \\
    &=t^2-2t+1+t^2-6t+9+4\\
    &=2t^2-8t+14\end{align*}$
    $\quad$
    b. Le coefficient principal de l’expression du second degré $2t^2-8t+14$ est $2>0$.
    Elle admet donc un minimum atteint pour $t=\dfrac{8}{2\times 2}=2$.
    Ainsi le point $M_0(2;2;0)$ est le point de la droite $d$ pour lequel $AM^2$ est minimal et donc pour lequel la distance $AM$ est minimale.
    $\quad$
  3. $\vect{AM_0}\begin{pmatrix} 1\\-1\\2\end{pmatrix}$
    Donc $\vect{AM_0}.\vec{u}=1-1+0=0$
    Ces deux vecteurs sont donc orthogonaux et les droites $\left(AM_0\right)$ et $d$ sont orthogonales.
    $\quad$
  4. Le vecteur $\vec{u}$ est orthogonal au plan d’équation $z=0$. Les points $A’$ et $M_0$ appartiennent à ce plan. Par conséquent $\vec{u}.\vect{A’M_0}=0$.
    Le vecteur $\vec{u}$ est donc orthogonal aux vecteurs (non colinéaires) $\vect{A’M_0}$ et $\vect{AM_0}$.
    La droite $d$ est par conséquent orthogonale au plan $\left(AA’M_0\right)$.
    $M_0$ appartient à la droite $d$, droite qui passe par le point $O$..
    Le point $M_0$ est le point du plan $\left(AA’M_0\right)$ le plus proche du point $O$.
    $\quad$
  5. On a $AA’=2$ et $M_0A’=\sqrt{(2-1)^2+(2-3)^2+0^2}=\sqrt{2}$.
    De plus $OM_0=\sqrt{2^2+2^2}=\sqrt{8}$
    Ainsi le volume de la pyramide $OM_0A’A$ est :
    $\begin{align*} V&=\dfrac{1}{3}\times \dfrac{2\times \sqrt{2}}{2}\times \sqrt{8} \\
    &=\dfrac{4}{3}\end{align*}$
    $\quad$

Ex B

Exercice B

  1. Pour tout réel $x$ on a :
    $\begin{align*} u'(x)&=2x\e^x+x^2\times \e^x \\
    &=2x\e^x+u(x)\end{align*}$
    Par conséquent $u$ est une solution particulière de $(E)$.
    $\quad$
  2. a. Si $f $est solution de l’équation différentielle $(E)$ alors $g$ est dérivable sur $\R$ en tant que somme de fonctions dérivables sur $\R$ et
    $\begin{align*} g'(x)&=f'(x)-u'(x) \\
    &=f(x)+2x\e^x-\left(u(x)+2x\e^x\right) \\
    &=f(x)+2x\e^x-u(x)-2x\e^x\\
    &=f(x)-u(x)\\
    &=g(x) \end{align*}$
    $g$ est donc solution de l’équation différentielle $y’=y$.
    $\quad$
    b. Une solution de l’équation $y’=y$ est la fonction $g$ définie sur $\R$ par $g(x)=\e^x$.
    Ainsi, pour tout réel $x$,
    $\begin{align*} f(x)&=g(x)+u(x) \\
    &=\e^x+x^2\e^x\end{align*}$
    $\quad$
  3. Étude de la fonction $\boldsymbol{u}$
    a. et b. Pour tout réel $x$, on a d’après les calculs faits à la question 1.,  $u'(x)=(2+x)x\e^x$.
    Or $2+x=0 \ssi x=-2$ et $2+x>0 \ssi x>-2$.
    La fonction exponentielle est strictement positive sur $\R$.
    On obtient donc le tableau de signes et de variations suivant :
    $\quad$
    c. $u’$ est dérivable sur $\R$ en tant que produit de fonctions dérivables sur $\R$.
    Pour tout réel $x$ on a $u'(x)=2x\e^x+x^2\e^x$ donc
    $\begin{align*} u\dsec(x)&=2\e^x+2x\e^x+2x\e^x +x^2\e^x \\
    &=\left(2+4x+x^2\right)\e^x \end{align*}$
    Le signe de $u\dsec(x)$ ne dépend que de celui de $x^2+4x+2$.
    Son discriminant est $\Delta=4^2-2\times 4=8>0$.
    Ses racines sont donc $x_1=\dfrac{-4-\sqrt{8}}{2}=-2-\sqrt{2}$ et $x_2=-2+\sqrt{2}$.
    Le coefficient principal est $a=1>0$.
    Par conséquent $u\dsec(x)<0$ sur $\left]-2-\sqrt{2};-2+\sqrt{2}\right[$.
    Le plus grand intervalle sur lequel la fonction $u$ est concave est $\left[-2-\sqrt{2};-2+\sqrt{2}\right]$.
    $\quad$

 

Énoncé

Exercice 1     4 points

Cet exercice est un questionnaire à choix multiples. Pour chacune des questions suivantes, une seule des quatre réponses proposées est exacte. Une réponse exacte rapporte un point. Une réponse fausse, une réponse multiple ou l’absence de réponse à une question ne rapporte ni n’enlève de point. Pour répondre, indiquer sur la copie le numéro de la question et la lettre de la réponse choisie. Aucune justification n’est demandée.

