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Examen national 2020 — Session normale

2BAC PC SVT · Mathématiques

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Examen national du baccalauréat — Session normale 2020

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 suivants les domaines comme suit :

DomaineBarème
Exercice 1Suites numériques4 points
Exercice 2Nombres complexes5 points
Exercice 3Limites, dérivabilité et calcul intégral4 points
ProblèmeEtude d’une fonction numérique7 points

Exercice 1 — Suites numériques (4 points)

Soit (un)(u_n) la suite numérique définie par : u0=32u_0=\dfrac{3}{2} et un+1=2un2un+5u_{n+1}=\dfrac{2u_n}{2u_n+5} pour tout nn de N\mathbb{N}

1) (0.25 pt) Calculer u1u_1

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u1=2u02u0+5=2×322×32+5=33+5=38.u_1=\frac{2u_0}{2u_0+5}=\frac{2\times\frac{3}{2}}{2\times\frac{3}{2}+5}=\frac{3}{3+5}=\frac{3}{8}.

2) (0.5 pt) Montrer par récurrence que pour tout nn de N\mathbb{N}, un>0u_n>0

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Initialisation. Pour n=0n=0 : u0=32>0u_0=\dfrac{3}{2}>0. La propriété est vraie au rang 00.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. Supposons un>0u_n>0 et montrons un+1>0u_{n+1}>0.

Comme un>0u_n>0, on a 2un>02u_n>0 et 2un+5>5>02u_n+5>5>0, donc un+1=2un2un+5>0u_{n+1}=\dfrac{2u_n}{2u_n+5}>0.

Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : un>0u_n>0.

3) a) (1 pt) Montrer que pour tout nn de N\mathbb{N}, 0<un+1≤25un0<u_{n+1}\leq\dfrac{2}{5}u_n. Puis en déduire que pour tout nn de N\mathbb{N}, 0<un≤32(25)n0<u_n\leq\dfrac{3}{2}\left(\dfrac{2}{5}\right)^n

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Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. D’après 2), un>0u_n>0, donc un+1>0u_{n+1}>0. On compare un+1u_{n+1} et 25un\dfrac{2}{5}u_n : un+1−25un=2un2un+5−25un=10un−2un(2un+5)5(2un+5)=10un−4un2−10un5(2un+5)=−4un25(2un+5).u_{n+1}-\frac{2}{5}u_n=\frac{2u_n}{2u_n+5}-\frac{2}{5}u_n=\frac{10u_n-2u_n(2u_n+5)}{5(2u_n+5)}=\frac{10u_n-4u_n^2-10u_n}{5(2u_n+5)}=\frac{-4u_n^2}{5(2u_n+5)}. Or un>0u_n>0, donc −4un2<0-4u_n^2<0 et 5(2un+5)>05(2u_n+5)>0, d’où un+1−25un≤0u_{n+1}-\dfrac{2}{5}u_n\leq0, soit un+1≤25unu_{n+1}\leq\dfrac{2}{5}u_n.

Ainsi, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : 0<un+1≤25un0<u_{n+1}\leq\dfrac{2}{5}u_n.

Encadrement. Montrons par récurrence que pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, 0<un≤32(25)n0<u_n\leq\dfrac{3}{2}\left(\dfrac{2}{5}\right)^n.

Initialisation. Pour n=0n=0 : u0=32u_0=\dfrac{3}{2} et 32(25)0=32\dfrac{3}{2}\left(\dfrac{2}{5}\right)^0=\dfrac{3}{2}, donc 0<u0≤320<u_0\leq\dfrac{3}{2}.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. Supposons 0<un≤32(25)n0<u_n\leq\dfrac{3}{2}\left(\dfrac{2}{5}\right)^n. D’après ce qui précède : 0<un+1≤25un≤25×32(25)n=32(25)n+1.0<u_{n+1}\leq\frac{2}{5}u_n\leq\frac{2}{5}\times\frac{3}{2}\left(\frac{2}{5}\right)^n=\frac{3}{2}\left(\frac{2}{5}\right)^{n+1}.

Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : 0<un≤32(25)n0<u_n\leq\dfrac{3}{2}\left(\dfrac{2}{5}\right)^n.

b) (0.5 pt) Calculer lim⁡n→+∞un\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n

Voir la solution

Pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : 0<un≤32(25)n0<u_n\leq\dfrac{3}{2}\left(\dfrac{2}{5}\right)^n.

Or −1<25<1-1<\dfrac{2}{5}<1, donc lim⁡n→+∞(25)n=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\left(\dfrac{2}{5}\right)^n=0, et lim⁡n→+∞32(25)n=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\dfrac{3}{2}\left(\dfrac{2}{5}\right)^n=0.

D’après le théorème d’encadrement : lim⁡n→+∞un=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=0.

4) On considère la suite numérique (vn)(v_n) définie par : vn=4un2un+3v_n=\dfrac{4u_n}{2u_n+3} pour tout nn de N\mathbb{N}

a) (0.75 pt) Montrer que (vn)(v_n) est une suite géométrique de raison 25\dfrac{2}{5}

Voir la solution

Comme un>0u_n>0, on a 2un+3>02u_n+3>0 et vnv_n est bien défini. Soit n∈Nn\in\mathbb{N} : vn+1=4un+12un+1+3=4⋅2un2un+52⋅2un2un+5+3=8un2un+54un+3(2un+5)2un+5=8un4un+6un+15=8un10un+15.v_{n+1}=\frac{4u_{n+1}}{2u_{n+1}+3}=\frac{4\cdot\dfrac{2u_n}{2u_n+5}}{2\cdot\dfrac{2u_n}{2u_n+5}+3}=\frac{\dfrac{8u_n}{2u_n+5}}{\dfrac{4u_n+3(2u_n+5)}{2u_n+5}}=\frac{8u_n}{4u_n+6u_n+15}=\frac{8u_n}{10u_n+15}. Donc vn+1=8un5(2un+3)=25×4un2un+3=25vn.v_{n+1}=\frac{8u_n}{5(2u_n+3)}=\frac{2}{5}\times\frac{4u_n}{2u_n+3}=\frac{2}{5}v_n. La suite (vn)(v_n) est donc géométrique de raison 25\dfrac{2}{5}.

b) (1 pt) Déterminer vnv_n en fonction de nn, et en déduire unu_n en fonction de nn

Voir la solution

v0=4u02u0+3=4×323+3=66=1v_0=\dfrac{4u_0}{2u_0+3}=\dfrac{4\times\frac{3}{2}}{3+3}=\dfrac{6}{6}=1.

Donc, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : vn=v0(25)n=(25)nv_n=v_0\left(\dfrac{2}{5}\right)^n=\left(\dfrac{2}{5}\right)^n.

De vn=4un2un+3v_n=\dfrac{4u_n}{2u_n+3} on tire vn(2un+3)=4unv_n(2u_n+3)=4u_n, soit 2unvn+3vn=4un2u_nv_n+3v_n=4u_n, d’où un(4−2vn)=3vnu_n(4-2v_n)=3v_n.

Comme vn=(25)n≤1<21v_n=\left(\dfrac{2}{5}\right)^n\leq1<\dfrac{2}{1}, on a 4−2vn≠04-2v_n\neq0, et un=3vn4−2vn=3(25)n2(2−(25)n)=32⋅(25)n2−(25)npour tout n∈N.u_n=\frac{3v_n}{4-2v_n}=\frac{3\left(\dfrac{2}{5}\right)^n}{2\left(2-\left(\dfrac{2}{5}\right)^n\right)}=\frac{3}{2}\cdot\frac{\left(\dfrac{2}{5}\right)^n}{2-\left(\dfrac{2}{5}\right)^n}\quad\text{pour tout }n\in\mathbb{N}.

