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Examen national 2016 — Session de rattrapage

2BAC Sciences Expérimentales · Mathématiques

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Examen national du baccalauréat — Session de rattrapage 2016

Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales — Parcours : Sciences de la Vie et de la Terre et Sciences Physiques (option française) Code RS 22F — Durée : 3 h — Coefficient : 7

INSTRUCTIOS GENERALES

COMPOSANTES DU DUJET

L’épreuve est composée de trois exercices et un problème indépendants entre eux et répartis suivants les domaines comme suit :

DomaineBarème
Exercice 1Suites numériques3 points
Exercice 2Géométrie dans l’espace3 points
Exercice 3Nombres complexes3 points
Exercice 4Calcul des probabilités3 points
ProblèmeEtude d’une fonction numérique Et calcul intégral8 points

Exercice 1 — Suites numériques (3 points)

On considère la suite numérique (un)(u_n) définie par : u0=2u_0=2 et un+1=116un+1516u_{n+1}=\dfrac{1}{16}u_n+\dfrac{15}{16} pour tout nn de N\mathbb{N}.

1) a) (0,5 pt) Montrer par récurrence que un>1u_n>1 pour tout nn de N\mathbb{N}.

Voir la solution

Montrons par récurrence que, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, un>1u_n>1.

Initialisation. Pour n=0n=0 : u0=2>1u_0=2>1. La propriété est vraie au rang 00.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. Supposons que un>1u_n>1 et montrons que un+1>1u_{n+1}>1.

De un>1u_n>1 on déduit 116un>116\dfrac{1}{16}u_n>\dfrac{1}{16}, puis 116un+1516>116+1516=1\dfrac{1}{16}u_n+\dfrac{15}{16}>\dfrac{1}{16}+\dfrac{15}{16}=1, c’est-à-dire un+1>1u_{n+1}>1.

Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : un>1u_n>1.

b) (0,5 pt) Vérifier que un+1−un=1516(un−1)u_{n+1}-u_n=\dfrac{15}{16}(u_n-1) pour tout nn de N\mathbb{N}, puis montrer que la suite (un)(u_n) est décroissante.

Voir la solution

Attention : l’égalité de l’énoncé est imprimée sans le signe « −- » ; l’égalité exacte est un+1−un=−1516(un−1)u_{n+1}-u_n=-\dfrac{15}{16}(u_n-1) (avec le signe de l’énoncé, la suite serait croissante, ce qui contredit la conclusion demandée).

Soit n∈Nn\in\mathbb{N} : un+1−un=116un+1516−un=−1516un+1516=−1516(un−1).u_{n+1}-u_n=\frac{1}{16}u_n+\frac{15}{16}-u_n=-\frac{15}{16}u_n+\frac{15}{16}=-\frac{15}{16}(u_n-1). D’après 1) a), un>1u_n>1, donc un−1>0u_n-1>0 et −1516(un−1)<0-\dfrac{15}{16}(u_n-1)<0.

Ainsi un+1−un<0u_{n+1}-u_n<0 pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : la suite (un)(u_n) est (strictement) décroissante.

c) (0,25 pt) En déduire que la suite (un)(u_n) est convergente.

Voir la solution

La suite (un)(u_n) est décroissante (question 1) b)) et minorée par 11 (question 1) a)). Toute suite décroissante et minorée est convergente : la suite (un)(u_n) est donc convergente.

2) Soit (vn)(v_n) la suite numérique telle que : vn=un−1v_n=u_n-1 pour tout nn de N\mathbb{N}.

a) (1 pt) Montrer que (vn)(v_n) est une suite géométrique de raison 116\dfrac{1}{16} puis écrire vnv_n en fonction de nn.

Voir la solution

Soit n∈Nn\in\mathbb{N} : vn+1=un+1−1=116un+1516−1=116un−116=116(un−1)=116vn.v_{n+1}=u_{n+1}-1=\frac{1}{16}u_n+\frac{15}{16}-1=\frac{1}{16}u_n-\frac{1}{16}=\frac{1}{16}(u_n-1)=\frac{1}{16}v_n. Donc (vn)(v_n) est une suite géométrique de raison q=116q=\dfrac{1}{16} et de premier terme v0=u0−1=1v_0=u_0-1=1.