Soit $f$ la fonction définie pour tout nombre réel $x$ de l’intervalle $]0 ;+\infty[$ par:
$$f(x)=\dfrac{\e^{2 x}}{x}$$
On donne l’expression de la dérivée seconde $f\dsec$ de $f$, définie sur l’intervalle $] 0 ;+\infty[$ par:
$$f\dsec(x)=\dfrac{2 \e^{2 x}\left(2 x^{2}-2 x+1\right)}{x^{3}}$$

  1. La fonction $f’$, dérivée de $f$, est définie sur l’intervalle $] 0 ;+\infty[$ par ;
    a. $f'(x)=2 e^{2 x}$
    b. $f'(x)=\dfrac{\e^{2 x}(x-1)}{x^{2}}$
    c. $f'(x)=\dfrac{\e^{2 x}(2 x-1)}{x^{2}}$
    d. $f'(x)=\dfrac{\e^{2 x}(1+2 x)}{x^{2}}$
    $\quad$
  2. La fonction $f$ :
    a. est décroissante sur $] 0 ;+\infty[$
    b. est monotone sur $] 0 ;+\infty[$
    c. admet un minimum en $\dfrac{1}{2}$
    d. admet un maximum en $\dfrac{1}{2}$
    $\quad$
  3. La fonction $f$ admet pour limite en $+\infty$ :
    a. $+\infty$
    b. $0$
    c. $1$
    d. $\e^{2 x}$
    $\quad$
  4. La fonction $f$ :
    a. est concave sur $] 0$; $+\infty[$
    b. est convexe sur $] 0 ;+\infty[$
    c. est concave sur $\left] 0 ; \dfrac{1}{2}\right]$
    d. est représentée par une courbe admettant un point d’inflexion
    $\quad$

$\quad$

Exercice 2     5 points

Une chaîne de fabrication produit des pièces mécaniques. On estime que $5\%$ des pièces produites par cette chaîne sont défectueuses.

Un ingénieur a mis au point un test à appliquer aux pièces. Ce test a deux résultats possibles: « positif » ou bien « négatif ».

On applique ce test à une pièce choisie au hasard dans la production de la chaîne.

On note $p(E)$ la probabilité d’un événement $E$.

On considère les événements suivants:

  •  $D$ : « la pièce est défectueuse »;
  •  $T$ : « la pièce présente un test positif »;
  •  $\conj{D}$ et $\conj{T}$ désignent respectivement les évènements contraires de $D$ et $T$.

Compte tenu des caractéristiques du test, on sait que :

  • La probabilité qu’une pièce présente un test positif sachant qu’elle défectueuse est égale à $0,98$ ;
  • La probabilité qu’une pièce présente un test négatif sachant qu’elle n’est pas défectueuse est égale à $0,97$ .

Les parties I et II peuvent être traitées de façon indépendante.

PARTIE I

  1. Traduire la situation à l’aide d’un arbre pondéré.
    $\quad$
  2. a. Déterminer la probabilité qu’une pièce choisie au hasard dans la production de la chaîne soit défectueuse et présente un test positif.
    $\quad$
    b. Démontrer que : $p(T)=0,077~5$.
    $\quad$
  3. On appelle valeur prédictive positive du test la probabilité qu’une pièce soit défectueuse sachant que le test est positif. On considère que pour être efficace, un test doit avoir une valeur prédictive positive supérieure à $0,95$ . Calculer la valeur prédictive positive de ce test et préciser s’il est efficace.
    $\quad$

PARTIE II

On choisit un échantillon de $20$ pièces dans la production de la chaîne, en assimilant ce choix à un tirage avec remise. On note $X$ la variable aléatoire qui donne le nombre de pièces défectueuses dans cet échantillon. On rappelle que: $p(D)=0,05$.

  1. Justifier que $X$ suit une loi binomiale et déterminer les paramètres de cette loi.
    $\quad$
  2. Calculer la probabilité que cet échantillon contienne au moins une pièce défectueuse. On donnera un résultat arrondi au centième.
    $\quad$
  3. Calculer l’espérance de la variable aléatoire $X$ et interpréter le résultat obtenu.
    $\quad$

$\quad$

Exercice 6     6 points

Cécile a invite des amis à déjeuner sur sa terrasse. Elle a prévu en dessert un assortiment de gâteaux individuels qu’elle a achetés surgelés.

Elle sort les gâteaux du congélateur à $-19$ °C et les apporte sur la terrasse ou la température ambiante est de $25$ °C.

Au bout de $10$ minutes la température des gâteaux est de $1,3$ °C.

I – Premier modèle

On suppose que la vitesse de décongélation est constante, c’est-à-dire que l’augmentation de la température des gâteaux est la même minute après minute.

Selon ce modèle, déterminer quelle serait la température des gâteaux $25$ minutes après leur sortie du congélateur.

Ce modèle semble-t-il pertinent?
$\quad$

II – Second modèle

On note $T_{n}$ la température des gâteaux, en degré Celsius, au bout de $n$ minutes après leur sortie du congélateur; ainsi $T_{0}=-19$.

On admet que pour modéliser L’évolution de la température, an doit avoir la relation suivante:
pour tout entier naturel $n$, $T_{n+1}-T_{n}=-0,06 \times\left(T_{n}-25\right)$.