Exercice 2 — Nombres complexes (5 points)

1) Dans l’ensemble C\mathbb{C} des nombres complexes, on considère l’équation : (E): z2−2(2+6)z+16=0(E):\ z^2-2\left(\sqrt{2}+\sqrt{6}\right)z+16=0

a) (0.5 pt) Vérifier que le discriminant de l’équation (E)(E) est Δ=−4(6−2)2\Delta=-4\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)^2

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Δ=[2(2+6)]2−4×16=4(2+212+6)−64=4(8+43)−64=32+163−64=−32+163.\Delta=\left[2\left(\sqrt{2}+\sqrt{6}\right)\right]^2-4\times16=4\left(2+2\sqrt{12}+6\right)-64=4\left(8+4\sqrt{3}\right)-64=32+16\sqrt{3}-64=-32+16\sqrt{3}. D’autre part : −4(6−2)2=−4(6−212+2)=−4(8−43)=−32+163.-4\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)^2=-4\left(6-2\sqrt{12}+2\right)=-4\left(8-4\sqrt{3}\right)=-32+16\sqrt{3}. Donc Δ=−4(6−2)2\Delta=-4\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)^2.

b) (1 pt) En déduire les solutions de l’équation (E)(E)

Voir la solution

Δ=−4(6−2)2<0\Delta=-4\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)^2<0 (car 6≠2\sqrt{6}\neq\sqrt{2}). Les solutions sont z=2(2+6)±2i(6−2)2=(2+6)±i(6−2).z=\frac{2\left(\sqrt{2}+\sqrt{6}\right)\pm2i\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)}{2}=\left(\sqrt{2}+\sqrt{6}\right)\pm i\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right). Donc S={(6+2)+i(6−2) ; (6+2)−i(6−2)}S=\left\{\left(\sqrt{6}+\sqrt{2}\right)+i\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)\,;\,\left(\sqrt{6}+\sqrt{2}\right)-i\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)\right\}.

(Remarque : l’énoncé écrit 2+6\sqrt{2}+\sqrt{6} pour la partie réelle ; c’est le même nombre.)

2) Soient les nombres complexes a=(6+2)+i(6−2)a=\left(\sqrt{6}+\sqrt{2}\right)+i\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right), b=1+i3b=1+i\sqrt{3} et c=2+i2c=\sqrt{2}+i\sqrt{2}

a) (0.75 pt) Vérifier que bc‾=ab\overline{c}=a, puis en déduire que ac=4bac=4b

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c‾=2−i2\overline{c}=\sqrt{2}-i\sqrt{2}, donc \begin{align*} b\overline{c}&=(1+i\sqrt{3})(\sqrt{2}-i\sqrt{2})\ &=\sqrt{2}-i\sqrt{2}+i\sqrt{6}+\sqrt{6}\ &=\left(\sqrt{6}+\sqrt{2}\right)+i\left(\sqrt{6}-\sqrt{2}\right)=a. \end{align*}

De bc‾=ab\overline{c}=a, en multipliant par cc : b∣c∣2=acb|c|^2=ac. Or ∣c∣2=(2)2+(2)2=4|c|^2=(\sqrt{2})^2+(\sqrt{2})^2=4, donc ac=4bac=4b.

b) (0.5 pt) Ecrire les nombres complexes bb et cc sous forme trigonométrique

Voir la solution

∣b∣=1+3=2|b|=\sqrt{1+3}=2 et b=2(12+i32)=2(cos⁡π3+isin⁡π3)b=2\left(\dfrac{1}{2}+i\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)=2\left(\cos\dfrac{\pi}{3}+i\sin\dfrac{\pi}{3}\right).

