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Examen national du baccalauréat — Session normale 2014
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 directe (O,,,k), les points A(0,3,1), B(−1,3,0) et C(0,5,0) et la sphère (S) d’équation : x2+y2+z2−4x−5=0
1) a)(0,75 pt) Montrer que AB∧AC=2−−2k, et en déduire que les point A, B, et C ne sont pas alignés
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AB(−1,0,−1) et AC(0,2,−1). On a :
AB∧AC=02−1−1−−10−1−1+−1002k=(0+2)−(1−0)+(−2−0)k=2−−2k.
Ce produit vectoriel est non nul, donc AB et AC ne sont pas colinéaires : les points A, B et C ne sont pas alignés.
b)(0,5 pt) Montrer que 2x−y−2z+5=0 est une équation cartésienne du plan (ABC)
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AB∧AC(2,−1,−2) est un vecteur normal au plan (ABC). Une équation de (ABC) est donc de la forme 2x−y−2z+d=0. Comme C(0,5,0)∈(ABC) : −5+d=0, donc d=5.
D’où (ABC):2x−y−2z+5=0.
2) a)(0,5 pt) Montrer que le centre de la sphère (S) est le point Ω(2,0,0) et son rayon est 3.
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x2+y2+z2−4x−5=0⟺(x−2)2−4+y2+z2−5=0⟺(x−2)2+y2+z2=9.
Donc (S) est la sphère de centre Ω(2,0,0) et de rayon R=3.
b)(0,75 pt) Montrer que le plan (ABC) est tangent à la sphère (S)
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d(Ω,(ABC))=22+(−1)2+(−2)2∣2×2−0−2×0+5∣=39=3=R.
La distance du centre au plan est égale au rayon : le plan (ABC) est tangent à la sphère (S).
c)(0,5 pt) Déterminer lese coordonnées de H point de contact du plan (ABC) et la sphère (S)
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Le point de contact H est l’intersection de (ABC) et de la droite (Δ) passant par Ω et orthogonale à (ABC), dirigée par n(2,−1,−2) :
(Δ):⎩⎨⎧x=2+2ty=−tz=−2t(t∈R).H∈(ABC) donne 2(2+2t)−(−t)−2(−2t)+5=0⟺4+4t+t+4t+5=0⟺9t+9=0⟺t=−1.
Donc H(0,1,2).
Exercice 2 — Nombres complexes (3 points)
1)(0,75 pt) Résoudre, dans l’ensemble des nombres complexe C, l’équation : z2−z2+2=0
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Δ=(−2)2−4×2=2−8=−6=(i6)2<0. Les solutions sont :
z1=22+i6=22+i26,z2=22−i6=22−i26.
Donc S={22+i26;22−i26}.
2) On considère le nombre complexe : u=22+26i
a)(0,5 pt) Montrer que le module du nombre u est 2, et que argu≡3π[2π]
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∣u∣=(22)2+(26)2=42+46=2.
(Coquille de l’énoncé : le module vaut 2, et non 2.)
cosθ=∣u∣Re(u)=21 et sinθ=∣u∣Im(u)=23, donc argu≡3π[2π].
Forme trigonométrique : u=2(cos3π+isin3π).
b)(0,75 pt) En utilisant la forme trigonométrique du nombre u, montrer que u6 est un nombre réel
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D’après la formule de Moivre :
u6=(2)6(cos36π+isin36π)=8(cos(2π)+isin(2π))=8.
Donc u6 est un nombre réel (u6=8).
3) On considère, dans le plan muni d’un repère orthonormé direct (O,e1,e2), les deux points A et B d’ffixes respectives a et b tel que : a=4−4i3 et b=8
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 3π
a)(0,5 pt) Exprimer z′ en fonction de z
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R de centre O et d’angle 3π : z′=zeiπ/3=z(cos3π+isin3π)=(21+i23)z.
b)(0,5 pt) Vérifier que le point B est l’image du point A par la rotation R, et en déduire que le triangle OAB est équilatéral
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(21+i23)a=(21+i23)(4−4i3)=2−2i3+2i3+6=8=b.
Donc R(A)=B.
Alors ab=eiπ/3, d’où ab=1 (soit OA=OB) et (OA,OB)≡3π[2π]. Le triangle OAB est équilatéral.