  1. Justifier que, pour tout entier naturel $n$, on a: $T_{n+1}=0,94 T_{n}+1,5$.
    $\quad$
  2. Calculer $T_{1}$ et $T_{2}$. On donnera des valeurs arrondies au dixième.
    $\quad$
  3. Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel $n$, on a : $T_{n} \pp 25$. En revenant a la situation étudiée, ce résultat était-il prévisible?
    $\quad$
  4. Etudier le sens de variation de la suite $\left(T_{n}\right)$.
    $\quad$
  5. Démontrer que la suite $\left(T_{n}\right)$ est convergente.
    $\quad$
  6. On pose, pour tout entier naturel $n, U_{n}=T_{n}-25$.
    a. Montrer que la suite $\left(U_{n}\right)$ est une suite géométrique dont on précisera la raison et le premier terme $U_{0}$.
    $\quad$
    b. En déduire que pour tout entier naturel $n, T_{n}=-44 \times 0,94^{n}+25$.
    $\quad$
    c. En déduire la limite de la suite $\left(T_{n}\right)$. Interpréter ce résultat dans le contexte de la situation étudiée.
    $\quad$
  7. a. Le fabricant conseille de consommer les gâteaux au bout d’une demi-heure a température ambiante après leur sortie du congélateur. Quelle est alors la température atteinte par les gâteaux? On donnera une valeur arrondie à l’entier le plus proche.
    $\quad$
    b. Cécile est une habituée de ces gâteaux, qu’elle aime déguster lorsqu’ils sont encore frais, a la température de $10$ °C. Donner un encadrement entre deux entiers consécutifs du temps en minutes après lequel Cécile doit déguster son gâteau.
    $\quad$
    c. Le programme suivant, écrit en langage Python, doit renvoyer après son exécution la plus petite valeur de l’entier $n$ pour laquelle $T_{n} \pg  10$.$$\begin{array}{|l|}
    \hline
    \hspace{1cm} \textbf{def seuil}(): \\
    \hspace{1.5cm} \text{n = 0} \\
    \hspace{1.5cm} \text{T = } \ldots\ldots \\
    \hspace{1.5cm} \textbf{while } \text{T }\ldots\ldots : \hspace{1cm} \\
    \hspace{2cm} \text{T = } \ldots\ldots \\
    \hspace{2cm} \text{n = n + 1}\\
    \hspace{1.5cm} \textbf{return } n \\
    \hline
    \end{array}$$Recopier ce programme sur la copie et compléter les lignes incomplètes afin que le programme renvoie la valeur attendue.
    $\quad$

$\quad$

Exercice au chois du candidat     5 points

Le candidat doit traiter un seul des deux exercices A ou B.
II indique sur sa copie l’exercice choisi : exercice A ou exercice B.
Pour éclairer le choix, les principaux domaines abordés sont indiqués en début de chaque exercice.

Exercice A

Principaux domaines abordés:

  • Géométrie de l’espace rapporté à un repère orthonormé;
  • orthogonalité dans l’espace.

Dans un repère $Oikj$ on considère :

  • le point $A$ de coordonnées $(1 ; 3 ; 2)$,
  • le vecteur $\vec{u}$ de coordonnées $\begin{pmatrix}1 \\ 1 \\ 0\end{pmatrix}$,
  • la droite $d$ passant par l’origine $O$ du repère et admettant pour vecteur directeur $\vec{u}$.

 

Le but de cet exercice est de déterminer le point de $d$ le plus proche du point $A$ et d’étudier quelques propriétés de ce point.

On pourra s’appuyer sur la figure ci-contre pour raisonner au fur et à mesure des questions.

  1. Déterminer une représentation paramétrique de la droite $d$.
    $\quad$
  2. Soit $t$ un nombre réel quelconque, et $M$ un point de la droite $d$, le point $M$ ayant pour coordonnées $(t ; t ; 0)$.
    a. On note $AM$ la distance entre les points $A$ et $M$. Démontrer que :$$AM^2=2 t^{2}-8 t+14$$
    $\quad$
    b. Démontrer que le point $M_0$ de coordonnées $(2 ; 2 ; 0)$ est le point de la droite $d$ pour lequel la distance $AM$ est minimale. On admettra que la distance $AM$ est minimale lorsque son carré $AM^2$ est minimal.
    $\quad$
  3. Démontrer que les droites $\left(AM_0\right)$ et $d$ sont orthogonales.
    $\quad$
  4. On appelle $A’$ le projeté orthogonal du point $A$ sur le plan d’équation cartésienne $z=0$. Le point $A’$ admet donc pour coordonnées $(1 ; 3 ; 0)$.
    Démontrer que le point $M_0$ est le point du plan $\left(AA’M_0\right)$ le plus proche du point $O$, origine du repère.
    $\quad$
  5. Calculer le volume de la pyramide $OM_0A’A$.
    On rappelle que le volume d’une pyramide est donné par: $V=\dfrac{1}{3} \mathcal{B} h$, où $\mathcal{B}$ est l’aire d’une base et $h$ est la hauteur de la pyramide correspondant à cette base.
    $\quad$

$\quad$

Exercice B

Principaux domaines abordés:

  • Équations différentielles;
  • fonction exponentielle.

On considère l’équation différentielle $(E): y’=y+2 x \e^{x}$.

On cherche l’ensemble des fonctions définies et dérivables sur l’ensemble $\R$ des nombres réels qui sont solutions de cette équation.

  1. Soit $u$ la fonction définie sur $\R$ par $u(x)=x^{2} \e^{x}$. On admet que $u$ est dérivable et on note $u’$ sa fonction dérivée. Démontrer que $u$ est une solution particulière de $(E)$.
    $\quad$
  2. Soit $f$ une fonction définie et dérivable sur $\R$. On note $g$ la fonction définie sur $\R$ par :$$g(x)=f(x)-u(x)$$
    a. Démontrer que si la fonction $f$ est solution de l’équation différentielle $(E)$ alors la fonction $g$ est solution de l’équation différentielle : $y’=y$. On admet que la réciproque de cette propriété est également vraie.
    $\quad$
    b. À l’aide de la résolution de l’équation différentielle $y’=y$, résoudre l’équation différentielle $(E)$.
    $\quad$
  3. Étude de la fonction $\boldsymbol{u}$
    a. Étudier le signe de $u'(x)$ pour $x$ variant dans $\R$.
    $\quad$
    b. Dresser le tableau de variations de la fonction $u$ sur $\R$ (les limites ne sont pas demandées).
    $\quad$
    c. Déterminer le plus grand intervalle sur lequel la fonction $u$ est concave.
    $\quad$

$\quad$

Bac – Spécialité mathématiques – sujet 2 – Métropole – Mars 2021

Métropole – Mars 2021

Spécialité maths – Sujet 2 – Correction

L’énoncé de ce sujet de bac est disponible ici.