∣c∣=2+2=2|c|=\sqrt{2+2}=2 et c=2(22+i22)=2(cos⁡π4+isin⁡π4)c=2\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}+i\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)=2\left(\cos\dfrac{\pi}{4}+i\sin\dfrac{\pi}{4}\right).

c) (0.5 pt) En déduire que : a=4(cos⁡π12+isin⁡π12)a=4\left(\cos\dfrac{\pi}{12}+i\sin\dfrac{\pi}{12}\right)

Voir la solution

D’après 2.a) : ac=4bac=4b, donc a=4bca=\dfrac{4b}{c} (car c≠0c\neq0). a=4⋅2(cos⁡π3+isin⁡π3)2(cos⁡π4+isin⁡π4)=4(cos⁡(π3−π4)+isin⁡(π3−π4))=4(cos⁡π12+isin⁡π12).a=4\cdot\frac{2\left(\cos\frac{\pi}{3}+i\sin\frac{\pi}{3}\right)}{2\left(\cos\frac{\pi}{4}+i\sin\frac{\pi}{4}\right)}=4\left(\cos\left(\frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{4}\right)+i\sin\left(\frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{4}\right)\right)=4\left(\cos\frac{\pi}{12}+i\sin\frac{\pi}{12}\right).

3) Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O;u⃗,v⃗)(O;\vec{u},\vec{v}), on considère les points BB, CC et DD d’affixes respectives bb, cc et dd telle que d=a4d=a^4.

Soit zz l’affixe d’un point MM du plan et z′z' l’affixe de M′M' l’image de MM par la rotation RR de centre OO et d’angle π12\dfrac{\pi}{12}

a) (0.5 pt) Vérifier que z′=14azz'=\dfrac{1}{4}az

Voir la solution

M′=R(M)  ⟺  z′=eiπ12zM'=R(M)\iff z'=e^{i\frac{\pi}{12}}z. Or a=4eiπ12a=4e^{i\frac{\pi}{12}}, donc eiπ12=a4e^{i\frac{\pi}{12}}=\dfrac{a}{4} et z′=14azz'=\dfrac{1}{4}az.

b) (0.25 pt) Déterminer l’image du point CC par la rotation RR

Voir la solution

L’affixe de R(C)R(C) est c′=14acc'=\dfrac{1}{4}ac. Or ac=4bac=4b, donc c′=bc'=b : R(C)=BR(C)=B.

c) (0.25 pt) Déterminer la nature du triangle OBCOBC

Voir la solution

OB=∣b∣=2OB=|b|=2 et OC=∣c∣=2OC=|c|=2, donc OB=OCOB=OC : le triangle OBCOBC est isocèle en OO.

De plus, BOC^=arg⁡(bc)=π3−π4=π12\widehat{BOC}=\arg\left(\dfrac{b}{c}\right)=\dfrac{\pi}{3}-\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{\pi}{12} (ce qui est cohérent avec R(C)=BR(C)=B).

Ainsi, OBCOBC est un triangle isocèle en OO d’angle au sommet π12\dfrac{\pi}{12}.

Écart avec le corrigé de contrôle : celui-ci affirme à tort que OBCOBC est « rectangle et isocèle en OO » ; l’angle en OO vaut π12\dfrac{\pi}{12}, pas π2\dfrac{\pi}{2}.

d) (0.75 pt) Montrer que a4=128ba^4=128b et en déduire que les points OO, BB et DD sont alignés

Voir la solution

a4=(4eiπ12)4=44 eiπ3=256(cos⁡π3+isin⁡π3)=256⋅b2=128b.a^4=\left(4e^{i\frac{\pi}{12}}\right)^4=4^4\,e^{i\frac{\pi}{3}}=256\left(\cos\frac{\pi}{3}+i\sin\frac{\pi}{3}\right)=256\cdot\frac{b}{2}=128b. Or d=a4d=a^4, donc d=128bd=128b, soit db=128∈R\dfrac{d}{b}=128\in\mathbb{R}.

Ainsi OB→\overrightarrow{OB} et OD→\overrightarrow{OD} sont colinéaires, donc les points OO, BB et DD sont alignés.