Par suite, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : vn=v0 qn=(116)nv_n=v_0\,q^n=\left(\dfrac{1}{16}\right)^n.

b) (0,75 pt) Montrer que un=1+(116)nu_n=1+\left(\dfrac{1}{16}\right)^n pour tout nn de N\mathbb{N}, puis déterminer la limite de la suite (un)(u_n).

Voir la solution

Pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : un=vn+1=1+(116)nu_n=v_n+1=1+\left(\dfrac{1}{16}\right)^n.

Comme −1<116<1-1<\dfrac{1}{16}<1, lim⁡n→+∞(116)n=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\left(\frac{1}{16}\right)^n=0, donc lim⁡n→+∞un=1.\lim_{n\to+\infty}u_n=1.

Exercice 2 — Géométrie dans l’espace (3 points)

Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O;i⃗,j⃗,k⃗)(O;\vec{i},\vec{j},\vec{k}), on considère les points A(1,3,4)A(1,3,4) et B(0,1,2)B(0,1,2).

1) a) (0,5 pt) Montrer que OA→∧OB→=2i⃗−2j⃗+k⃗\overrightarrow{OA}\wedge\overrightarrow{OB}=2\vec{i}-2\vec{j}+\vec{k}

Voir la solution

OA→(1,3,4)\overrightarrow{OA}(1,3,4) et OB→(0,1,2)\overrightarrow{OB}(0,1,2), donc OA→∧OB→=∣3142∣i⃗−∣1042∣j⃗+∣1031∣k⃗=(6−4)i⃗−(2−0)j⃗+(1−0)k⃗=2i⃗−2j⃗+k⃗.\overrightarrow{OA}\wedge\overrightarrow{OB}=\begin{vmatrix}3&1\\4&2\end{vmatrix}\vec{i}-\begin{vmatrix}1&0\\4&2\end{vmatrix}\vec{j}+\begin{vmatrix}1&0\\3&1\end{vmatrix}\vec{k}=(6-4)\vec{i}-(2-0)\vec{j}+(1-0)\vec{k}=2\vec{i}-2\vec{j}+\vec{k}.

b) (0,5 pt) Montrer que 2x−2y+z=02x-2y+z=0 est une équation cartésienne du plan (OAB)(OAB).

Voir la solution

n⃗=OA→∧OB→(2,−2,1)\vec{n}=\overrightarrow{OA}\wedge\overrightarrow{OB}(2,-2,1) est non nul : les points OO, AA, BB ne sont pas alignés et n⃗\vec{n} est normal au plan (OAB)(OAB).

Une équation de (OAB)(OAB) est de la forme 2x−2y+z+d=02x-2y+z+d=0 ; comme O(0,0,0)∈(OAB)O(0,0,0)\in(OAB), d=0d=0.

Donc (OAB):2x−2y+z=0(OAB) : 2x-2y+z=0. (Contrôle : AA : 2−6+4=02-6+4=0 ; BB : 0−2+2=00-2+2=0.)

2) (0,5 pt) Soit (S)(S) la sphère d’équation : x2+y2+z2−6x+6y−6z+2=0x^2+y^2+z^2-6x+6y-6z+2=0.

Montrer que la sphère (S)(S) a pour centre le point Ω(3,−3,3)\Omega(3,-3,3) et pour rayon 55.

Voir la solution

On complète les carrés : x2−6x=(x−3)2−9x^2-6x=(x-3)^2-9, y2+6y=(y+3)2−9y^2+6y=(y+3)^2-9, z2−6z=(z−3)2−9z^2-6z=(z-3)^2-9.

L’équation de (S)(S) s’écrit donc (x−3)2+(y+3)2+(z−3)2−27+2=0(x-3)^2+(y+3)^2+(z-3)^2-27+2=0, soit (x−3)2+(y+3)2+(z−3)2=25=52.(x-3)^2+(y+3)^2+(z-3)^2=25=5^2. Donc (S)(S) a pour centre Ω(3,−3,3)\Omega(3,-3,3) et pour rayon R=5R=5.