Ex 1

Exercice 1

Partie I

  1. On a
    $\begin{align*} P(X=0)&=\dbinom{9}{0}0,03^0 \times 0,97^9 \\
    &=0,97^9 \\
    &\approx 0,76\end{align*}$
    Réponse d
    $\quad$
  2. La probabilité qu’exactement deux des neuf adresses soient illisibles pour la machine est :
    $P(X=2)=\dbinom{9}{2}0,03^2 \times 0,97^7$
    Réponse d
    $\quad$
  3. La probabilité qu’au moins une des neuf adresses soit illisible pour la machine est :
    $P(X\pg 1)=1-P(X=0)$
    Réponse d
    $\quad$

Partie II

  1. Si $V_1$ est réalisé alors, parmi les $7$ boules restantes il y a $4$ boules vertes.
    Ainsi $P_{V_1}\left(V_2\right)=\dfrac{4}{7}$
    Réponse b
    $\quad$
  2. $\left(V_1,B_1\right)$ forme un système complet d’événements fini.
    D’après la formule des probabilités totales on a :
    $\begin{align*}
    P\left(V_2\right)&=P\left(V_1\right)P_{V_1}\left(V_2\right)+P\left(B_1\right)P_{B_1}\left(V_2\right) \\
    &=\dfrac{5}{8}\times \dfrac{4}{7}+\dfrac{3}{8}\times \dfrac{5}{7}\\
    &=\dfrac{5}{8}\end{align*}$
    Réponse a
    $\quad$

Ex 2

Exercice 2

  1. a. $u_1=u_0+v_0=2$
    $v_1=2u_0+v_0=3$
    $\quad$
    b. Pour tout $n\in \N$ on a
    $\begin{align*} v_{n+1}-v_n&=2u_n+v_n-v_n\\
    &=2u_n\\
    &>0\end{align*}$
    La suite $\left(v_n\right)$ est donc strictement croissante.
    Ainsi, pour tout $n\in \N$ on a $v_n\pg v_0$
    Soit $v_n \pg 1$
    $\quad$
    c. Initialisation : Si $n=0$ alors $u_0=1$ et $n+1=1$
    Donc $u_0\pg 0+1$
    La propriété est vraie au rang $0$.
    $\quad$
    Hérédité : Soit $n\in \N$. On suppose la propriété vraie au rang $n$.
    On a donc, d’après l’hypothèse de récurrence, $u_n\pg n+1$ et, d’après la question précédente, $v_n\pg 1$
    $\begin{align*} u_{n+1}&=u_n+v_n \\
    &\pg n+1+1\\
    &\pg n+2\end{align*}$
    La propriété est vraie au rang $n+1$.
    $\quad$
    Conclusion : La propriété est vraie au rang $0$ et est héréditaire.
    Pour tout $n\in \N$ on a $u_n\pg n+1$.
    $\quad$
    d. Pour tout $n\in \N$ on a $u_n\pg n+1$ et $\lim\limits_{n\to +\infty} n+1=+\infty$
    D’après le théorème de comparaison, $\lim\limits_{n\to +\infty} u_n=+\infty$.
    $\quad$
  2. a. Pour tout entier naturel $n$ on a $-1\pp (-1)^{n+1} \pp 1$
    Donc $-\dfrac{1}{u_n^2}\pp \dfrac{(-1)^{n+1}}{u_n^2}\pp \dfrac{1}{u_n^2}$
    $\quad$
    b. Or $\lim\limits_{n\to +\infty} u_n=+\infty$ donc $\lim\limits_{n\to +\infty} u_n^2=+\infty$.
    Ainsi $\lim\limits_{n\to +\infty} \dfrac{1}{u_n^2}=0$
    Par conséquent, d’après le théorème des gendarmes, $\lim\limits_{n\to +\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{u_n^2}=0$.
    $\quad$
    c. Pour tout $n\in \N$ on a $r_n=2+\dfrac{(-1)^{n+1}}{u_n^2}$.
    $\lim\limits_{n\to +\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{u_n^2}=0$ donc $\lim\limits_{n\to +\infty} r_n^2=2$.
    $\quad$
    $\lim\limits_{x\to 2} \sqrt{x}=\sqrt{2}$ donc $\lim\limits_{n\to +\infty} r_n=\sqrt{2}$.
    $\quad$
    d. Pour tout $n\in \N$ on a
    $\begin{align*} r_{n+1} &=\dfrac{v_{n+1}}{u_{n+1}} \\
    &=\dfrac{2u_n+v_n}{u_n+v_n}\\
    &=\dfrac{u_n\left(2+\dfrac{v_n}{u_n}\right)}{u_n\left(1+\dfrac{v_n}{u_n}\right)}\\
    &=\dfrac{2+r_n}{1+r_n}\end{align*}$
    $\quad$
    e. Cela signifie que le plus petit entier naturel $n$ vérifiant $\abs{r_n-\sqrt{2}}\pp 10^{-4}$ est $5$.
    Ainsi $r_5$ est une approximation de $\sqrt{2}$ à au plus $10^{-4}$ près.
    $\quad$

