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Examen national 2012 — Session normale

2BAC PC SVT · Mathématiques

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Examen national du baccalauréat — Session normale 2012

Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales — Option PC & SVT Durée : 3 h — Coefficient : 7

Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)

On considère, dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O,ı⃗,ȷ⃗,k⃗)\left(O,\vec{\imath},\vec{\jmath},\vec{k}\right), les points A(1,1,−1)A(1, 1, -1), B(0,1,−2)B(0, 1, -2), C(3,2,1)C(3, 2, 1) et la sphère (S)(S) d’équation : x2+y2+z2−2x−2z−1=0x^{2}+y^{2}+z^{2}-2x-2z-1=0

1) (0,5 pt) Montrer que le centre de la sphère (S)(S) est le point Ω(1,0,1)\Omega(1, 0, 1) et que son rayon est 3\sqrt{3}

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x2+y2+z2−2x−2z−1=0  ⟺  (x−1)2+y2+(z−1)2=3.x^{2}+y^{2}+z^{2}-2x-2z-1=0\iff(x-1)^{2}+y^{2}+(z-1)^{2}=3. Donc (S)(S) est la sphère de centre Ω(1,0,1)\Omega(1,0,1) et de rayon R=3R=\sqrt{3}.

2) a) (0,75 pt) Montrer que : AB→∧AC→=ı⃗−k⃗\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}=\vec{\imath}-\vec{k} puis vérifier que x−z−2=0x-z-2=0 est une équation cartésienne du plan (ABC)(ABC)

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AB→(−1,0,−1)\overrightarrow{AB}(-1,0,-1) et AC→(2,1,2)\overrightarrow{AC}(2,1,2). On a : AB→∧AC→=∣0−112∣ı⃗−∣−1−122∣ȷ⃗+∣−1021∣k⃗=(0+1)ı⃗−(−2+2)ȷ⃗+(−1−0)k⃗=ı⃗−k⃗.\overrightarrow{AB}\wedge\overrightarrow{AC}=\begin{vmatrix}0&-1\\1&2\end{vmatrix}\vec{\imath}-\begin{vmatrix}-1&-1\\2&2\end{vmatrix}\vec{\jmath}+\begin{vmatrix}-1&0\\2&1\end{vmatrix}\vec{k}=(0+1)\vec{\imath}-(-2+2)\vec{\jmath}+(-1-0)\vec{k}=\vec{\imath}-\vec{k}. Vecteur normal (1,0,−1)(1,0,-1) : une équation est x−z+d=0x-z+d=0. Avec A(1,1,−1)A(1,1,-1) : 1−(−1)+d=0  ⟺  d=−21-(-1)+d=0\iff d=-2.

D’où (ABC):x−z−2=0(ABC):x-z-2=0.

b) (1 pt) Vérifier que : d(Ω,(ABC))=2d(\Omega,(ABC))=\sqrt{2} puis en déduire que le plan (ABC)(ABC) coupe la sphère (S)(S) selon un cercle (Γ)(\Gamma) de rayon 11

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d(Ω,(ABC))=∣1−1−2∣12+0+(−1)2=22=2.d(\Omega,(ABC))=\dfrac{|1-1-2|}{\sqrt{1^{2}+0+(-1)^{2}}}=\dfrac{2}{\sqrt{2}}=\sqrt{2}. Comme d=2<R=3d=\sqrt{2}<R=\sqrt{3}, le plan coupe (S)(S) suivant un cercle de rayon r=R2−d2=3−2=1.r=\sqrt{R^{2}-d^{2}}=\sqrt{3-2}=1.

3) Soit (Δ)(\Delta) la droite qui passe par le point Ω\Omega et perpendiculaire au plan (ABC)(ABC)

a) (0,25 pt) Démontrer que : {x=1+ty=0z=1−t(t∈R)\begin{cases}x=1+t\\ y=0\\ z=1-t\end{cases}\qquad(t\in\mathbb{R}) est une représentation paramétrique de la droite (Δ)(\Delta)

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(Δ)(\Delta) passe par Ω(1,0,1)\Omega(1,0,1) et est dirigée par n⃗(1,0,−1)\vec{n}(1,0,-1). D’où la représentation paramétrique annoncée.

b) (0,25 pt) Démontrer que le triplet de coordonnées de HH point d’intersection de la droite (Δ)(\Delta) et le plan (ABC)(ABC) est (2,0,0)(2, 0, 0)

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M(1+t,0,1−t)∈(ABC)  ⟺  (1+t)−(1−t)−2=0  ⟺  2t−2=0  ⟺  t=1M(1+t,0,1-t)\in(ABC)\iff(1+t)-(1-t)-2=0\iff2t-2=0\iff t=1. Donc H(2,0,0)H(2,0,0).

c) (0,25 pt) En déduire le centre du cercle (Γ)(\Gamma)

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Le centre du cercle (Γ)(\Gamma) est le projeté orthogonal de Ω\Omega sur (ABC)(ABC), c’est-à-dire H(2,0,0)H(2,0,0).

