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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
Nombre de pages : 4 (la première page contient les instructions générales et les composantes Du sujet ; les trois autres pages contiennent le sujet de l’examen)
L’utilisation de la calculatrice non programmable est autorisée
Le candidat peut traiter les exercices de l’épreuve suivant l’ordre qui lui convient
L’utilisation de la couleur rouge lors de la rédaction des solutions est à éviter
Certaines notations sont utilisées dans différents exercices, toute fois chaque notation ne concerne Que l’exercice où elle est utilisée et ne dépend ni des exercices précédents ni des exercices suivants
COMPOSANTES DU DUJET
L’épreuve est composée de trois exercices et un problème indépendants entre eux et répartis suivants les domaines comme suit :
Domaine
Barème
Exercice 1
Suites numériques
3 points
Exercice 2
Géométrie dans l’espace
3 points
Exercice 3
Nombres complexes
3 points
Exercice 4
Calcul des probabilités
3 points
Problème
Etude d’une fonction numérique Et calcul intégral
8 points
Concernant le problème, ln désigne la fonction logarithme népérien.
Exercice 1 — Suites numériques (3 points)
On considère la suite numérique (un) définie par : u0=2 et un+1=161un+1615 pour tout n de N.
1) a)(0,5 pt) Montrer par récurrence que un>1 pour tout n de N.
Voir la solution
Montrons par récurrence que, pour tout n∈N, un>1.
Initialisation. Pour n=0 : u0=2>1. La propriété est vraie au rang 0.
Hérédité. Soit n∈N. Supposons que un>1 et montrons que un+1>1.
De un>1 on déduit 161un>161, puis 161un+1615>161+1615=1, c’est-à-dire un+1>1.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : un>1.
b)(0,5 pt) Vérifier que un+1−un=1615(un−1) pour tout n de N, puis montrer que la suite (un) est décroissante.
Voir la solution
Attention : l’égalité de l’énoncé est imprimée sans le signe « − » ; l’égalité exacte est un+1−un=−1615(un−1) (avec le signe de l’énoncé, la suite serait croissante, ce qui contredit la conclusion demandée).
Soit n∈N :
un+1−un=161un+1615−un=−1615un+1615=−1615(un−1).
D’après 1) a), un>1, donc un−1>0 et −1615(un−1)<0.
Ainsi un+1−un<0 pour tout n∈N : la suite (un) est (strictement) décroissante.
c)(0,25 pt) En déduire que la suite (un) est convergente.
Voir la solution
La suite (un) est décroissante (question 1) b)) et minorée par 1 (question 1) a)). Toute suite décroissante et minorée est convergente : la suite (un) est donc convergente.
2) Soit (vn) la suite numérique telle que : vn=un−1 pour tout n de N.
a)(1 pt) Montrer que (vn) est une suite géométrique de raison 161 puis écrire vn en fonction de n.
Voir la solution
Soit n∈N :
vn+1=un+1−1=161un+1615−1=161un−161=161(un−1)=161vn.
Donc (vn) est une suite géométrique de raison q=161 et de premier terme v0=u0−1=1.
Par suite, pour tout n∈N : vn=v0qn=(161)n.
b)(0,75 pt) Montrer que un=1+(161)n pour tout n de N, puis déterminer la limite de la suite (un).
Voir la solution
Pour tout n∈N : un=vn+1=1+(161)n.
Comme −1<161<1, n→+∞lim(161)n=0, donc
limn→+∞un=1.
Exercice 2 — Géométrie dans l’espace (3 points)
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O;i,j,k), on considère les points A(1,3,4) et B(0,1,2).
1) a)(0,5 pt) Montrer que OA∧OB=2i−2j+k
Voir la solution
OA(1,3,4) et OB(0,1,2), donc
OA∧OB=3412i−1402j+1301k=(6−4)i−(2−0)j+(1−0)k=2i−2j+k.
b)(0,5 pt) Montrer que 2x−2y+z=0 est une équation cartésienne du plan (OAB).
Voir la solution
n=OA∧OB(2,−2,1) est non nul : les points O, A, B ne sont pas alignés et n est normal au plan (OAB).
Une équation de (OAB) est de la forme 2x−2y+z+d=0 ; comme O(0,0,0)∈(OAB), d=0.
Donc (OAB):2x−2y+z=0. (Contrôle : A : 2−6+4=0 ; B : 0−2+2=0.)
2)(0,5 pt) Soit (S) la sphère d’équation : x2+y2+z2−6x+6y−6z+2=0.
Montrer que la sphère (S) a pour centre le point Ω(3,−3,3) et pour rayon 5.
Voir la solution
On complète les carrés : x2−6x=(x−3)2−9, y2+6y=(y+3)2−9, z2−6z=(z−3)2−9.
L’équation de (S) s’écrit donc (x−3)2+(y+3)2+(z−3)2−27+2=0, soit
(x−3)2+(y+3)2+(z−3)2=25=52.
Donc (S) a pour centre Ω(3,−3,3) et pour rayon R=5.