Ex 3

Exercice 3

  1. a. On a $\vect{AB}\begin{pmatrix}-2\\3\\0\end{pmatrix}$ et $\begin{pmatrix}-2\\0\\1\end{pmatrix}$
    Ces deux vecteurs ne sont clairement pas colinéaires.
    Par conséquent :
    $\vect{AB}.\vec{n}=-6+6+0=0$
    $\vect{AC}.\vec{n}=-6+0+6=0$
    Le vecteur $\vec{n}$ est donc orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan $(ABC)$.
    C’est, par conséquent, un vecteur normal à ce plan.
    $\quad$
    b. Une équation cartésienne du plan $(ABC)$ est donc de la forme $3x+2y+6z+d=0$
    Le point $A(2;0;0)$appartient à ce plan.
    Ainsi $6+d=0 \ssi d=-6$
    Une équation cartésienne du plan $(ABC)$ est donc $3x+2y+6z-6=0$.
    $\quad$
  2. a. $\vec{n}$ est un vecteur directeur de $d$.
    Une représentation paramétrique de cette droite est donc $\begin{cases} x=3t\\y=2t\\z=6t\end{cases} \quad t\in \R$.
    $\quad$
    b. La droite $d$ est orthogonal au plan $(ABC)$.
    Il existe donc un point d’intersection de la droite et du plan.
    Vérifions que le point $H$ de coordonnées $\left(\dfrac{18}{49};\dfrac{12}{49};\dfrac{36}{49}\right)$ appartient à la droite $d$ et au plan $(ABC)$.
    Le point de paramètre $t=\dfrac{6}{49}$ de la droite $d$ a pour coordonnées $\left(\dfrac{18}{49};\dfrac{12}{49};\dfrac{36}{49}\right)$. Ainsi $H\in d$.
    $\begin{align*}&3\times \dfrac{18}{49}+2\times \dfrac{12}{49}+6\times \dfrac{36}{49}-6\\
    &=\dfrac{54}{49}+\dfrac{24}{49}+\dfrac{216}{49}-\dfrac{294}{49} \\
    &=\dfrac{294}{49}-\dfrac{294}{49}\\
    &=0\end{align*}$
    Donc $H\in (ABC)$.
    La droite $d$ coupe donc le plan $(ABC)$ au point $H$ de coordonnées $\left(\dfrac{18}{49};\dfrac{12}{49};\dfrac{36}{49}\right)$.
    $\quad$
    c. On a
    $\begin{align*} OH&=\sqrt{\left(\dfrac{18}{49}\right)^2+\left(\dfrac{12}{49}\right)^2+\left(\dfrac{36}{49}\right)^2} \\
    &=\sqrt{\dfrac{324}{49^2}+\dfrac{244}{49^2}+\dfrac{1~296}{49^2}}\\
    &=\sqrt{\dfrac{1~764}{49^2}}\\
    &=\dfrac{42}{49} \\
    &=\dfrac{6}{7}\end{align*}$
    $\quad$
  3. D’une part :
    $\begin{align*} V&=\dfrac{\text{aire}_{OBC}\times OA}{3} \\
    &=\dfrac{\dfrac{1\times 3}{2}\times 2}{3} \\
    &=1\end{align*}$
    D’autre part :$V=\dfrac{\text{aire}_{ABC}\times OH}{3}$
    Par conséquent
    $\begin{align*} \text{aire}_{ABC}\times OH=3&\ssi \text{aire}_{ABC}=\dfrac{3}{OH} \\
    &\ssi \text{aire}_{ABC}=3\times \dfrac{7}{6} \\
    &\ssi \text{aire}_{ABC} =\dfrac{7}{2}\end{align*}$

Ex A

Exercice A

  1. a. On résout l’équation :
    $\begin{align*} f(x)=g(x)&\ssi x^2\e^{-x}=\e^{-x} \\
    &\ssi x^2\e^{-x}-\e^{-x}=0\\
    &\ssi \left(x^2-1\right)\e^{-x}=0\\
    &\ssi (x-1)(x+1)\e^{-x}=0\\
    &=\ssi x=1 \text{ ou } x=-1 \text{ ou } \e^{-x}=0\end{align*}$
    La fonction exponentielle est strictement positive sur $\R$.
    Les solutions de l’équation $f(x)=g(x)$ sont donc $-1$ et $1$.
    De plus $f(1)=\e^{-1}$ et $f(-1)=\e$
    Les points d’intersection de $C_f$ et $C_g$ on pour coordonnées $\left(1;\e^{-1}\right)$ et $(-1;\e)$.
    $\quad$
    b. On a :
    $\begin{align*} f(x)\pp g(x) &\ssi x^2\e^{-x} \pp \e^{-x} \\
    &\ssi \left(x^2-1\right)\e^{-x} \pp 0\\
    &\ssi (x-1)(x+1)\e^{-x} \pp  0 \\
    &\ssi (x-1)(x+1) \pp 0 \text{   car } \e^{-x}>0\\
    &\ssi x\in [-1;1]\end{align*}$
    Ainsi $C_f$ est au-dessous de $C_g$ sur $[-1;1]$ et au-dessus sur $]-\infty;-1]$ et $[1;+\infty[$.
    $\quad$
  2. a. Pour tout réel $x\in[-1;1]$ on a :
    $\begin{align*} d'(x)&=-\e^{-x}-2x\e^{-x}+x^2\e^{-x} \\
    &=\left(x^2-2x-1\right)\e^{-x}\end{align*}$
    $\quad$
    b. La fonction exponentielle est strictement positive sur $\R$.
    Le signe de $d'(x)$ ne dépend donc que de celui de $x^2-2x-1$.
    Le discriminant de ce polynôme du second degré est $\Delta=8$.
    Ses racines sont donc :
    $x_1=\dfrac{2-\sqrt{8}}{2}=1-\sqrt{2}$ et $x_2=\dfrac{2+\sqrt{8}}{2}=1+\sqrt{2}$.
    Le coefficient principal de ce polynôme est $a=1>0$.
    Par conséquent $x^2-2x-1<0$ sur $\left]1-\sqrt{2};1+\sqrt{2}\right[$ et $x^2-2x-1>0$ sur $\left]-\infty;1-\sqrt{2}\right[\cup\left]1+\sqrt{2};+\infty\right[$.
    La fonction $d$ est donc strictement croissante sur l’intervalle $\left[-1;1-\sqrt{2}\right]$ et décroissante sur l’intervalle $\left[1-\sqrt{2};1\right]$.
    $\quad$
    c. La fonction $d$ atteint donc sur l’intervalle $[-1;1]$ un maximum en $1-\sqrt{2}$.
    Ainsi $x_0=1-\sqrt{2}$.
    $d\left(1-\sqrt{2}\right)\approx 1,3$.
    Ainsi $M_0N_0  \approx 1,3$.
    $\quad$
  3. Pour tout réel $x$ on a $h'(x)=-\e^{-x}-1<0$.
    La fonction $h$ est donc continue (car dérivable) et strictement décroissante sur $\R$.
    $\lim\limits_{x\to +\infty} \e^{-x}=0$ donc $\lim\limits_{x\to +\infty} h(x)=-\infty$
    Pour tout réel $x$ on a $h(x)=\e^{-x}\left(1-x\e^x-2\e^x\right)$
    Or $\lim\limits_{x\to -\infty} \e^x=0$, $\lim\limits_{x\to -infty} \e^{-x}=+\infty$ et, par croissances comparées $\lim\limits_{x\to -\infty} x\e^x=-\infty$
    Ainsi $\lim\limits_{x\to -\infty} h(x)=-\infty$.
    Or $O\in ]-\infty;+\infty[$
    D’après le théorème de la bijection (ou corollaire du théorème des valeurs intermédiaires) l’équation $h(x)=0$ admet une unique solution sur $\R$.
    $\quad$
    $g(x)=x+2 \ssi \e^{-x}=x+2\ssi \e^{-x}-x-2=0\ssi h(x)=0$
    La droite $\Delta$ et la courbe $C_g$ ont donc un unique point d’intersection.
    $\quad$