Exercice 3 — Limites, dérivabilité et calcul intégral (4 points)

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

1) a) (0.5 pt) Montrer que pour tout xx de ]0,+∞[]0,+\infty[, g′(x)=x−1xg'(x)=\dfrac{\sqrt{x}-1}{x}

Voir la solution

gg est dérivable sur ]0,+∞[]0,+\infty[ (somme de fonctions dérivables). Pour tout x>0x>0 : g′(x)=22x−1x=1x−1x=x−1x.g'(x)=\frac{2}{2\sqrt{x}}-\frac{1}{x}=\frac{1}{\sqrt{x}}-\frac{1}{x}=\frac{\sqrt{x}-1}{x}.

b) (0.5 pt) Montrer que gg est croissante sur [1,+∞[[1,+\infty[

Voir la solution

Pour x≥1x\geq1 : x≥1\sqrt{x}\geq1, donc x−1≥0\sqrt{x}-1\geq0 et x>0x>0, d’où g′(x)≥0g'(x)\geq0.

Donc gg est croissante sur [1,+∞[[1,+\infty[.

c) (0.5 pt) En déduire que pour tout xx de [1,+∞[[1,+\infty[, 0≤ln⁡x≤2x0\leq\ln x\leq2\sqrt{x} (remarquer que 2x−2≤2x2\sqrt{x}-2\leq2\sqrt{x})

Voir la solution

Soit x≥1x\geq1. Comme gg est croissante sur [1,+∞[[1,+\infty[ et g(1)=2−2−ln⁡1=0g(1)=2-2-\ln1=0, on a g(x)≥g(1)=0g(x)\geq g(1)=0, soit 2x−2−ln⁡x≥02\sqrt{x}-2-\ln x\geq0, d’où ln⁡x≤2x−2\ln x\leq2\sqrt{x}-2.

Or 2x−2≤2x2\sqrt{x}-2\leq2\sqrt{x}, donc ln⁡x≤2x\ln x\leq2\sqrt{x}.

De plus x≥1x\geq1 implique ln⁡x≥0\ln x\geq0.

Donc, pour tout x∈[1,+∞[x\in[1,+\infty[ : 0≤ln⁡x≤2x0\leq\ln x\leq2\sqrt{x}.

d) (1 pt) Montrer que pour tout xx de [1,+∞[[1,+\infty[, 0≤(ln⁡x)3x2≤8x0\leq\dfrac{(\ln x)^3}{x^2}\leq\dfrac{8}{\sqrt{x}} et en déduire lim⁡x→+∞(ln⁡x)3x2\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{(\ln x)^3}{x^2}

Voir la solution

Soit x≥1x\geq1. D’après 1.c) : 0≤ln⁡x≤2x0\leq\ln x\leq2\sqrt{x}, d’où 0≤(ln⁡x)3≤(2x)3=8xx.0\leq(\ln x)^3\leq\left(2\sqrt{x}\right)^3=8x\sqrt{x}. En divisant par x2>0x^2>0 : 0≤(ln⁡x)3x2≤8xxx2=8x.0\leq\frac{(\ln x)^3}{x^2}\leq\frac{8x\sqrt{x}}{x^2}=\frac{8}{\sqrt{x}}.

Or lim⁡x→+∞8x=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{8}{\sqrt{x}}=0. D’après le théorème d’encadrement : lim⁡x→+∞(ln⁡x)3x2=0.\lim_{x\to+\infty}\frac{(\ln x)^3}{x^2}=0.

2) a) (0.75 pt) Montrer que la fonction G:x↦x(−1+43x−ln⁡x)G:x\mapsto x\left(-1+\dfrac{4}{3}\sqrt{x}-\ln x\right) est une primitive de gg sur ]0,+∞[]0,+\infty[

Voir la solution

GG est dérivable sur ]0,+∞[]0,+\infty[. Pour tout x>0x>0, en dérivant un produit : \begin{align*} G’(x)&=\left(-1+\frac{4}{3}\sqrt{x}-\ln x\right)+x\left(\frac{4}{3}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}-\frac{1}{x}\right)\ &=-1+\frac{4}{3}\sqrt{x}-\ln x+\frac{2}{3}\sqrt{x}-1\ &=2\sqrt{x}-2-\ln x=g(x). \end{align*} Donc GG est une primitive de gg sur ]0,+∞[]0,+\infty[.