3) a) (0,75 pt) Montrer que le plan (OAB)(OAB) est tangent à la sphère (S)(S).

Voir la solution

d(Ω,(OAB))=∣2×3−2×(−3)+3∣22+(−2)2+12=∣6+6+3∣3=153=5.d(\Omega,(OAB))=\frac{|2\times3-2\times(-3)+3|}{\sqrt{2^2+(-2)^2+1^2}}=\frac{|6+6+3|}{3}=\frac{15}{3}=5. Comme d(Ω,(OAB))=5=Rd(\Omega,(OAB))=5=R, le plan (OAB)(OAB) est tangent à la sphère (S)(S).

b) (0,75 pt) Déterminer les coordonnées du point de contact H du plan (OAB)(OAB) et de la sphère (S)(S).

Voir la solution

Le point de contact HH est le projeté orthogonal de Ω\Omega sur (OAB)(OAB) : c’est l’intersection de (OAB)(OAB) avec la droite (Δ)(\Delta) passant par Ω\Omega et dirigée par n⃗(2,−2,1)\vec{n}(2,-2,1) : (Δ):{x=3+2ty=−3−2tz=3+t(t∈R).(\Delta) : \begin{cases}x=3+2t\\y=-3-2t\\z=3+t\end{cases}\qquad(t\in\mathbb{R}). M∈(OAB)  ⟺  2(3+2t)−2(−3−2t)+(3+t)=0  ⟺  15+9t=0  ⟺  t=−53.M\in(OAB)\iff2(3+2t)-2(-3-2t)+(3+t)=0\iff15+9t=0\iff t=-\frac{5}{3}. Donc H(3−103, −3+103, 3−53)H\left(3-\dfrac{10}{3},\,-3+\dfrac{10}{3},\,3-\dfrac{5}{3}\right), soit H(−13, 13, 43).H\left(-\frac{1}{3},\,\frac{1}{3},\,\frac{4}{3}\right). Contrôle : 2×(−13)−2×13+43=02\times\left(-\frac{1}{3}\right)-2\times\frac{1}{3}+\frac{4}{3}=0 et ΩH=53×3=5\Omega H=\frac{5}{3}\times3=5.

Exercice 3 — Nombres complexes (3 points)

1) (0,75 pt) Résoudre dans l’ensemble des nombres complexes C\mathbb{C}, l’équation : z2−8z+41=0z^2-8z+41=0.

Voir la solution

Le discriminant est Δ=(−8)2−4×41=64−164=−100=(10i)2<0\Delta=(-8)^2-4\times41=64-164=-100=(10i)^2<0.

Les solutions sont z1=8−10i2=4−5iz_1=\dfrac{8-10i}{2}=4-5i et z2=8+10i2=4+5iz_2=\dfrac{8+10i}{2}=4+5i.

Donc S={4−5i ; 4+5i}S=\{4-5i\,;\,4+5i\}.

2) Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O;u⃗,v⃗)(O;\vec{u},\vec{v}), on considère les points A, B, C et Ω\Omega d’affixes respectives aa, bb, cc et ω\omega telles que a=4+5ia=4+5i, b=3+4ib=3+4i, c=6+7ic=6+7i Et ω=4+7i\omega=4+7i

a) (0,75 pt) Calculer c−ba−b\dfrac{c-b}{a-b} puis en déduire que les points A, B et C sont alignés.

Voir la solution

c−b=(6+7i)−(3+4i)=3+3ic-b=(6+7i)-(3+4i)=3+3i et a−b=(4+5i)−(3+4i)=1+ia-b=(4+5i)-(3+4i)=1+i. Donc c−ba−b=3+3i1+i=3(1+i)1+i=3.\frac{c-b}{a-b}=\frac{3+3i}{1+i}=\frac{3(1+i)}{1+i}=3. Le quotient c−ba−b\dfrac{c-b}{a-b} est un réel, donc les vecteurs BA→\overrightarrow{BA} et BC→\overrightarrow{BC} sont colinéaires (BC→=3BA→\overrightarrow{BC}=3\overrightarrow{BA}) : les points A, B et C sont alignés.

b) (0,75 pt) Soit zz l’affixe du point M du plan et z′z' l’affixe du point M’, image de M par la rotation R de de centre Ω\Omega et d’angle −π2-\dfrac{\pi}{2}.

