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Examen national 2017 — Session normale
2BAC PC SVT · Mathématiques
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Examen national du baccalauréat — Session normale 2017
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales (les deux parcours) — option française Code NS 22F — Durée : 3 h — Coefficient : 7
INSTRUCTIOS GENERALES
- 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
COMPOSANTES DU SUJET
L’épreuve est composée de trois exercices et un problème indépendants entre eux et répartis suivant les domaines comme suit :
| Domaine | Barème | |
|---|---|---|
| Exercice 1 | Géométrie dans l’espace | 3 points |
| Exercice 2 | Calcul des probabilités | 3 points |
| Exercice 3 | Nombres complexes | 3 points |
| Problème | Etude des fonctions numériques et des suites numériques | 11 points |
Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct , on considère le plan passant par le point et dont est un vecteur normal et la sphère de centre le point et de rayon .
1) a) (0.5 pt) Montrer que est une équation cartésienne du plan .
Voir la solution
. Or , donc , soit .
b) (0.75 pt) Montrer que le plan est tangent à la sphère et vérifier que est le point de contact.
Voir la solution
Donc est tangent à . Le point de contact est le projeté de sur .
Vérifions que convient : car , et . Donc est le point de contact.
2) a) (0.25 pt) Déterminer une représentation paramétrique de la droite passant par le point et orthogonale au plan .
Voir la solution
passe par et est dirigée par :
b) (0.75 pt) Montrer que la droite est tangente à la sphère au point .
Voir la solution
Pour : , donc . De plus , donc .
Le vecteur et le directeur vérifient , donc est orthogonale à : elle est tangente à en .
3) (0.75 pt) Montrer que et en déduire l’aire du triangle .
Voir la solution
et .
L’aire de est .
Exercice 2 — Calcul des probabilités (3 points)
Une urne contient huit boules indiscernables au toucher portant chacune un nombre parmi les nombres suivants : .
On tire au hasard, simultanément, trois boules de l’urne.
1) (1.5 pt) Soit : « Parmi les trois boules tirées, aucune boule ne porte le nombre » : « Le produit des nombres portés par les trois boules tirées est égal à »
Montrer que : et que .
Voir la solution
.
- : on tire parmi les boules non nulles : , donc .
- : produit égal à . Les tirages possibles sont et .
- : façons ;
- : façons. Donc et .
2) Soit la variable aléatoire qui à chaque tirage associe le produit des nombres portés par les trois boules tirées.
a) (0.5 pt) Montrer que : .
Voir la solution
correspond au tirage : façons. Donc .
b) (1 pt) Le tableau ci-contre concerne la loi de probabilité de la variable aléatoire .
Recopier sur votre copie et compléter le tableau en justifiant chaque réponse.
Voir la solution
Les valeurs possibles de sont , , et .
- : au moins un . Nombre de tirages : , donc .
- : tirage impossible ; seul déjà compté, ou : , donc .
- : .
- : (déjà montré).
Exercice 3 — Nombres complexes (3 points)
On considère les nombres complexes et tels que et
1) a) (0.25 pt) Vérifier que : .
Voir la solution
.
b) (0.5 pt) En déduire que et que .
Voir la solution
et .
et .
Donc et .
c) (0.5 pt) Déduire de ce qui précède que : .
Voir la solution
.
En identifiant les parties réelles : , d’où
2) Le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé direct . On considère les points et d’affixes respectives et et le point d’affixe .
a) (0.75 pt) Vérifier que et en déduire que et que .
Voir la solution
.
Donc , d’où , soit , et , donc .
b) (0.5 pt) Montrer que le point est l’image du point par la translation de vecteur .
Voir la solution
L’affixe de l’image de par la translation de vecteur est . Or . Donc est bien cette image.
c) (0.5 pt) En déduire que le quadrilatère est un carré.
Voir la solution
D’après a) : et . D’après b) : , donc et .
Ainsi a quatre côtés égaux et un angle droit : c’est un carré.
Exercice 4 — Problème (11 points)
I – Soit la fonction numérique définie sur l’intervalle par :
1) (0.25 pt) Vérifier que .
Voir la solution
.