b) (0.75 pt) Calculer l’intégrale ∫14g(x) dx\displaystyle\int_1^4 g(x)\,dx

Voir la solution

∫14g(x) dx=[G(x)]14=G(4)−G(1).\int_1^4 g(x)\,dx=\bigl[G(x)\bigr]_1^4=G(4)-G(1). G(4)=4(−1+43⋅2−ln⁡4)=4(−1+83−ln⁡4)=4(53−ln⁡4)=203−4ln⁡4G(4)=4\left(-1+\dfrac{4}{3}\cdot2-\ln4\right)=4\left(-1+\dfrac{8}{3}-\ln4\right)=4\left(\dfrac{5}{3}-\ln4\right)=\dfrac{20}{3}-4\ln4,

G(1)=1(−1+43−0)=13G(1)=1\left(-1+\dfrac{4}{3}-0\right)=\dfrac{1}{3}.

Donc ∫14g(x) dx=203−4ln⁡4−13=193−4ln⁡4\displaystyle\int_1^4 g(x)\,dx=\dfrac{20}{3}-4\ln4-\dfrac{1}{3}=\dfrac{19}{3}-4\ln4.

Exercice 4 — Problème (7 points)

On considère la fonction numérique ff définie sur R\mathbb{R} par : f(x)=−x+52−12ex−2(ex−2−4)f(x)=-x+\frac{5}{2}-\frac{1}{2}e^{x-2}\left(e^{x-2}-4\right)

On note (C)(C) sa courbe représentative dans un repère orthonormé (O;i⃗,j⃗)(O;\vec{i},\vec{j}) (unité : 2cm2cm)

1) (0.5 pt) Montrer que lim⁡x→−∞f(x)\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x) et lim⁡x→+∞f(x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)

Voir la solution

(L’énoncé officiel est elliptique : il demande de déterminer ces deux limites.)

Quand x→−∞x\to-\infty : −x+52→+∞-x+\dfrac{5}{2}\to+\infty et ex−2→0e^{x-2}\to0, donc 12ex−2(ex−2−4)→0\dfrac{1}{2}e^{x-2}(e^{x-2}-4)\to0.

D’où lim⁡x→−∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=+\infty.

Quand x→+∞x\to+\infty : −x+52→−∞-x+\dfrac{5}{2}\to-\infty et −12ex−2(ex−2−4)=−12e2(x−2)+2ex−2→−∞-\dfrac{1}{2}e^{x-2}(e^{x-2}-4)=-\dfrac{1}{2}e^{2(x-2)}+2e^{x-2}\to-\infty.

D’où lim⁡x→+∞f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=-\infty.

2) a) (0.5 pt) Démontrer que la droite (Δ)(\Delta) d’équation y=−x+52y=-x+\dfrac{5}{2} est une asymptotique à la courbe (C)(C) au voisinage de −∞-\infty

Voir la solution

(Coquille de l’énoncé : « asymptotique » pour « asymptote ».)

f(x)−(−x+52)=−12ex−2(ex−2−4).f(x)-\left(-x+\frac{5}{2}\right)=-\frac{1}{2}e^{x-2}\left(e^{x-2}-4\right). Quand x→−∞x\to-\infty : ex−2→0e^{x-2}\to0, donc lim⁡x→−∞(f(x)−(−x+52))=0\displaystyle\lim_{x\to-\infty}\left(f(x)-\left(-x+\frac{5}{2}\right)\right)=0.