Montrer que : z′=−iz−3+11iz'=-iz-3+11i.

Voir la solution

L’écriture complexe de la rotation R de centre Ω\Omega et d’angle −π2-\dfrac{\pi}{2} est z′−ω=e−iπ2(z−ω)=−i(z−ω).z'-\omega=e^{-i\frac{\pi}{2}}(z-\omega)=-i(z-\omega). Donc z′=−iz+iω+ω=−iz+(1+i)(4+7i)z'=-iz+i\omega+\omega=-iz+(1+i)(4+7i).

Or (1+i)(4+7i)=4+7i+4i+7i2=4−7+11i=−3+11i(1+i)(4+7i)=4+7i+4i+7i^2=4-7+11i=-3+11i.

Ainsi z′=−iz−3+11iz'=-iz-3+11i.

c) (0,75 pt) Déterminer l’image du point C par la rotation R puis donner une forme trigonométrique du nombre complexe a−ωc−ω\dfrac{a-\omega}{c-\omega}.

Voir la solution

L’affixe de l’image de C est −ic−3+11i=−i(6+7i)−3+11i=−6i+7−3+11i=4+5i=a.-ic-3+11i=-i(6+7i)-3+11i=-6i+7-3+11i=4+5i=a. Donc R(C)=AR(C)=A.

Par conséquent a−ω=−i(c−ω)a-\omega=-i(c-\omega), et comme c≠ωc\neq\omega : a−ωc−ω=−i=cos⁡(−π2)+isin⁡(−π2).\frac{a-\omega}{c-\omega}=-i=\cos\left(-\frac{\pi}{2}\right)+i\sin\left(-\frac{\pi}{2}\right). Contrôle : a−ωc−ω=−2i2=−i\dfrac{a-\omega}{c-\omega}=\dfrac{-2i}{2}=-i.

Exercice 4 — Calcul des probabilités (3 points)

Une urne contient 10 boules portant les nombres : 1 ; 2 ; 2 ; 3 ; 3 ; 3 ; 4 ; 4 ; 4 ; 4 (les boules sont indiscernables au toucher).

On considère l’expérience suivante : On tire au hasard Successivement et sans remise deux boules de l’urne.

Urne contenant les dix boules numérotées

1) (1 pt) Soit A l’événement : « Obtenir deux boules portant deux nombres pairs »

Montrer que p(A)=13p(\text{A})=\dfrac{1}{3}.

Voir la solution

Un tirage est un arrangement de 22 boules parmi 1010 : card(Ω)=A102=10×9=90\text{card}(\Omega)=A_{10}^2=10\times9=90, tirages équiprobables.

Les boules portant un nombre pair sont les deux boules « 2 » et les quatre boules « 4 », soit 66 boules. Donc card(A)=A62=6×5=30\text{card}(\text{A})=A_6^2=6\times5=30 et p(A)=3090=13.p(\text{A})=\frac{30}{90}=\frac{1}{3}.

2) (2 pt) On répète l’expérience précédente trois fois de suite, en remettant dans l’urne les deux boules tirées après chaque expérience.

Soit X la variable aléatoire égale au nombre de fois où l’événement est réalisé.

Montrer que p(X=1)=49p(\text{X}=1)=\dfrac{4}{9} puis déterminer la loi de probabilité de la variable aléatoire X.

