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Examen national du baccalauréat — Session de rattrapage 2010
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales (toutes options) et Sciences et Technologies
Code RS 22 — Durée : 3 h — Coefficient : 7
L’utilisation de la calculatrice non programmable est autorisée.
Domaine
Barème
Exercice 1
Géométrie dans l’espace
3 points
Exercice 2
Nombres complexes
3 points
Exercice 3
Calcul des probabilités
3 points
Exercice 4
Suites numériques
3 points
Exercice 5
Étude de fonctions et calcul intégral
8 points
Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)
On considère, dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O,i,j,k), les points A(0,−2,0), B(1,1,−4) et C(0,1,−4) et la sphère (S) d’équation : x2+y2+z2−2x−4y−6z−11=0.
1.(0.5 pt) Montrer que le centre de la sphère (S) est le point Ω(1,2,3) et que son rayon est 5.
Voir la solution
(x−1)2−1+(y−2)2−4+(z−3)2−9−11=0⟺(x−1)2+(y−2)2+(z−3)2=25=52.
(S) a pour centre Ω(1,2,3) et pour rayon 5.
2.a.(1 pt) Montrer que AB∧AC=4j+3k et en déduire que 4y+3z+8=0 est une équation cartésienne du plan (ABC).
Voir la solution
AB(1,3,−4), AC(0,3,−4) :
AB∧AC=3−43−4i−1−40−4j+1303k=0i+4j+3k.n(0,4,3) est normal à (ABC) : (ABC):4y+3z+d=0 ; avec A : −8+d=0, d=8. Donc (ABC):4y+3z+8=0.
2.b.(0.5 pt) Calculer d(Ω,(ABC)) puis en déduire que le plan (ABC) est tangent à la sphère (S).
Voir la solution
d(Ω,(ABC))=02+42+32∣4×2+3×3+8∣=525=5.
La distance est égale au rayon : le plan (ABC) est tangent à (S).
3. Soit (Δ) la droite passant par le point Ω et perpendiculaire au plan (ABC).
3.a.(0.5 pt) Démontrer que ⎩⎨⎧x=1y=2+4tz=3+3t(t∈R) est une représentation paramétrique de la droite (Δ).
Voir la solution
(Δ) passe par Ω(1,2,3) et est dirigée par n(0,4,3) (normal à (ABC)) : x=1, y=2+4t, z=3+3t(t∈R).
3.b.(0.25 pt) Démontrer que le triplet des coordonnées de H, point d’intersection de la droite (Δ) et du plan (ABC), est (1,−2,0).
3.c.(0.25 pt) Vérifier que H est le point de contact du plan (ABC) et de la sphère (S).
Voir la solution
H∈(ABC) et ΩH=02+(−4)2+(−3)2=5, donc H∈(S). Comme (ABC) est tangent à (S), H est leur point de contact (c’est le projeté orthogonal de Ω sur (ABC)).
Exercice 2 — Nombres complexes (3 points)
1.(1 pt) Résoudre dans l’ensemble des nombres complexes C l’équation : z2−83z+64=0.
Voir la solution
Δ=(83)2−4×64=192−256=−64=(8i)2.
z1=283−8i=43−4i et z2=43+4i. S={43−4i;43+4i}.
2. On considère, dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v), les points A, B et C d’affixes respectives a=8i, b=43−4i et c=2(43+4i).
Soit z l’affixe d’un point M du plan et z′ l’affixe du point M′ image de M par la rotation R de centre O et d’angle 34π.
2.a.(0.5 pt) Montrer que : z′=(−21−i23)z.
Voir la solution
R a pour centre O : z′=ei34πz=(cos34π+isin34π)z=(−21−i23)z.
2.b.(0.25 pt) Vérifier que le point B est l’image du point A par la rotation R.
Voir la solution
(−21−i23)×8i=−4i−43i2=43−4i=b. Donc R(A)=B.
2.c.(0.75 pt) Montrer que : c−ba−b=21+i23 puis écrire le nombre c−ba−b sous forme trigonométrique.
Voir la solution
a−b=−43+12i et c−b=83+8i−43+4i=43+12i.
c−ba−b=3+3i−3+3i=3+9(−3+3i)(3−3i)=12−3+33i+33i+9=126+63i=21+i23.
Forme trigonométrique : c−ba−b=cos3π+isin3π.
2.d.(0.5 pt) En déduire que le triangle ABC est équilatéral.
Voir la solution
c−ba−b=1, donc BA=BC ; et (BC,BA)≡3π[2π].
Un triangle isocèle en B dont l’angle en B vaut 3π est équilatéral : ABC est équilatéral.