Donc (Δ)(\Delta) est asymptote à (C)(C) au voisinage de −∞-\infty.

b) (0.75 pt) Résoudre l’équation ex−2−4=0e^{x-2}-4=0 puis montrer que la courbe (C)(C) est au dessus de (Δ)(\Delta) sur l’intervalle ]−∞,2+ln⁡4]]-\infty,2+\ln4] et en dessous de (Δ)(\Delta) sur l’intervalle [2+ln⁡4,+∞[[2+\ln4,+\infty[

Voir la solution

ex−2−4=0  ⟺  ex−2=4  ⟺  x−2=ln⁡4  ⟺  x=2+ln⁡4e^{x-2}-4=0\iff e^{x-2}=4\iff x-2=\ln4\iff x=2+\ln4.

f(x)−(−x+52)=−12ex−2(ex−2−4).f(x)-\left(-x+\frac{5}{2}\right)=-\frac{1}{2}e^{x-2}\left(e^{x-2}-4\right). Or −12ex−2<0-\dfrac{1}{2}e^{x-2}<0 pour tout xx. Le signe de f(x)−(−x+52)f(x)-\bigl(-x+\frac{5}{2}\bigr) est donc opposé à celui de ex−2−4e^{x-2}-4 :

  • si x≤2+ln⁡4x\leq2+\ln4 : ex−2−4≤0e^{x-2}-4\leq0, donc f(x)−(−x+52)≥0f(x)-\bigl(-x+\frac{5}{2}\bigr)\geq0 : (C)(C) est au-dessus de (Δ)(\Delta) ;
  • si x≥2+ln⁡4x\geq2+\ln4 : ex−2−4≥0e^{x-2}-4\geq0, donc f(x)−(−x+52)≤0f(x)-\bigl(-x+\frac{5}{2}\bigr)\leq0 : (C)(C) est en dessous de (Δ)(\Delta).

3) (0.5 pt) Montrer que lim⁡x→+∞f(x)x=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{x}=-\infty et interpréter géométriquement le résultat

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f(x)x=−1+52x−12xex−2(ex−2−4)=−1+52x−e2(x−2)2x+2ex−2x.\frac{f(x)}{x}=-1+\frac{5}{2x}-\frac{1}{2x}e^{x-2}\left(e^{x-2}-4\right)=-1+\frac{5}{2x}-\frac{e^{2(x-2)}}{2x}+\frac{2e^{x-2}}{x}. Quand x→+∞x\to+\infty : 52x→0\dfrac{5}{2x}\to0, 2ex−2x→+∞\dfrac{2e^{x-2}}{x}\to+\infty mais −e2(x−2)2x→−∞-\dfrac{e^{2(x-2)}}{2x}\to-\infty domine (croissance exponentielle plus rapide), donc lim⁡x→+∞f(x)x=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{f(x)}{x}=-\infty.

Comme lim⁡x→+∞f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=-\infty et lim⁡x→+∞f(x)x=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\dfrac{f(x)}{x}=-\infty, la courbe (C)(C) admet une branche parabolique de direction l’axe des ordonnées au voisinage de +∞+\infty.

4) a) (0.5 pt) Montrer que pour tout réel xx, f′(x)=−(ex−2−1)2f'(x)=-\left(e^{x-2}-1\right)^2

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ff est dérivable sur R\mathbb{R}. Posons u(x)=ex−2u(x)=e^{x-2}. Alors f(x)=−x+52−12u(u−4)=−x+52−12u2+2uf(x)=-x+\dfrac{5}{2}-\dfrac{1}{2}u(u-4)=-x+\dfrac{5}{2}-\dfrac{1}{2}u^2+2u, et u′=uu'=u. \begin{align*} f’(x)&=-1-u\cdot u+2u=-1-u^2+2u=-(u^2-2u+1)=-(u-1)^2\ &=-\left(e^{x-2}-1\right)^2. \end{align*}

b) (0.25 pt) Dresser le tableau de variations de la fonction ff

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Pour tout x∈Rx\in\mathbb{R} : f′(x)=−(ex−2−1)2≤0f'(x)=-\left(e^{x-2}-1\right)^2\leq0, et f′(x)=0  ⟺  ex−2=1  ⟺  x=2f'(x)=0\iff e^{x-2}=1\iff x=2.