Voir la solution

On répète 33 fois, de façon indépendante (les boules sont remises), la même épreuve, et l’événement A a la probabilité p=13p=\dfrac{1}{3} à chaque épreuve. La variable X suit donc la loi binomiale de paramètres n=3n=3 et p=13p=\dfrac{1}{3} : p(X=k)=C3k(13)k(23)3−k,k∈{0,1,2,3}.p(\text{X}=k)=C_3^k\left(\frac{1}{3}\right)^k\left(\frac{2}{3}\right)^{3-k},\qquad k\in\{0,1,2,3\}. En particulier p(X=1)=C31×13×(23)2=3×13×49=49.p(\text{X}=1)=C_3^1\times\frac{1}{3}\times\left(\frac{2}{3}\right)^2=3\times\frac{1}{3}\times\frac{4}{9}=\frac{4}{9}. De même : p(X=0)=(23)3=827p(\text{X}=0)=\left(\frac{2}{3}\right)^3=\dfrac{8}{27}, p(X=2)=3×19×23=627=29p(\text{X}=2)=3\times\dfrac{1}{9}\times\dfrac{2}{3}=\dfrac{6}{27}=\dfrac{2}{9}, p(X=3)=(13)3=127p(\text{X}=3)=\left(\frac{1}{3}\right)^3=\dfrac{1}{27}.

xix_i00112233
p(X=xi)p(\text{X}=x_i)827\dfrac{8}{27}1227\dfrac{12}{27}627\dfrac{6}{27}127\dfrac{1}{27}

Contrôle : 8+12+6+127=1\dfrac{8+12+6+1}{27}=1.

Exercice 5 — Problème (8 points)

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

On considère ci-contre le tableau de variations de la fonction gg sur ]0,+∞[]0,+\infty[.

Tableau de variations de g

1) (0,25 pt) Calculer g(1)g(1).

Voir la solution

g(1)=21−1+2ln⁡1=2−1+0=1g(1)=\dfrac{2}{1}-1+2\ln1=2-1+0=1.

2) (0,75 pt) En déduire à partir du tableau que g(x)>0g(x)>0 Pour tout xx de ]0,+∞[]0,+\infty[.

Voir la solution

D’après le tableau, gg est décroissante sur ]0,1]]0,1] et croissante sur [1,+∞[[1,+\infty[ : elle admet en 11 un minimum absolu, égal à g(1)=1g(1)=1.

Donc pour tout x∈ ]0,+∞[x\in\,]0,+\infty[ : g(x)≥g(1)=1>0g(x)\geq g(1)=1>0.

II −- On considère la fonction numérique ff définie sur ]0,+∞[]0,+\infty[ par : f(x)=3−3x+2(x+1)ln⁡xf(x)=3-3x+2(x+1)\ln x.

Soit (Cf)(C_f) la courbe représentative de ff dans un repère orthonormé (O;i⃗,j⃗)(O;\vec{i},\vec{j}) (unité : 2 cm).

1) (0,75 pt) Montrer que lim⁡x→0x>0f(x)=−∞\displaystyle\lim_{\substack{x\to0\\x>0}}f(x)=-\infty et interpréter géométriquement ce résultat.

Voir la solution

On a lim⁡x→0+ln⁡x=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}\ln x=-\infty et lim⁡x→0+2(x+1)=2\displaystyle\lim_{x\to0^+}2(x+1)=2, donc lim⁡x→0+2(x+1)ln⁡x=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}2(x+1)\ln x=-\infty ; de plus lim⁡x→0+(3−3x)=3\displaystyle\lim_{x\to0^+}(3-3x)=3.

Donc lim⁡x→0+f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to0^+}f(x)=-\infty.

Interprétation : la droite d’équation x=0x=0 (l’axe des ordonnées) est asymptote verticale à la courbe (Cf)(C_f).

2) a) (0,5 pt) Montrer que lim⁡x→+∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty (Pour le calcul de la limite on pourra utiliser l’écriture suivante : f(x)=x[3x−3+2(1+1x)ln⁡x]f(x)=x\left[\dfrac{3}{x}-3+2\left(1+\dfrac{1}{x}\right)\ln x\right]).

Voir la solution

Pour x>0x>0 : f(x)=x[3x−3+2(1+1x)ln⁡x]f(x)=x\left[\dfrac{3}{x}-3+2\left(1+\dfrac{1}{x}\right)\ln x\right].

Quand x→+∞x\to+\infty : 3x→0\dfrac{3}{x}\to0, 2(1+1x)→22\left(1+\dfrac{1}{x}\right)\to2 et ln⁡x→+∞\ln x\to+\infty, donc le crochet tend vers +∞+\infty.