Exercice 2 — Nombres complexes (3 points)

1) (0,75 pt) Résoudre, dans l’ensemble des nombres complexes C\mathbb{C}, l’équation : z2−12z+61=0z^{2}-12z+61=0

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Δ=144−244=−100=100i2\Delta=144-244=-100=100i^{2}. Les solutions sont z=12±10i2=6±5i.z=\dfrac{12\pm10i}{2}=6\pm5i.

2) On considère, dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,e⃗1,e⃗2)\left(O,\vec{e}_{1},\vec{e}_{2}\right), les AA, BB,et CC d’affixes respectives a=6−5ia=6-5i , b=4−2ib=4-2i,et c=2+ic=2+i

a) (0,5 pt) Calculer a−cb−c\dfrac{a-c}{b-c} puis déduire que les points AA, CC et DD sont alignés

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a−c=(6−5i)−(2+i)=4−6ia-c=(6-5i)-(2+i)=4-6i et b−c=(4−2i)−(2+i)=2−3ib-c=(4-2i)-(2+i)=2-3i. a−cb−c=4−6i2−3i=2∈R.\dfrac{a-c}{b-c}=\dfrac{4-6i}{2-3i}=2\in\mathbb{R}. Le quotient a−cb−c\dfrac{a-c}{b-c} est réel : les points AA, BB et CC sont alignés. (Note : l’énoncé écrit « AA, CC et DD » ; le calcul porte sur AA, BB, CC — coquille d’origine.)

b) (0,5 pt) On considère la translation TT de vecteur u⃗\vec{u} tel que l’affixe de u⃗\vec{u} est 1+5i1+5i Vérifier que l’affixe du point DD image du point CC par la translation TT est d=3+6id=3+6i

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d=c+(1+5i)=2+i+1+5i=3+6id=c+(1+5i)=2+i+1+5i=3+6i.

c) (0,75 pt) Montrer que : d−cb−c=−1+i\dfrac{d-c}{b-c}=-1+i et que 3π4\dfrac{3\pi}{4} est l’argument du nombre complexe −1+i-1+i

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d−c=(3+6i)−(2+i)=1+5id-c=(3+6i)-(2+i)=1+5i ; or b−c=2−3ib-c=2-3i, d−cb−c=1+5i2−3i=(1+5i)(2+3i)13=2+3i+10i+15i213=−13+13i13=−1+i.\dfrac{d-c}{b-c}=\dfrac{1+5i}{2-3i}=\dfrac{(1+5i)(2+3i)}{13}=\dfrac{2+3i+10i+15i^{2}}{13}=\dfrac{-13+13i}{13}=-1+i. −1+i=2 ei3π/4-1+i=\sqrt{2}\,e^{i3\pi/4}, donc arg⁡(−1+i)=3π4 [2π]\arg(-1+i)=\dfrac{3\pi}{4}\,[2\pi].

d) (0,5 pt) En déduire une mesure de l’angle orienté (CB→,CD→)^\widehat{\bigl(\overrightarrow{CB},\overrightarrow{CD}\bigr)}

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arg⁡ ⁣(d−cb−c)=(CB→,CD→) [2π]=3π4 [2π]\arg\!\left(\dfrac{d-c}{b-c}\right)=\bigl(\overrightarrow{CB},\overrightarrow{CD}\bigr)\,[2\pi]=\dfrac{3\pi}{4}\,[2\pi].

Exercice 3 — Calcul des probabilités (3 points)

Une urne contient huit jetons indiscernables au toucher : un jeton portant le nombre 00, cinq jetons portant chacun le nombre 11 et deux jetons portant chacun le nombre 22 On tire au hasard, et simultanément, trois jetons de l’urne

1) (1 pt) Soit AA l’événement : « Les trois jetons tirés portent des nombres différents deux à deux ». Montrer que : P(A)=528P(A)=\dfrac{5}{28}

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Card(Ω)=(83)=56\mathrm{Card}(\Omega)=\dbinom{8}{3}=56. Les nombres différents deux à deux : {0,1,2}\{0,1,2\}, donc Card(A)=(11)(51)(21)=10\mathrm{Card}(A)=\dbinom{1}{1}\dbinom{5}{1}\dbinom{2}{1}=10. P(A)=1056=528P(A)=\dfrac{10}{56}=\dfrac{5}{28}.