Ex B

Exercice B

Partie I : Étude d’une fonction auxiliaire

  1. $\lim\limits_{x\to +\infty} \ln(x)=+\infty$ et $\lim\limits_{x\to +\infty} 2x-2=+\infty$ donc $\lim\limits_{x\to +\infty} g(x)=+\infty$
    $\lim\limits_{x\to 0^+} \ln(x)=-\infty$ et $\lim\limits_{x\to 0} 2x-2=2$ donc $\lim\limits_{x\to 0^+} g(x)=-\infty$
    $\quad$
  2. La fonction $g$ est dérivable sur $]0;+\infty[$ en tant que somme de fonctions dérivables sur cet intervalle.
    Pour tout réel $x>0$ on a $g'(x)=\dfrac{1}{x}+2$
    Par conséquent $g'(x)>0$ sur $]0;+\infty[$ en tant que somme de termes strictement positifs.
    La fonction $g$ est par conséquent strictement croissante sur $]0;+\infty[$.
    $\quad$
  3. La fonction $g$ est continue (car dérivable) et strictement croissante sur $]0;+\infty[$.
    $\lim\limits_{x\to 0^+} g(x)=-\infty$ et $\lim\limits_{x\to +\infty} g(x)=+\infty$.
    Or $0\in ]-\infty;+\infty[$.
    D’après le théorème de la bijection (ou corollaire du théorème des valeurs intermédiaires) l’équation $g(x)=0$ possède une unique solution sur $]0;+\infty[$.
    $\quad$
  4. $g(1)=0+2-2=0$
    Ainsi $\alpha=1$
    La fonction $g$ est strictement croissante sur $]0;+\infty [$ et $g(1)=0$.
    Par conséquent :
    $\bullet~ g(x)<0$ sur $]0;1[$
    $\bullet~ g(1)=0$
    $\bullet~ g(x)>0$ sur $]1;+\infty[$
    $\quad$

Partie II : Étude d’une fonction $\boldsymbol{f}

  1. a. Pour tout réel $x>0$ on a
    $\begin{align*} f'(x)&=\dfrac{1}{x^2}\left(\ln(x)-1\right)+\left(2-\dfrac{1}{x}\right)\times \dfrac{1}{x} \\
    &=\dfrac{\ln(x)-1+\left(2-\dfrac{1}{x}\right)x}{x^2} \\
    &=\dfrac{\ln(x)-1+2x-1}{x^2} \\
    &=\dfrac{g(x)}{x^2}\end{align*}$
    $\quad$
    b. Le signe de $f'(x)$ ne dépend donc que de celui de $g(x)$.
    D’après la question I.4. on a :
    $\quad$
  2. $f(x)=0 \ssi 2-\dfrac{1}{x}=0$ ou $\ln(x)-1=0$
    $\phantom{f(x)=0}\ssi x=\dfrac{1}{2}$ ou $x=\e$
    Les solutions de l’équation $f(x)=0$ sont $\dfrac{1}{2}$ et $\e$.
    $\quad$
    La fonction $f$ est strictement décroissante sur $]0;1]$, strictement croissante sur $[1;+\infty[$ et s’annule uniquement en $\dfrac{1}{2}$ et $\e$.
    De plus $\dfrac{1}{2}<1<\e$
    On obtient alors le tableau de signes suivant :
    $\quad$

Partie III : Étude d’une fonction $\boldsymbol{F}$ admettant pour dérivée la fonction$\boldsymbol{F}$

  1. Pour tout réel $x>0$ on a $F'(x)=f(x)$
    D’après la question précédente :
    $\bullet~ F$ est strictement croissante sur $\left]0;\dfrac{1}{2}\right]$ et sur $[\e;+\infty[$.
    $\bullet~ F$ est strictement décroissante sur $\left[\dfrac{1}{2};\e\right]$.
    $\quad$
  2. $F'(x)=0 \ssi x=\dfrac{1}{2}$ ou $x=\e$.
    Par conséquent les tangentes à $C_F$ aux points d’abscisse $\dfrac{1}{2}$ et $\e$ sont parallèles à l’axe des abscisses.
    $\quad$

Énoncé

Exercice 1     5 points

Cet exercice est un questionnaire à choix multiples. Pour chacune des questions suivantes, une seule des quatre réponses proposées est exacte. Une réponse exacte rapporte un point. Une réponse fausse, une réponse multiple ou l’absence de réponse à une question ne rapporte ni n’enlève de point. Pour répondre, indiquer sur la copie le numéro de la question et la lettre de la réponse choisie. Aucune justification n’est demandée.