Comme x→+∞x\to+\infty, on obtient lim⁡x→+∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty.

b) (0,5 pt) Montrer que la courbe (Cf)(C_f) admet, au voisinage de +∞+\infty, une branche parabolique dont la direction est celle de l’axe des ordonnées.

Voir la solution

Pour x>0x>0 : f(x)x=3x−3+2(1+1x)ln⁡x\dfrac{f(x)}{x}=\dfrac{3}{x}-3+2\left(1+\dfrac{1}{x}\right)\ln x, et d’après le calcul précédent lim⁡x→+∞f(x)x=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{x}=+\infty.

Puisque lim⁡x→+∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty et lim⁡x→+∞f(x)x=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{x}=+\infty, la courbe (Cf)(C_f) admet au voisinage de +∞+\infty une branche parabolique de direction l’axe des ordonnées.

3) a) (0,75 pt) Montrer que f′(x)=g(x)f'(x)=g(x) pour tout de ]0,+∞[]0,+\infty[.

Voir la solution

ff est dérivable sur ]0,+∞[]0,+\infty[ et, pour tout x>0x>0 : f′(x)=−3+2ln⁡x+2(x+1)×1x=−3+2ln⁡x+2+2x=2x−1+2ln⁡x=g(x).f'(x)=-3+2\ln x+2(x+1)\times\frac{1}{x}=-3+2\ln x+2+\frac{2}{x}=\frac{2}{x}-1+2\ln x=g(x).

b) (0,75 pt) En déduire que ff est strictement croissante sur ]0,+∞[]0,+\infty[ et dresser son tableau de variations sur ]0,+∞[]0,+\infty[.

Voir la solution

D’après la partie I, f′(x)=g(x)>0f'(x)=g(x)>0 pour tout x>0x>0 : ff est strictement croissante sur ]0,+∞[]0,+\infty[.

xx00+∞+\infty
f′(x)f'(x)++
f(x)f(x)−∞-\infty↗\nearrow+∞+\infty

4) a) (0,5 pt) Montrer que I(1,0)\text{I}(1,0) est un point d’inflexion de la courbe (Cf)(C_f).

Voir la solution

f′′(x)=g′(x)=−2x2+2x=2(x−1)x2f''(x)=g'(x)=-\dfrac{2}{x^2}+\dfrac{2}{x}=\dfrac{2(x-1)}{x^2} pour tout x>0x>0.

f′′(x)<0f''(x)<0 sur ]0,1[]0,1[ et f′′(x)>0f''(x)>0 sur ]1,+∞[]1,+\infty[ : f′′f'' s’annule en 11 en changeant de signe.

Comme f(1)=3−3+2×2×ln⁡1=0f(1)=3-3+2\times2\times\ln1=0, le point I(1,0)\text{I}(1,0) est un point d’inflexion de (Cf)(C_f).

b) (0,25 pt) Montrer que y=x−1y=x-1 est une équation cartésienne de la tangente (T)(T) à la courbe (Cf)(C_f) au point I.

Voir la solution

La tangente en I(1,0)\text{I}(1,0) a pour équation y=f′(1)(x−1)+f(1)y=f'(1)(x-1)+f(1), avec f′(1)=g(1)=1f'(1)=g(1)=1 et f(1)=0f(1)=0.

Donc (T):y=x−1(T) : y=x-1.

c) (0,75 pt) Construire dans le même repère (O;i⃗,j⃗)(O;\vec{i},\vec{j}), la droite (T)(T) et la courbe (Cf)(C_f).

Voir la solution

Éléments utiles : asymptote verticale x=0x=0 ; point d’inflexion I(1,0)\text{I}(1,0) où (Cf)(C_f) traverse sa tangente (T)(T) ; branche parabolique verticale en +∞+\infty ; f(2)=6ln⁡2−3≈1,16f(2)=6\ln2-3\approx1{,}16, f(3)=8ln⁡3−6≈2,79f(3)=8\ln3-6\approx2{,}79.

Courbe de f et tangente (T)

5) a) (0,5 pt) Montrer que ∫12(1+x2)dx=74\displaystyle\int_1^2\left(1+\frac{x}{2}\right)dx=\frac{7}{4}.