2) (1 pt) Soit BB l’événement : « La somme des nombres portés par les jetons tirés est égale à 55 ». Montrer que : P(B)=556P(B)=\dfrac{5}{56}

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Somme 55 : uniquement (1,2,2)(1,2,2). Card(B)=(51)(22)=5\mathrm{Card}(B)=\dbinom{5}{1}\dbinom{2}{2}=5. P(B)=556P(B)=\dfrac{5}{56}.

3) (1 pt) Soit CC l’événement : «La somme des nombres portés par les jetons tirés est égale à 44 ». Montrer que : P(C)=38P(C)=\dfrac{3}{8}

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Somme 44 : (0,2,2)(0,2,2) ou (1,1,2)(1,1,2). Card(C)=(11)(22)+(52)(21)=1+10×2=21\mathrm{Card}(C)=\dbinom{1}{1}\dbinom{2}{2}+\dbinom{5}{2}\dbinom{2}{1}=1+10\times2=21. P(C)=2156=38P(C)=\dfrac{21}{56}=\dfrac{3}{8}.

Exercice 4 — Suites numériques (3 points)

On considère la suite numérique (un)(u_{n}) définie par :u0=11u_{0}=11 et un+1=1011un+1211u_{n+1}=\dfrac{10}{11}u_{n}+\dfrac{12}{11} pour tout nn de N\mathbb{N}

1) (0,25 pt) Vérifier que : un+1−12=1011(un−12)u_{n+1}-12=\dfrac{10}{11}(u_{n}-12) pour tout nn de N\mathbb{N}

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un+1−12=1011un+1211−12=1011un−12011=1011(un−12).u_{n+1}-12=\dfrac{10}{11}u_{n}+\dfrac{12}{11}-12=\dfrac{10}{11}u_{n}-\dfrac{120}{11}=\dfrac{10}{11}(u_{n}-12).

2) a) (0,5 pt) Montrer, par récurrence, que : un<12u_{n}<12 pour tout nn de N\mathbb{N}

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Montrons par récurrence que, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, un<12u_{n}<12.

Initialisation. Pour n=0n=0 : u0=11<12u_{0}=11<12. La propriété est vraie au rang 00.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. Supposons que un<12u_{n}<12. Alors un−12<0u_{n}-12<0, donc un+1−12=1011(un−12)<0u_{n+1}-12=\dfrac{10}{11}(u_{n}-12)<0, soit un+1<12u_{n+1}<12.

Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : un<12u_{n}<12.

b) (0,5 pt) Montrer que la suite (un)(u_{n}) est croissante

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un+1−un=1011un+1211−un=1211−111un=111(12−un).u_{n+1}-u_{n}=\dfrac{10}{11}u_{n}+\dfrac{12}{11}-u_{n}=\dfrac{12}{11}-\dfrac{1}{11}u_{n}=\dfrac{1}{11}(12-u_{n}). Comme un<12u_{n}<12, on a un+1−un>0u_{n+1}-u_{n}>0 : (un)(u_{n}) est croissante.

c) (0,25 pt) En déduire que la suite (un)(u_{n}) est convergente

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(un)(u_{n}) est croissante et majorée par 1212, donc convergente.

3) Soit (vn)(v_{n}) la suite numérique telle que : vn=un−12v_{n}=u_{n}-12 pour tout nn de N\mathbb{N} :

a) (0,75 pt) On utilisant la question 1), montrer que (vn)(v_{n}) est une suite géométrique de raison 1011\dfrac{10}{11}, puis exprimer vnv_{n} en fonction de nn

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vn+1=un+1−12=1011(un−12)=1011vnv_{n+1}=u_{n+1}-12=\dfrac{10}{11}(u_{n}-12)=\dfrac{10}{11}v_{n}. Donc (vn)(v_{n}) est géométrique de raison 1011\dfrac{10}{11} et de premier terme v0=11−12=−1v_{0}=11-12=-1.