Exercice 3 — Calcul des probabilités (3 points)
Une urne contient huit boules qui portent les nombres suivants : 1,1,1,2,2,2,3,3 (les boules sont indiscernables au toucher).
On tire au hasard, successivement et sans remise, deux boules de l’urne.
1.(1.25 pt) Soient A et B les deux événements : A : « tirer deux boules portant le nombre 2 » et B : « tirer deux boules dont une au moins porte le nombre 3 ». Montrer que P(A)=283 et que P(B)=2813.
Voir la solution
Tirage successif sans remise : cardΩ=A82=8×7=56.
cardA=A32=3×2=6, donc P(A)=566=283.
B : « aucune boule ne porte 3 » : A62=30, donc P(B)=1−5630=5626=2813.
2. Soit X la variable aléatoire qui à chaque tirage associe le nombre de boules portant un nombre impair.
2.a.(0.25 pt) Déterminer les valeurs prises par la variable aléatoire X.
Voir la solution
Il y a 5 boules impaires (trois « 1 » et deux « 3 ») et 3 paires ; on tire 2 boules : X(Ω)={0,1,2}.
2.b.(0.75 pt) Montrer que : P(X=1)=2815.
Voir la solution
(X=1) : une impaire et une paire, dans l’un des deux ordres : 2×5×3=30 cas. P(X=1)=5630=2815.
2.c.(0.75 pt) Donner la loi de probabilité de la variable aléatoire X.
Voir la solution
P(X=0)=56A32=566=283 et P(X=2)=56A52=5620=145.
xi
0
1
2
P(X=xi)
283
2815
145
Vérification : 283+15+10=1.
Exercice 4 — Suites numériques (3 points)
On considère la suite numérique (un) définie par : u0=1 et un+1=21+un3un pour tout n de N.
1.(0.5 pt) Montrer que : un>0 pour tout n de N.
Voir la solution
Pour n=0 : u0=1>0. Supposons un>0 ; alors 3un>0 et 21+un>0, donc un+1>0.
D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : un>0.
2.(0.75 pt) Montrer que : un+1<71un pour tout n de N.
Voir la solution
un+1−71un=7(21+un)21un−un(21+un)=7(21+un)−un2<0(car un>0).
Donc un+1<71un pour tout n∈N.
3.(0.5 pt) Montrer que la suite (un) est décroissante et qu’elle est convergente.
Voir la solution
un>0 donne 71un<un, donc un+1<71un<un : (un) est (strictement) décroissante.
Elle est décroissante et minorée par 0, donc convergente.
4.a.(0.75 pt) Montrer par récurrence que : un⩽(71)n pour tout n de N.
Voir la solution
Pour n=0 : u0=1⩽(71)0=1.
Supposons un⩽(71)n. D’après 2, un+1<71un⩽71(71)n=(71)n+1.
D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : un⩽(71)n.
Remarque : la version dactylographiée (MTM-Group) écrit un<(71)n pour n∈N∗ ; on suit l’énoncé officiel (⩽, n∈N).
4.b.(0.5 pt) Déterminer la limite de la suite (un).
Voir la solution
0<un⩽(71)n et lim(71)n=0 (car 0<71<1). D’après le théorème des gendarmes, n→+∞limun=0.
Exercice 5 — Étude de fonctions et calcul intégral (8 points)
I. On considère la fonction numérique g définie sur ]0,+∞[ par : g(x)=x3−x−2lnx+3.
I.1.a.(0.25 pt) Vérifier que : 3x3−x−2=(x−1)(3x2+3x+2) pour tout x de l’intervalle ]0,+∞[.
Voir la solution
(x−1)(3x2+3x+2)=3x3+3x2+2x−3x2−3x−2=3x3−x−2.
I.1.b.(0.5 pt) Montrer que : g′(x)=x(x−1)(3x2+3x+2) pour tout x de l’intervalle ]0,+∞[.
Voir la solution
g′(x)=3x2−1−x2=x3x3−x−2=x(x−1)(3x2+3x+2).
I.2.a.(0.25 pt) Vérifier que : x3x2+3x+2>0 pour tout x de l’intervalle ]0,+∞[.
Voir la solution
Pour x>0 : 3x2>0, 3x>0 et 2>0, donc 3x2+3x+2>0 ; et x>0. Le quotient est strictement positif.
I.2.b.(0.5 pt) En déduire que le signe de g′(x) est celui de x−1 sur ]0,+∞[.
Voir la solution
g′(x)=(x−1)×x3x2+3x+2 avec le second facteur >0 : g′(x) a le signe de x−1.