Exercice 3 — Suites numériques (3 points)
On considère la suite numérique (Un) définie par : U0=13 et Un+1=21Un+7∀n∈N
1)(0,75 pt) Montrer, par récurrence, que Un<14 pour tout n de N.
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Montrons par récurrence que, pour tout n∈N, Un<14.
Initialisation. Pour n=0 : U0=13<14. La propriété est vraie au rang 0.
Hérédité. Soit n∈N. Supposons que Un<14 et montrons que Un+1<14.
De Un<14 on déduit 21Un<7, puis 21Un+7<14, c’est-à-dire Un+1<14.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : Un<14.
2) Soit (Vn) la suite numérique telle que ; Vn=14−Un pour tout n de N
a)(1 pt) Montrer que (Vn) est une suite géométrique de raison 21, puis exprimer Vn en fonction de n
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Soit n∈N :
Vn+1=14−Un+1=14−(21Un+7)=7−21Un=21(14−Un)=21Vn.
La suite (Vn) est géométrique de raison 21 et de premier terme V0=14−13=1.
Donc, pour tout n∈N : Vn=(21)n.
b)(0,75 pt) En déduire que Un=14−(21)n ; ∀n∈N, puis calculer la limite de la suite (Un)
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Un=14−Vn=14−(21)n pour tout n∈N.
Comme −1<21<1, n→+∞lim(21)n=0, donc n→+∞limUn=14.
c)(0,5 pt) Déterminer la plus petite valeur de l’entier naturel n pour laquelle Un>13.99
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Un>13,99⟺14−(21)n>13,99⟺(21)n<0,01.
Les deux membres sont strictement positifs ; comme ln21<0, on obtient :
nln21<ln(0,01)⟺n>ln(1/2)ln(0,01)=ln22ln10≈6,64.
La plus petite valeur de n est donc n=7.
Exercice 4 — Calcul des probabilités (3 points)
Un sac contient neuf jetons, indiscernables au toucher, et portants les nombres : 0,0,0,0,0,1,1,1,1
1)(1 pt) On tire au hasard, simultanément, deux jetons du sac.
Soit l’événement A : « La somme des nombres portés par les deux jetons tirés est égale à 1 »
Montrer que p(A)=95
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Tirage simultané de 2 jetons parmi 9 : card(Ω)=(29)=36.
L’événement A consiste à tirer un jeton « 0 » et un jeton « 1 » : card(A)=(15)×(14)=20.
Donc p(A)=3620=95.
2) On considère le jeu suivant : Saïd tire au hasard, simultanément, deux jetons du sac, et il est considéré gagnant s’il tire deux jetons portant chacun le nombre 1
a)(1 pt) Montrer que la probabilité pour que Saïd gagne est 61
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Soit B l’événement « tirer deux jetons portant le nombre 1 ». Alors card(B)=(24)=6, donc
p(B)=366=61.
b)(1 pt) Saïd a joué le précédent jeu trois fois (Il remet à chaque fois les deux jetons tirés dans le sac)
Quelle est la probabilité pour que Saïd gagne exactement deux fois
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On répète 3 fois, de façon indépendante, une épreuve de Bernoulli de paramètre p=61. Soit X le nombre de gains : X suit la loi binomiale B(3,61).
p(X=2)=(23)(61)2(65)=3×361×65=725.
Exercice 5 — Étude de fonctions numériques et calcul intégral (8 points)
Partie I
Soit g la fonction numérique définie sur ]0;+∞[ par : g(x)=1−x21+lnx
1)(0,5 pt) Montrer que : g′(x)=x32+x1 pour tout x de ]0;+∞[, et en déduire que la fonction g et croissante sur ]0;+∞[
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Pour tout x>0 : g′(x)=x32+x1=x32+x2>0. Donc g est (strictement) croissante sur ]0;+∞[.
2)(0,75 pt) Vérifier que g(1)=0, puis en déduire que g(x)⩽0 pour tout x de ]0;1] et que g(x)⩾0 pour tout x de [1;+∞[
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g(1)=1−1+ln1=0.