D’où vn=−(1011)nv_{n}=-\left(\dfrac{10}{11}\right)^{n} pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}.

b) (0,75 pt) Montrer que : un=12−(1011)nu_{n}=12-\left(\dfrac{10}{11}\right)^{n} pour tout nn de N\mathbb{N} et calculer la limite du suite (un)(u_{n})

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un=vn+12=12−(1011)nu_{n}=v_{n}+12=12-\left(\dfrac{10}{11}\right)^{n} pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}.

lim⁡n→+∞un=12\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_{n}=12.

Exercice 5 — Étude de fonctions numériques et calcul intégral (8 points)

Partie I

Soit gg la fonction numérique définie sur ]0;+∞[]0;+\infty[ par : g(x)=x2−1+2x2ln⁡xg(x)=x^{2}-1+2x^{2}\ln x

1) (0,75 pt) Montrer que : x2−1x^{2}-1 et 2x2ln⁡x2x^{2}\ln x ont le même signe sur l’intervalle ]0;1[]0;1[ puis déduire que g(x)⩽0g(x)\leqslant0 pour tout xx appartenant à l’intervalle ]0;1]]0;1]

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Sur ]0;1[]0;1[ : x2−1<0x^{2}-1<0 et ln⁡x<0\ln x<0, donc 2x2ln⁡x<02x^{2}\ln x<0 : les deux termes sont négatifs. D’où g(x)<0g(x)<0 sur ]0;1[]0;1[.

De plus g(1)=0g(1)=0. Donc g(x)⩽0g(x)\leqslant0 sur ]0;1]]0;1].

2) (0,75 pt) Montrer que x2−1x^{2}-1 et 2x2ln⁡x2x^{2}\ln x ont le même signe sur l’intervalle ]1;+∞[]1;+\infty[ puis déduire que g(x)⩾0g(x)\geqslant0 pour tout xx appartenant à l’intervalle [1;+∞[[1;+\infty[

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Sur ]1;+∞[]1;+\infty[ : x2−1>0x^{2}-1>0 et ln⁡x>0\ln x>0, donc 2x2ln⁡x>02x^{2}\ln x>0 : les deux termes sont positifs. D’où g(x)>0g(x)>0 sur ]1;+∞[]1;+\infty[.

Avec g(1)=0g(1)=0 : g(x)⩾0g(x)\geqslant0 sur [1;+∞[[1;+\infty[.

Partie II

On considère la fonction numérique ff définie sur ]0;+∞[]0;+\infty[ par : f(x)=(x2−1)ln⁡xf(x)=(x^{2}-1)\ln x Et soit (C)(C) la courbe représentative de la fonction ff dans un repère orthonormé (O,ı⃗,ȷ⃗)\left(O,\vec{\imath},\vec{\jmath}\right) (unité : 3 cm3\,\mathrm{cm})

1) a) (0,5 pt) Montrer que : lim⁡x→0x>0f(x)=+∞\displaystyle\lim_{\substack{x\to0\\ x>0}}f(x)=+\infty puis interpréter le résultat géométriquement

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lim⁡x→0+(x2−1)=−1\displaystyle\lim_{x\to0^{+}}(x^{2}-1)=-1 et lim⁡x→0+ln⁡x=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^{+}}\ln x=-\infty, donc lim⁡x→0+f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to0^{+}}f(x)=+\infty.

La courbe (C)(C) admet l’axe des ordonnées comme asymptote verticale.

b) (1 pt) Calculer lim⁡x→+∞f(x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x), puis montrer que lim⁡x→+∞f(x)x=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{f(x)}{x}=+\infty (On pourra écrire f(x)x\dfrac{f(x)}{x} sous la forme x2−1xln⁡x\dfrac{x^{2}-1}{x}\ln x) et en déduire que la courbe (C)(C) admet une branche parabolique au voisinage de +∞+\infty dont on précisera la direction

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lim⁡x→+∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty. f(x)x=x2−1xln⁡x=(x−1x)ln⁡x→x→+∞+∞.\dfrac{f(x)}{x}=\dfrac{x^{2}-1}{x}\ln x=\left(x-\dfrac{1}{x}\right)\ln x\xrightarrow[x\to+\infty]{}+\infty. Donc (C)(C) admet au voisinage de +∞+\infty une branche parabolique de direction l’axe des ordonnées.