PARTIE I

Dans un centre de traitement du courrier, une machine est équipée d’un lecteur optique automatique de reconnaissance de l’adresse postale. Ce système de lecture permet de reconnaître convenablement $97 \%$ des adresses ; le reste du courrier, que l’on qualifiera d’illisible pour la machine, est orienté vers un employé du centre chargé de lire les adresses.
Cette machine vient d’effectuer la lecture de neuf adresses. On note $X$ la variable aléatoire qui donne le nombre d’adresses illisibles parmi ces neuf adresses.
On admet que $X$ suit la loi binomiale de paramètres $n=9$ et $p=0,03$.

  1. La probabilité qu’aucune des neuf adresses soit illisible est égale, au centième près, à :
    a. $0$
    b. $1$
    c. $0,24$
    d. $0,76$
    $\quad$
  2. La probabilité qu’exactement deux des neuf adresses soient illisibles pour la machine est :
    a. $\dbinom{9}{2} \times 0,97^2 \times 0,03^7\rule{0pt}{25pt}$
    b. $\dbinom{7}{2} \times 0,97^2 \times 0,03^7\rule{0pt}{25pt}$
    c. $\dbinom{9}{2} \times 0,97^7 \times 0,03^2\rule{0pt}{25pt}$
    d. $\dbinom{7}{2} \times 0,97^7 \times 0,03^2\rule{0pt}{25pt}$
    $\quad$
  3. La probabilité qu’au moins une des neuf adresses soit illisible pour la machine est :
    a. $P(X<1)$
    b. $P(X\pp 1)$
    c. $P(X\pg 2)$
    d. $1-P(X=0)$
    $\quad$

PARTIE II

Une urne contient $5$ boules vertes et $3$ boules blanches, indiscernables au toucher.
On tire au hasard successivement et sans remise deux boules de l’urne.
On considère les évènements suivants :

  • $V_1$ : « la première boule tirée est verte » ;
  • $B_1$ : « la première boule tirée est blanche » ;
  • $V_2$ : « la seconde boule tirée est verte » ;
  • $B_2$ : « la seconde boule tirée est blanche ».
  1. La probabilité de $V_2$ sachant que $V_1$ est réalisé, notée $P_{V_1}\left(V_2\right)$, est égale à :
    a. $\dfrac{5}{8}\rule{0pt}{25pt}$
    b. $\dfrac{4}{7}\rule{0pt}{25pt}$
    c. $\dfrac{5}{14}\rule{0pt}{25pt}$
    d. $\dfrac{20}{56}\rule{0pt}{25pt}$
    $\quad$
  2. La probabilité de l’événement $V_2$ est égale à :
    a. $\dfrac{5}{8}\rule{0pt}{25pt}$
    b. $\dfrac{5}{7}\rule{0pt}{25pt}$
    c. $\dfrac{3}{28}\rule{0pt}{25pt}$
    d. $\dfrac{9}{7}\rule{0pt}{25pt}$
    $\quad$

$\quad$

Exercice 2     6 points

On considère les suites $\left(u_n\right)$ et $\left(v_n\right)$ définies pour tout entier naturel $n$ par : $$\begin{cases} u_0=v_0=1\\u_{n+1}=u_n+v_n\\v_{n+1}=2u_n+v_n\end{cases}$$
Dans toute la suite de l’exercice, on admet que les suites $\left(u_n\right)$ et $\left(v_n\right)$ sont strictement positives.

  1. a. Calculer $u_1$ et $v_1$.
    $\quad$
    b. Démontrer que la suite $\left(v_n\right)$ est strictement croissante puis en déduire que, pour tout entier naturel $n$, $v_n\pg 1$.
    $\quad$
  2. On pose, pour tout entier naturel $n$ : $$r_n=\dfrac{v_n}{u_n}$$
    On admet que : $$r_n^2=2+\dfrac{(-1)^{n+1}}{u_n^2}$$
    a. Démontrer que pour tout entier naturel $n$ : $$-\dfrac{1}{u_n^2} \pp \dfrac{(-1)^{n+1}}{u_n^2}\pp \dfrac{1}{u_n^2}$$
    $\quad$
    b. En déduire : $$\lim\limits_{n\to +\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{u_n^2}$$
    $\quad$
    c. Déterminer la limite de la suite $\left(r_n^2\right)$ et en déduire que $\left(r_n\right)$ converge vers $\sqrt{2}$.
    $\quad$
    d. Démontrer que pour tout entier naturel $n$, $$r_{n+1}=\dfrac{2+r_n}{1+r_n}$$
    $\quad$
    e. On considère le programme suivant écrit en langage Python :
    $$\begin{array}{|l|}
    \hline
    \text{def seuil():}\\
    \quad n=0\\
    \quad r=1\\
    \quad \text{while abs(r-sqrt(2))}>10**(-4) :\\
    \qquad r=(2+r)/(1+r)\\
    \qquad n=n+1\\
    \quad \text{return }n\\
    \hline
    \end{array}$$
    ($\text{abs}$ désigne la valeur absolue, $\text{sqrt}$ la racine carrée et $10**(-4)$ représente $10^{-4}$)
    La valeur de $n$ renvoyée par ce programme est $5$.
    À quoi correspond-elle ?
    $\quad$

$\quad$

Exercice 3     4 points

Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé $\Oijk$, on considère les points :
$A$ de coordonnées $(2 ;0 ;0)$, $B$ de coordonnées $(0 ;3 ;0)$ et $C$ de coordonnées $(0 ;0 ;1)$.

L’objectif de cet exercice est de calculer l’aire du triangle $ABC$.