Voir la solution

∫12(1+x2)dx=[x+x24]12=(2+1)−(1+14)=3−54=74.\int_1^2\left(1+\frac{x}{2}\right)dx=\left[x+\frac{x^2}{4}\right]_1^2=\left(2+1\right)-\left(1+\frac{1}{4}\right)=3-\frac{5}{4}=\frac{7}{4}.

b) (0,75 pt) A l’aide d’une intégration par parties, montrer que : ∫12(x+1)ln⁡x dx=4ln⁡2−74\displaystyle\int_1^2(x+1)\ln x\,dx=4\ln2-\frac{7}{4}.

Voir la solution

On pose u(x)=ln⁡xu(x)=\ln x, v′(x)=x+1v'(x)=x+1 ; alors u′(x)=1xu'(x)=\dfrac{1}{x} et v(x)=x22+xv(x)=\dfrac{x^2}{2}+x. Les fonctions uu et vv sont dérivables à dérivées continues sur [1,2][1,2], donc ∫12(x+1)ln⁡x dx=[(x22+x)ln⁡x]12−∫12(x22+x)1x dx=4ln⁡2−0−∫12(1+x2)dx.\int_1^2(x+1)\ln x\,dx=\left[\left(\frac{x^2}{2}+x\right)\ln x\right]_1^2-\int_1^2\left(\frac{x^2}{2}+x\right)\frac{1}{x}\,dx=4\ln2-0-\int_1^2\left(1+\frac{x}{2}\right)dx. D’après 5) a) : ∫12(x+1)ln⁡x dx=4ln⁡2−74\displaystyle\int_1^2(x+1)\ln x\,dx=4\ln2-\frac{7}{4}.

c) (0,5 pt) Calculer, en cm2cm^2, l’aire du domaine plan limité par la courbe (Cf)(C_f), l’axe des abscisses et les droites d’équations x=1x=1 et x=2x=2.

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ff est strictement croissante et f(1)=0f(1)=0, donc f(x)≥0f(x)\geq0 sur [1,2][1,2]. L’unité étant 22 cm, l’unité d’aire vaut 2×2=4 cm22\times2=4\text{ cm}^2 : A=∫12f(x) dx×4 cm2.\mathcal{A}=\int_1^2f(x)\,dx\times4\text{ cm}^2. Or ∫12f(x) dx=∫12(3−3x) dx+2∫12(x+1)ln⁡x dx=[3x−3x22]12+2(4ln⁡2−74)=−32+8ln⁡2−72=8ln⁡2−5.\int_1^2f(x)\,dx=\int_1^2(3-3x)\,dx+2\int_1^2(x+1)\ln x\,dx=\left[3x-\frac{3x^2}{2}\right]_1^2+2\left(4\ln2-\frac{7}{4}\right)=-\frac{3}{2}+8\ln2-\frac{7}{2}=8\ln2-5. Donc A=4(8ln⁡2−5) cm2=(32ln⁡2−20) cm2≈2,18 cm2\mathcal{A}=4(8\ln2-5)\text{ cm}^2=(32\ln2-20)\text{ cm}^2\approx2{,}18\text{ cm}^2.

6) (0,5 pt) Résoudre graphiquement l’inéquation : x∈ ]0,+∞[ ; (x+1)ln⁡x≥32(x−1)x\in\,]0,+\infty[\,;\ (x+1)\ln x\geq\dfrac{3}{2}(x-1)

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Pour x>0x>0 : (x+1)ln⁡x≥32(x−1)  ⟺  2(x+1)ln⁡x≥3x−3  ⟺  3−3x+2(x+1)ln⁡x≥0  ⟺  f(x)≥0.(x+1)\ln x\geq\frac{3}{2}(x-1)\iff2(x+1)\ln x\geq3x-3\iff3-3x+2(x+1)\ln x\geq0\iff f(x)\geq0. Graphiquement, (Cf)(C_f) est au-dessus de l’axe des abscisses (ou le coupe) exactement pour x≥1x\geq1 (point I(1,0)\text{I}(1,0)).

Donc l’ensemble des solutions est S=[1,+∞[S=[1,+\infty[.

FIN

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