Comme g est croissante : sur ]0;1], g(x)⩽g(1)=0 ; sur [1;+∞[, g(x)⩾g(1)=0.
Partie II
On considéré la fonction numérique f définie sur ]0;+∞[ par : f(x)=(1+lnx)2+x21 et soit (C) la courbe représentative de f dans un repère orthonormé (O,,) (unité 1 cm)
1)(0,5 pt) Montrer que x→0+limf(x)=+∞, et donner une interprétation géométrique du résultat
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Quand x→0+ : lnx→−∞ donc (1+lnx)2→+∞, et x21→+∞. D’où x→0+limf(x)=+∞.
La courbe (C) admet la droite x=0 (axe des ordonnées) comme asymptote verticale.
2) a)(0,25 pt) Calculer x→+∞limf(x)
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Quand x→+∞ : (1+lnx)2→+∞ et x21→0, donc x→+∞limf(x)=+∞.
b)(1 pt) Montrer que x→+∞limx(1+lnx)2=0 (on pourra poser : t=x), puis montrer que : x→+∞limxf(x)=0
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Posons t=x ; quand x→+∞, t→+∞ et lnx=2lnt. Alors
x(1+lnx)2=(t1+2lnt)2=(t1+2tlnt)2t→+∞0,
car tlnt→0 et t1→0.
Ensuite xf(x)=x(1+lnx)2+x31→0+0=0.
c)(0,25 pt) Déterminer la branche infinie de (C) au voisinage de +∞
Voir la solution
x→+∞limf(x)=+∞ et x→+∞limxf(x)=0 : (C) admet au voisinage de +∞ une branche parabolique de direction l’axe des abscisses.
3) a)(1,5 pt) Montrer que f′(x)=x2g(x) pour tout x de ]0;+∞[, puis en déduire que la fonction f est décroissante sur ]0;1] et croissante sur [1;+∞[
Voir la solution
Pour tout x>0 :
f′(x)=2(1+lnx)⋅x1−x32=x2(1+lnx)−x32=x2(1+lnx−x21)=x2g(x).
Comme x>0, le signe de f′ est celui de g. D’après la partie I : f′⩽0 sur ]0;1] et f′⩾0 sur [1;+∞[. Donc f est décroissante sur ]0;1] et croissante sur [1;+∞[.
b)(1 pt) Dresser le tableau de variation de la fonction f sur l’intervalle ]0;+∞[, puis en déduire que f(x)⩾2 pour tout x de ]0;+∞[
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f(1)=(1+0)2+1=2.
x
0
1
+∞
f′(x)
−
0
+
f(x)
+∞
↘
2
↗
+∞
Le minimum de f sur ]0;+∞[ est f(1)=2, donc f(x)⩾2 pour tout x>0.
4)(0,75 pt) Construire (C) dans le repère (O,,) ( on admettra que la courbe (C) possède un seul point d’inflexion que l’on ne demande pas de déterminer)
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5) On considère les deux intégrales suivantes : I=∫1e(1+lnx)dx et J=∫1e(1+lnx)2dx
a)(0,5 pt) Montrer que H:x↦xlnx est une fonction primitive de la fonction h:x↦1+lnx sur ]0;+∞[ puis en déduire que I=e
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Pour x>0 : H′(x)=lnx+x⋅x1=lnx+1=h(x). Donc H est une primitive de h sur ]0;+∞[.
I=[xlnx]1e=elne−1⋅ln1=e.
b)(0,5 pt) Montrer, à l’aide d’une intégration par partie, que : J=2e−1
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On pose u(x)=(1+lnx)2, v′(x)=1 ; alors u′(x)=x2(1+lnx) et v(x)=x.
J=[x(1+lnx)2]1e−∫1e2(1+lnx)dx=e(1+1)2−1(1+0)2−2I=4e−1−2e=2e−1.
c)(0,5 pt) Calculer, en cm2, l’aire du domaine plan limité par la courbe (C), l’axe des abscisses, et les deux droites d’équations x=1 et x=e
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Sur [1,e], f(x)⩾2>0. L’unité étant 1cm,
A=∫1ef(x)dx=∫1e(1+lnx)2dx+∫1ex21dx=J+[−x1]1e=2e−1−e1+1=(2e−e1)cm2.