3) a)(0,75 pt) Montrer que le plan (OAB) est tangent à la sphère (S).
Voir la solution
d(Ω,(OAB))=22+(−2)2+12∣2×3−2×(−3)+3∣=3∣6+6+3∣=315=5.
Comme d(Ω,(OAB))=5=R, le plan (OAB) est tangent à la sphère (S).
b)(0,75 pt) Déterminer les coordonnées du point de contact H du plan (OAB) et de la sphère (S).
Voir la solution
Le point de contact H est le projeté orthogonal de Ω sur (OAB) : c’est l’intersection de (OAB) avec la droite (Δ) passant par Ω et dirigée par n(2,−2,1) :
(Δ):⎩⎨⎧x=3+2ty=−3−2tz=3+t(t∈R).M∈(OAB)⟺2(3+2t)−2(−3−2t)+(3+t)=0⟺15+9t=0⟺t=−35.
Donc H(3−310,−3+310,3−35), soit
H(−31,31,34).Contrôle :2×(−31)−2×31+34=0 et ΩH=35×3=5.
Exercice 3 — Nombres complexes (3 points)
1)(0,75 pt) Résoudre dans l’ensemble des nombres complexes C, l’équation : z2−8z+41=0.
Voir la solution
Le discriminant est Δ=(−8)2−4×41=64−164=−100=(10i)2<0.
Les solutions sont z1=28−10i=4−5i et z2=28+10i=4+5i.
Donc S={4−5i;4+5i}.
2) Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O;u,v), on considère les points A, B, C et Ω d’affixes respectives a, b, c et ω telles que a=4+5i, b=3+4i, c=6+7i Et ω=4+7i
a)(0,75 pt) Calculer a−bc−b puis en déduire que les points A, B et C sont alignés.
Voir la solution
c−b=(6+7i)−(3+4i)=3+3i et a−b=(4+5i)−(3+4i)=1+i. Donc
a−bc−b=1+i3+3i=1+i3(1+i)=3.
Le quotient a−bc−b est un réel, donc les vecteurs BA et BC sont colinéaires (BC=3BA) : les points A, B et C sont alignés.
b)(0,75 pt) Soit z l’affixe du point M du plan et z′ l’affixe du point M’, image de M par la rotation R de de centre Ω et d’angle −2π.
Montrer que : z′=−iz−3+11i.
Voir la solution
L’écriture complexe de la rotation R de centre Ω et d’angle −2π est
z′−ω=e−i2π(z−ω)=−i(z−ω).
Donc z′=−iz+iω+ω=−iz+(1+i)(4+7i).
Or (1+i)(4+7i)=4+7i+4i+7i2=4−7+11i=−3+11i.
Ainsi z′=−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 c−ωa−ω.
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.
Donc R(C)=A.
Par conséquent a−ω=−i(c−ω), et comme c=ω :
c−ωa−ω=−i=cos(−2π)+isin(−2π).Contrôle :c−ωa−ω=2−2i=−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.
1)(1 pt) Soit A l’événement : « Obtenir deux boules portant deux nombres pairs »
Montrer que p(A)=31.
Voir la solution
Un tirage est un arrangement de 2 boules parmi 10 : card(Ω)=A102=10×9=90, tirages équiprobables.
Les boules portant un nombre pair sont les deux boules « 2 » et les quatre boules « 4 », soit 6 boules. Donc card(A)=A62=6×5=30 et
p(A)=9030=31.
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)=94 puis déterminer la loi de probabilité de la variable aléatoire X.
Voir la solution
On répète 3 fois, de façon indépendante (les boules sont remises), la même épreuve, et l’événement A a la probabilité p=31 à chaque épreuve. La variable X suit donc la loi binomiale de paramètres n=3 et p=31 :
p(X=k)=C3k(31)k(32)3−k,k∈{0,1,2,3}.
En particulier
p(X=1)=C31×31×(32)2=3×31×94=94.
De même : p(X=0)=(32)3=278, p(X=2)=3×91×32=276=92, p(X=3)=(31)3=271.
xi
0
1
2
3
p(X=xi)
278
2712
276
271
Contrôle : 278+12+6+1=1.
Exercice 5 — Problème (8 points)
I − Soit g la fonction numérique définie sur ]0,+∞[ par : g(x)=x2−1+2lnx
On considère ci-contre le tableau de variations de la fonction g sur ]0,+∞[.
1)(0,25 pt) Calculer g(1).
Voir la solution
g(1)=12−1+2ln1=2−1+0=1.
2)(0,75 pt) En déduire à partir du tableau que g(x)>0 Pour tout x de ]0,+∞[.
Voir la solution
D’après le tableau, g est décroissante sur ]0,1] et croissante sur [1,+∞[ : elle admet en 1 un minimum absolu, égal à g(1)=1.
Donc pour tout x∈]0,+∞[ : g(x)≥g(1)=1>0.
II − On considère la fonction numérique f définie sur ]0,+∞[ par : f(x)=3−3x+2(x+1)lnx.
Soit (Cf) la courbe représentative de f dans un repère orthonormé (O;i,j) (unité : 2 cm).