I.3.a.(0.5 pt) Montrer que la fonction g est décroissante sur l’intervalle ]0,1] et croissante sur l’intervalle [1,+∞[.
Voir la solution
Sur ]0,1], x−1⩽0 donc g′⩽0 : g décroissante. Sur [1,+∞[, g′⩾0 : g croissante.
I.3.b.(0.5 pt) En déduire que g(x)>0 pour tout x∈]0,+∞[ (remarquer que g(1)>0).
Voir la solution
D’après I.3.a, g(1) est le minimum de g sur ]0,+∞[, et g(1)=1−1−0+3=3>0. Donc g(x)⩾3>0 pour tout x>0.
II. On considère la fonction f définie sur ]0,+∞[ par : f(x)=x−1+x2x−1+lnx, et soit (C) sa courbe représentative dans un repère orthonormé (O,i,j) (on prendra ∥i∥=∥j∥=1 cm).
II.1.(1 pt) Montrer que : f′(x)=x3g(x) pour tout x∈]0,+∞[, puis en déduire que la fonction f est croissante sur l’intervalle ]0,+∞[.
Voir la solution
(x2x−1+lnx)′=x4(1+x1)x2−2x(x−1+lnx)=x3x+1−2x+2−2lnx=x3−x+3−2lnx.
Donc f′(x)=1+x3−x+3−2lnx=x3x3−x−2lnx+3=x3g(x).
Pour x>0 : g(x)>0 et x3>0, donc f′(x)>0 : f est (strictement) croissante sur ]0,+∞[.
II.2.a.(0.5 pt) Montrer que : x→0x>0limf(x)=−∞ puis interpréter le résultat géométriquement.
Voir la solution
Quand x→0+ : x−1+lnx→−∞ et x21→+∞, donc x2x−1+lnx→−∞ ; et x−1→−1. D’où x→0+limf(x)=−∞.
Interprétation : la droite d’équation x=0 (l’axe des ordonnées) est asymptote verticale à (C).
II.2.b.(0.75 pt) Montrer que : x→+∞limx2x−1+lnx=0 et que x→+∞limf(x)=+∞ (on rappelle que : x→+∞limx2lnx=0).
Voir la solution
x2x−1+lnx=x1−x21+x2lnxx→+∞0+0+0=0.
Donc x→+∞limf(x)=x→+∞lim(x−1)+0=+∞.
II.2.c.(0.5 pt) Montrer que la droite (Δ) d’équation y=x−1 est une asymptote à la courbe (C) au voisinage de +∞.
Voir la solution
f(x)−(x−1)=x2x−1+lnxx→+∞0 (II.2.b) : (Δ):y=x−1 est asymptote oblique à (C) au voisinage de +∞.
II.3.(0.5 pt) Montrer que y=3(x−1) est une équation de la droite tangente à la courbe (C) au point de coordonnées (1,0).
Voir la solution
f(1)=0+10+0=0 et f′(1)=1g(1)=3. Tangente : y=f′(1)(x−1)+f(1)=3(x−1).
II.4.(0.75 pt) Construire la droite (Δ) et la courbe (C) (on admettra que la courbe (C) possède un point d’inflexion unique dont la détermination n’est pas demandée).
Voir la solution
Éléments du tracé : asymptote verticale x=0, asymptote oblique (Δ):y=x−1 en +∞ ; (C) coupe (Δ) en (1,0) (où x−1+lnx=0) avec la tangente y=3(x−1) ; (C) est en dessous de (Δ) sur ]0,1] et au-dessus sur [1,+∞[.
II.5.a.(1 pt) En utilisant une intégration par parties, montrer que : ∫1ex2lnxdx=1−e2 (poser : v(x)=lnx et u′(x)=x21).
Remarque : la version dactylographiée (MTM-Group) annonce 1−2e et l’indication u′(x)=x21, v(x)=lnx ; le sujet officiel donne bien 1−e2.
II.5.b.(0.5 pt) Montrer que l’aire du domaine plan limité par la courbe (C), la droite (Δ) et les deux droites d’équations x=1 et x=e est égale à (1−e1)cm2.
Voir la solution
Sur [1,e] : x−1⩾0 et lnx⩾0, donc f(x)−(x−1)=x2x−1+lnx⩾0 : (C) est au-dessus de (Δ).
A=∫1e(x1−x21)dx+∫1ex2lnxdx=[lnx+x1]1e+1−e2=(1+e1−1)+1−e2=1−e1.
L’unité d’aire vaut 1 cm2 : A=(1−e1)cm2.