2) a) (1,25 pt) Montrer que f′(x)=g(x)xf'(x)=\dfrac{g(x)}{x} pour tout xx appartenant à l’intervalle ]0;+∞[]0;+\infty[ et interpréter géométriquement le résultat f′(1)=0f'(1)=0

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f′(x)=2xln⁡x+(x2−1)1x=2x2ln⁡x+x2−1x=g(x)x.f'(x)=2x\ln x+(x^{2}-1)\dfrac{1}{x}=\dfrac{2x^{2}\ln x+x^{2}-1}{x}=\dfrac{g(x)}{x}. f′(1)=g(1)1=0f'(1)=\dfrac{g(1)}{1}=0 : la tangente à (C)(C) au point d’abscisse 11 est horizontale.

b) (0,5 pt) Montrer que la fonction ff est décroissante sur l’intervalle ]0;1]]0;1] et croissante sur l’intervalle [1;+∞[[1;+\infty[

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Pour x>0x>0, le signe de f′(x)f'(x) est celui de g(x)g(x). D’après la partie I : f′(x)⩽0f'(x)\leqslant0 sur ]0;1]]0;1] et f′(x)⩾0f'(x)\geqslant0 sur [1;+∞[[1;+\infty[. Donc ff est décroissante sur ]0;1]]0;1] et croissante sur [1;+∞[[1;+\infty[.

c) (0,5 pt) Dresser le tableau de variations de la fonction ff sur l’intervalle ]0;+∞[]0;+\infty[ puis montrer que f(x)⩾0f(x)\geqslant0 pour tout xx appartennant à l’intervalle ]0;+∞[]0;+\infty[

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f(1)=0f(1)=0.

xx0+0^{+}11+∞+\infty
f′(x)f'(x)−-00++
f(x)f(x)+∞+\infty↘\searrow00↗\nearrow+∞+\infty

Le minimum de ff sur ]0;+∞[]0;+\infty[ est f(1)=0f(1)=0, donc f(x)⩾0f(x)\geqslant0 pour tout x>0x>0.

3) (1 pt) Construire la courbe (C)(C) dans le repère (O,ı⃗,ȷ⃗)\left(O,\vec{\imath},\vec{\jmath}\right)

Voir la solution
Courbe (C) de f

4) a) (0,5 pt) Montrer que u:x↦x33−xu:x\mapsto\dfrac{x^{3}}{3}-x est une primitive de la fonction x↦x2−1x\mapsto x^{2}-1 sur R\mathbb{R}

Voir la solution

u′(x)=x2−1u'(x)=x^{2}-1.

b) (1 pt) Montrer, à l’aide d’une intégration par partie, que : ∫12(x2−1)ln⁡x dx=29(1+3ln⁡2)\displaystyle\int_{1}^{2}(x^{2}-1)\ln x\,dx=\dfrac{2}{9}(1+3\ln2)

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On pose v=ln⁡xv=\ln x, w′=x2−1w'=x^{2}-1, donc v′=1xv'=\dfrac{1}{x}, w=x33−xw=\dfrac{x^{3}}{3}-x. \begin{align*} \int_{1}^{2}(x^{2}-1)\ln x,dx&=\Bigl[\left(\dfrac{x^{3}}{3}-x\right)\ln x\Bigr]{1}^{2}-\int{1}^{2}\left(\dfrac{x^{3}}{3}-x\right)\dfrac{1}{x},dx\ &=\left(\dfrac{8}{3}-2\right)\ln2-\int_{1}^{2}\left(\dfrac{x^{2}}{3}-1\right),dx=\dfrac{2}{3}\ln2-\Bigl[\dfrac{x^{3}}{9}-x\Bigr]_{1}^{2}\ &=\dfrac{2}{3}\ln2-\left(\dfrac{8}{9}-2-\dfrac{1}{9}+1\right)=\dfrac{2}{3}\ln2-\left(-\dfrac{2}{9}\right)=\dfrac{2}{9}+\dfrac{2}{3}\ln2=\dfrac{2}{9}(1+3\ln2). \end{align*}

c) (0,25 pt) Calculer, en cm2\mathrm{cm}^{2}, l’aire du domaine plan limité par la courbe (C)(C), l’axe des abscisses et les droites d’équations x=1x=1 et x=2x=2

Voir la solution

Sur [1,2][1,2], f(x)⩾0f(x)\geqslant0. L’unité étant 3 cm3\,\mathrm{cm}, l’unité d’aire vaut 9 cm29\,\mathrm{cm}^{2} : A=9∫12f(x) dx=9×29(1+3ln⁡2)=2(1+3ln⁡2) cm2.\mathcal{A}=9\int_{1}^{2}f(x)\,dx=9\times\dfrac{2}{9}(1+3\ln2)=2(1+3\ln2)\,\mathrm{cm}^{2}.

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