  1. a. Montrer que le vecteur $\vec{n}\begin{pmatrix}3\\2\\6\end{pmatrix}$ est normal au plan $(ABC)$.
    $\quad$
    b. En déduire qu’une équation cartésienne du plan $(ABC)$ est : $3x+2y+6z-6=0$.
    $\quad$
  2. On note $d$ la droite passant par $O$ et orthogonale au plan $(ABC)$.
    a. Déterminer une représentation paramétrique de la droite $d$.
    $\quad$
    b. Montrer que la droite $d$ coupe le plan $(ABC)$ au point $H$ de coordonnées $\left(\dfrac{18}{49};\dfrac{12}{49};\dfrac{36}{49}\right)$.
    $\quad$
    c. Calculer la distance $OH$.
    $\quad$
  3. On rappelle que le volume d’une pyramide est donné par : $V=\dfrac{1}{3}\mathcal{B}h$ , où $\mathcal{B}$ est l’aire d’une base et $h$ est la hauteur de la pyramide correspondant à cette base.
    En calculant de deux façons différentes le volume de la pyramide $OABC$, déterminer l’aire du triangle $ABC$.
    $\quad$

$\quad$

EXERCICE au choix du candidat (5 points)

Le candidat doit traiter un seul des deux exercices A ou B.
Il indique sur sa copie l’exercice choisi : exercice A ou exercice B.
Pour éclairer son choix, les principaux domaines abordés par chaque exercice sont indiqués dans un encadré.

Exercice A

Principaux domaines abordés : Fonction exponentielle ; dérivation.

Le graphique ci-dessous représente, dans un repère orthogonal, les courbes $C_f$ et $C_g$ des fonctions $f$ et $g$ définies sur $\R$ par :
$$f(x)=x^2\e^{-x} \quad \text{ et } \quad g(x)=\e^{-x}$$

La question 3 est indépendante des questions 1 et 2.

  1. a. Déterminer les coordonnées des points d’intersection de $C_f$ et $C_g$.
    $\quad$
    b. Étudier la position relative des courbes $C_f$ et $C_g$.
    $\quad$
  2. Pour tout nombre réel $x$ de l’intervalle $[-1 ;1]$, on considère les points $M$ de coordonnées $\left(x ;f(x)\right)$ et $N$ de coordonnées $\left(x ;g(x)\right)$, et on note $d(x)$ la distance $MN$.
    On admet que : $d(x)=\e^{-x}-x^2\e^{-x}$.
    On admet que la fonction $d$ est dérivable sur l’intervalle $[-1;1]$ et on note $d’$ sa fonction dérivée.
    a. Montrer que $d'(x) =\e^{-x}\left(x^2-2x-1\right)$.
    $\quad$
    b. En déduire les variations de la fonction $d$ sur l’intervalle $[-1 ;1]$.
    $\quad$
    c. Déterminer l’abscisse commune $x_0$ des points $M_0$ et $N_0$ permettant d’obtenir une distance $d\left(x_0\right)$ maximale, et donner une valeur approchée à $0,1$ près de la distance $M_0N_0$.
    $\quad$
  3. Soit $\Delta$ la droite d’équation $y=x+2$.
    On considère la fonction $h$ dérivable sur $\R$ et définie par : $h(x)=\e^{-x}-x-2$.
    En étudiant le nombre de solutions de l’équation $h(x)=0$, déterminer le nombre de points d’intersection de la droite $\Delta$ et de la courbe $C_g$.
    $\quad$

$\quad$

 

Exercice B

Principaux domaines abordés : Fonction logarithme ; dérivation.

Partie I : Étude d’une fonction auxiliaire

Soit $g$ la fonction définie sur $]0;+\infty[$ par $g(x)=\ln(x)+2x-2$.

  1. Déterminer les limites de $g$ en $+\infty$ et $0$.
    $\quad$
  2. Déterminer le sens de variation de la fonction $g$ sur $]0;+\infty[$.
    $\quad$
  3. Démontrer que l’équation $g(x)=0$ admet une unique solution $\alpha$ sur $]0;+\infty[$.
    $\quad$
  4. Calculer $g(1)$ puis déterminer le signe de $g$ sur $]0;+\infty[$.
    $\quad$

Partie II : Étude d’une fonction $\boldsymbol{f}$

On considère la fonction $f$, définie sur $]0;+\infty[$ par : $f(x)=\left(2-\dfrac{1}{x}\right)\left(\ln(x)-1\right)$.

  1. a. On admet que la fonction $f$ est dérivable sur $]0;+\infty[$ et on note $f’$ sa dérivée.
    Démontrer que, pour tout $x$ de $]0;+\infty[$[, on a : $$f'(x)=\dfrac{g(x)}{x^2}$$
    $\quad$
    b. Dresser le tableau de variation de la fonction $f$ sur $]0;+\infty[$. Le calcul des limites n’est pas demandé.
    $\quad$
  2. Résoudre l‘équation $f(x)=0$ sur $]0;+\infty[$ puis dresser le tableau de signes de $f$ sur l’intervalle $]0;+\infty[$.
    $\quad$

Partie III : Étude d’une fonction $\boldsymbol{F}$ admettant pour dérivée la fonction $\boldsymbol{f}$

On admet qu’il existe une fonction $F$ dérivable sur $]0;+\infty[$ dont la dérivée $F’$ est la fonction $f$. Ainsi, on a : $F’=f$.

On note $\mathcal{C}_F$ la courbe représentative de la fonction $F$ dans un repère orthonormé $\Oij$.

On ne cherchera pas à déterminer une expression de $F(x)$.

  1. Étudier les variations de $F$ sur $]0;+\infty[$.
    $\quad$
  2. La courbe représentative $\mathcal{C}_F$ de $F$ admet-elle des tangentes parallèles à l’axe des abscisses ? Justifier la réponse.
    $\quad$

$\quad$