2) (1 pt) À partir du tableau de variations de la fonction ci-dessous :
x & 0 & & +\infty\\\hline g'(x) & & + & \\\hline g(x) & -\infty & \nearrow & +\infty\\\hline \end{array}$$ Montrer que $g(x)\leq0$ pour tout $x$ appartenant à l'intervalle $]0,1]$ et que $g(x)\geq0$ pour tout $x$ appartenant à l'intervalle $[1,+\infty[$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> D'après le tableau, $g$ est strictement croissante sur $]0,+\infty[$ et $g(1)=0$. Donc : pour $x\in]0,1]$, $g(x)\leq0$ ; pour $x\in[1,+\infty[$, $g(x)\geq0$. </div></details> **II –** On considère la fonction numérique $f$ définie sur l'intervalle $]0,+\infty[$ par : $$f(x)=x+\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x.$$ Soit $(\mathcal{C})$ la courbe représentative de la fonction $f$ dans un repère orthonormé $(O;\vec{i},\vec{j})$ (unité : $1\,\mathrm{cm}$). **1)** *(0.5 pt)* Montrer que $\displaystyle\lim_{\substack{x\to0\\x>0}}f(x)=+\infty$ et interpréter géométriquement le résultat. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $\displaystyle\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x=\ln x-\dfrac{2\ln x}{x}$. Or $\ln x\to-\infty$ et $\dfrac{\ln x}{x}\to0$, donc $-\dfrac{2\ln x}{x}\to+\infty$ et $f(x)\to+\infty$. Géométriquement : $(\mathcal{C})$ admet l'axe des ordonnées comme asymptote verticale au voisinage de $0^+$. </div></details> **2) a)** *(0.25 pt)* Montrer que $\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $f(x)=x+\ln x-\dfrac{2\ln x}{x}$ avec $x\to+\infty$, $\ln x\to+\infty$ et $\dfrac{\ln x}{x}\to0$, donc $f(x)\to+\infty$. </div></details> **b)** *(0.75 pt)* Montrer que la courbe $(\mathcal{C})$ admet au voisinage de $+\infty$ une branche parabolique de direction asymptotique celle de la droite $(D)$ d'équation $y=x$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $\dfrac{f(x)}{x}=1+\dfrac{\ln x}{x}-\dfrac{2\ln x}{x^2}\xrightarrow[x\to+\infty]{}1$, et $f(x)-x=\ln x-\dfrac{2\ln x}{x}\xrightarrow[x\to+\infty]{}+\infty$. Donc $(\mathcal{C})$ admet une branche parabolique de direction asymptotique celle de $(D):y=x$. </div></details> **3) a)** *(1 pt)* Montrer que $f'(x)=\dfrac{g(x)}{x^2}$ pour tout $x$ appartenant à l'intervalle $]0,+\infty[$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $$f'(x)=1+\dfrac{2}{x^2}\ln x+\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\dfrac{1}{x}=1+\dfrac{2\ln x}{x^2}+\dfrac{1}{x}-\dfrac{2}{x^2}=\dfrac{x^2+x-2+2\ln x}{x^2}=\dfrac{g(x)}{x^2}.$$ </div></details> **b)** *(0.75 pt)* Montrer que $f$ est décroissante sur l'intervalle $]0,1]$ et croissante sur l'intervalle $[1,+\infty[$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> Pour $x>0$, $x^2>0$, donc $f'$ a le signe de $g$. D'après I-2) : $f'\leq0$ sur $]0,1]$ et $f'\geq0$ sur $[1,+\infty[$. Donc $f$ est décroissante sur $]0,1]$ et croissante sur $[1,+\infty[$. </div></details> **c)** *(0.25 pt)* Dresser le tableau de variations de la fonction $f$ sur l'intervalle $]0,+\infty[$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $f(1)=1+(1-2)\ln1=1$. $$\begin{array}{|c|ccccc|}\hline x & 0 & & 1 & & +\infty\\\hline f'(x) & & - & 0 & + & \\\hline f(x) & +\infty & \searrow & 1 & \nearrow & +\infty\\\hline \end{array}$$ </div></details> **4) a)** *(0.5 pt)* Résoudre dans l'intervalle $]0,+\infty[$ l'équation : $\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x=0$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x=0\iff\ln x=0$ ou $1-\dfrac{2}{x}=0\iff x=1$ ou $x=2$. </div></details> **b)** *(0.5 pt)* En déduire que la courbe $(\mathcal{C})$ coupe la droite $(D)$ en deux points dont on déterminera les coordonnées. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $f(x)=x\iff\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x=0\iff x=1$ ou $x=2$. Les points d'intersection sont $A(1;1)$ et $B(2;2)$. </div></details> **c)** *(0.75 pt)* Montrer que $f(x)\leq x$ pour tout $x$ appartenant à l'intervalle $[1,2]$ et en déduire la position relative de la courbe $(\mathcal{C})$ et de la droite $(D)$ sur l'intervalle $[1,2]$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> Sur $[1,2]$ : $1-\dfrac{2}{x}\leq0$ et $\ln x\geq0$, donc $\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x\leq0$, soit $f(x)\leq x$. Ainsi $(\mathcal{C})$ est en dessous de $(D)$ sur $[1,2]$. </div></details> **5)** *(1 pt)* Construire, dans le même repère $(O;\vec{i},\vec{j})$, la droite $(D)$ et la courbe $(\mathcal{C})$ (on admettra que la courbe $(\mathcal{C})$ possède un point d'inflexion dont l'abscisse est comprise entre $2{,}4$ et $2{,}5$). <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> <img class="fig" src="/img/2bac-se/examens/2017_n_sol_courbe.png" alt="Courbes $(\mathcal{C})$ et $(D)$" loading="lazy"> $(\mathcal{C})$ admet un minimum en $A(1;1)$, asymptote verticale $x=0$, branche parabolique de direction $y=x$ ; intersections avec $(D)$ : $(1;1)$ et $(2;2)$ ; $(\mathcal{C})$ sous $(D)$ sur $[1,2]$. </div></details> **6) a)** *(0.5 pt)* Montrer que $\displaystyle\int_1^2\dfrac{\ln x}{x}\,\mathrm{d}x=\dfrac{1}{2}(\ln2)^2$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> La primitive de $\dfrac{\ln x}{x}$ est $\dfrac{1}{2}(\ln x)^2$. Donc $$\int_1^2\dfrac{\ln x}{x}\,\mathrm{d}x=\Bigl[\dfrac{1}{2}(\ln x)^2\Bigr]_1^2=\dfrac{1}{2}(\ln2)^2.$$ </div></details> **b)** *(0.25 pt)* Montrer que la fonction $H:x\mapsto2\ln x-x$ est une fonction primitive de la fonction $h:x\mapsto\dfrac{2}{x}-1$ sur l'intervalle $]0,+\infty[$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $H'(x)=\dfrac{2}{x}-1=h(x)$. </div></details> **c)** *(0.5 pt)* Montrer, à l'aide d'une intégration par parties, que $$\int_1^2\left(\dfrac{2}{x}-1\right)\ln x\,\mathrm{d}x=(1-\ln2)^2.$$ <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> On pose $u=\ln x$, $u'=\dfrac{1}{x}$, $v'=h(x)$, $v=H(x)=2\ln x-x$. $$\int_1^2 h(x)\ln x\,\mathrm{d}x=\bigl[(2\ln x-x)\ln x\bigr]_1^2-\int_1^2\dfrac{2\ln x-x}{x}\,\mathrm{d}x$$ $$=(2\ln2-2)\ln2-0-\int_1^2\left(\dfrac{2\ln x}{x}-1\right)\mathrm{d}x=(2\ln2-2)\ln2-\bigl((\ln2)^2-1\bigr)$$ $$=2(\ln2)^2-2\ln2-(\ln2)^2+1=(\ln2)^2-2\ln2+1=(1-\ln2)^2.$$ </div></details> **d)** *(0.5 pt)* Calculer, en $\mathrm{cm}^2$, l'aire du domaine plan limité par la courbe $(\mathcal{C})$, la droite $(D)$ et les droites d'équations $x=1$ et $x=2$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> Sur $[1,2]$, $x-f(x)=\left(\dfrac{2}{x}-1\right)\ln x$, donc l'aire vaut $$\mathcal{A}=\int_1^2\bigl(x-f(x)\bigr)\,\mathrm{d}x=(1-\ln2)^2\mathrm{cm}^2.$$ </div></details> **III –** On considère la suite numérique $(u_n)$ définie par : $$u_0=\sqrt{3}\quad\text{et}\quad u_{n+1}=f(u_n)\text{ pour tout entier naturel }n.$$ **1)** *(0.5 pt)* Montrer par récurrence que : $1\leq u_n\leq2$ pour tout entier naturel $n$. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> **Initialisation.** $u_0=\sqrt{3}\in[1,2]$. **Hérédité.** Soit $n\in\mathbb{N}$. Supposons $1\leq u_n\leq2$. Comme $f$ est croissante sur $[1,+\infty[$ et $f(1)=1$, $f(2)=2$ : $$1=f(1)\leq f(u_n)\leq f(2)=2\implies1\leq u_{n+1}\leq2.$$ **Conclusion.** D'après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout $n\in\mathbb{N}$ : $1\leq u_n\leq2$. </div></details> **2)** *(0.5 pt)* Montrer que la suite $(u_n)$ est décroissante (on pourra utiliser la question II-4)c)). <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> D'après II-4)c), $f(x)\leq x$ sur $[1,2]$. Or $u_n\in[1,2]$, donc $u_{n+1}=f(u_n)\leq u_n$. Ainsi $(u_n)$ est décroissante. </div></details> **3)** *(0.75 pt)* En déduire que la suite $(u_n)$ est convergente et déterminer sa limite. <details class="sol"><summary>Voir la solution</summary><div class="box solution"> $(u_n)$ est décroissante et minorée par $1$, donc convergente. Soit $\ell=\lim u_n\in[1,2]$. Par continuité : $\ell=f(\ell)$, soit $\ell=1$ ou $\ell=2$. Comme $(u_n)$ est décroissante et $u_0=\sqrt{3}<2$, on a $\ell\leq\sqrt{3}<2$, donc $\ell=1$. Ainsi $\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=1$. </div></details> </div> <p><a href="/2bac-se/examens-nationaux/">← Tous les examens nationaux</a></p>