1)(0,75 pt) Montrer que x→0x>0limf(x)=−∞ et interpréter géométriquement ce résultat.
Voir la solution
On a x→0+limlnx=−∞ et x→0+lim2(x+1)=2, donc x→0+lim2(x+1)lnx=−∞ ; de plus x→0+lim(3−3x)=3.
Donc x→0+limf(x)=−∞.
Interprétation : la droite d’équation x=0 (l’axe des ordonnées) est asymptote verticale à la courbe (Cf).
2) a)(0,5 pt) Montrer que x→+∞limf(x)=+∞ (Pour le calcul de la limite on pourra utiliser l’écriture suivante : f(x)=x[x3−3+2(1+x1)lnx]).
Voir la solution
Pour x>0 : f(x)=x[x3−3+2(1+x1)lnx].
Quand x→+∞ : x3→0, 2(1+x1)→2 et lnx→+∞, donc le crochet tend vers +∞.
Comme x→+∞, on obtient x→+∞limf(x)=+∞.
b)(0,5 pt) Montrer que la courbe (Cf) admet, au voisinage de +∞, une branche parabolique dont la direction est celle de l’axe des ordonnées.
Voir la solution
Pour x>0 : xf(x)=x3−3+2(1+x1)lnx, et d’après le calcul précédent x→+∞limxf(x)=+∞.
Puisque x→+∞limf(x)=+∞ et x→+∞limxf(x)=+∞, la courbe (Cf) admet au voisinage de +∞ une branche parabolique de direction l’axe des ordonnées.
3) a)(0,75 pt) Montrer que f′(x)=g(x) pour tout de ]0,+∞[.
Voir la solution
f est dérivable sur ]0,+∞[ et, pour tout x>0 :
f′(x)=−3+2lnx+2(x+1)×x1=−3+2lnx+2+x2=x2−1+2lnx=g(x).
b)(0,75 pt) En déduire que f est strictement croissante sur ]0,+∞[ et dresser son tableau de variations sur ]0,+∞[.
Voir la solution
D’après la partie I, f′(x)=g(x)>0 pour tout x>0 : f est strictement croissante sur ]0,+∞[.
x
0
+∞
f′(x)
+
f(x)
−∞
↗
+∞
4) a)(0,5 pt) Montrer que I(1,0) est un point d’inflexion de la courbe (Cf).
Voir la solution
f′′(x)=g′(x)=−x22+x2=x22(x−1) pour tout x>0.
f′′(x)<0 sur ]0,1[ et f′′(x)>0 sur ]1,+∞[ : f′′ s’annule en 1 en changeant de signe.
Comme f(1)=3−3+2×2×ln1=0, le point I(1,0) est un point d’inflexion de (Cf).
b)(0,25 pt) Montrer que y=x−1 est une équation cartésienne de la tangente (T) à la courbe (Cf) au point I.
Voir la solution
La tangente en I(1,0) a pour équation y=f′(1)(x−1)+f(1), avec f′(1)=g(1)=1 et f(1)=0.
Donc (T):y=x−1.
c)(0,75 pt) Construire dans le même repère (O;i,j), la droite (T) et la courbe (Cf).
Voir la solution
Éléments utiles : asymptote verticale x=0 ; point d’inflexion I(1,0) où (Cf) traverse sa tangente (T) ; branche parabolique verticale en +∞ ; f(2)=6ln2−3≈1,16, f(3)=8ln3−6≈2,79.
b)(0,75 pt) A l’aide d’une intégration par parties, montrer que : ∫12(x+1)lnxdx=4ln2−47.
Voir la solution
On pose u(x)=lnx, v′(x)=x+1 ; alors u′(x)=x1 et v(x)=2x2+x. Les fonctions u et v sont dérivables à dérivées continues sur [1,2], donc
∫12(x+1)lnxdx=[(2x2+x)lnx]12−∫12(2x2+x)x1dx=4ln2−0−∫12(1+2x)dx.
D’après 5) a) : ∫12(x+1)lnxdx=4ln2−47.
c)(0,5 pt) Calculer, en cm2, l’aire du domaine plan limité par la courbe (Cf), l’axe des abscisses et les droites d’équations x=1 et x=2.
Voir la solution
f est strictement croissante et f(1)=0, donc f(x)≥0 sur [1,2]. L’unité étant 2 cm, l’unité d’aire vaut 2×2=4 cm2 :
A=∫12f(x)dx×4 cm2.
Or
∫12f(x)dx=∫12(3−3x)dx+2∫12(x+1)lnxdx=[3x−23x2]12+2(4ln2−47)=−23+8ln2−27=8ln2−5.
Donc A=4(8ln2−5) cm2=(32ln2−20) cm2≈2,18 cm2.
Pour x>0 :
(x+1)lnx≥23(x−1)⟺2(x+1)lnx≥3x−3⟺3−3x+2(x+1)lnx≥0⟺f(x)≥0.
Graphiquement, (Cf) est au-dessus de l’axe des abscisses (ou le coupe) exactement pour x≥1 (point I(1,0)).