Donc ff est strictement décroissante sur R\mathbb{R} (la dérivée s’annule en un seul point). f(2)=2f(2)=2.

x−∞2+∞f′(x)−0−f(x)+∞↘2↘−∞\begin{array}{|c|ccccc|}\hline x & -\infty & & 2 & & +\infty\\\hline f'(x) & & - & 0 & - & \\\hline f(x) & +\infty & \searrow & 2 & \searrow & -\infty\\\hline\end{array}

5) (0.75 pt) Calculer f′′(x)f''(x) pour tout réel xx, puis montrer que A(2,2)A(2,2) est un point d’inflexion de la courbe (C)(C)

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f′′(x)=−2(ex−2−1)⋅ex−2=−2ex−2(ex−2−1).f''(x)=-2\left(e^{x-2}-1\right)\cdot e^{x-2}=-2e^{x-2}\left(e^{x-2}-1\right). f′′(x)=0  ⟺  ex−2=1f''(x)=0\iff e^{x-2}=1 (car ex−2≠0e^{x-2}\neq0)   ⟺  x=2\iff x=2.

Sur ]−∞,2[]-\infty,2[ : ex−2−1<0e^{x-2}-1<0, donc f′′(x)>0f''(x)>0 ; sur ]2,+∞[]2,+\infty[ : f′′(x)<0f''(x)<0.

Ainsi f′′f'' s’annule et change de signe en x=2x=2, et f(2)=2f(2)=2 : A(2,2)A(2,2) est un point d’inflexion de (C)(C).

6) (0.5 pt) Montrer que l’équation f(x)=0f(x)=0 admet une solution unique α\alpha telle que 2+ln⁡3<α<2+ln⁡42+\ln3<\alpha<2+\ln4

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ff est continue et strictement décroissante sur R\mathbb{R}, avec lim⁡x→−∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=+\infty et lim⁡x→+∞f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=-\infty, donc l’équation f(x)=0f(x)=0 admet une unique solution α∈R\alpha\in\mathbb{R}.

Or f(2+ln⁡3)=2−ln⁡3>0f(2+\ln3)=2-\ln3>0 (car ln⁡3<2\ln3<2) et f(2+ln⁡4)=12−ln⁡4<0f(2+\ln4)=\dfrac{1}{2}-\ln4<0 (car ln⁡4>12\ln4>\dfrac{1}{2}).

Donc f(2+ln⁡3)×f(2+ln⁡4)<0f(2+\ln3)\times f(2+\ln4)<0, et comme ff est strictement décroissante : 2+ln⁡3<α<2+ln⁡42+\ln3<\alpha<2+\ln4.

7) (1 pt) Construire (C)(C) et (Δ)(\Delta) dans le repère (O;i⃗,j⃗)(O;\vec{i},\vec{j}) (on prend ln⁡2≃0,7\ln2\simeq0{,}7 et ln⁡3≃1,1\ln3\simeq1{,}1)

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On place : l’asymptote (Δ):y=−x+52(\Delta):y=-x+\dfrac{5}{2}, le point d’inflexion A(2,2)A(2,2) (tangente horizontale), le point d’intersection avec (Δ)(\Delta) d’abscisse 2+ln⁡4≃3,42+\ln4\simeq3{,}4, la racine α∈ ]3,1 ; 3,4[\alpha\in\,]3{,}1\,;\,3{,}4[, et la branche parabolique verticale en +∞+\infty.

Courbe $(C)$ et droite $(\Delta)$

8) a) (0.5 pt) Montrer que la fonction ff admet une fonction réciproque f−1f^{-1} définie sur R\mathbb{R}

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ff est continue et strictement décroissante sur R\mathbb{R}, et lim⁡x→−∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=+\infty, lim⁡x→+∞f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=-\infty.

Donc ff réalise une bijection de R\mathbb{R} sur R\mathbb{R}, et admet une fonction réciproque f−1f^{-1} définie sur R\mathbb{R}.

b) (0.75 pt) Construire dans le même repère (O;i⃗,j⃗)(O;\vec{i},\vec{j}) la courbe représentative de la fonction f−1f^{-1} (remarquer que la droite (Δ)(\Delta) est perpendiculaire à la première bissectrice du repère)

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La courbe de f−1f^{-1} est la symétrique de (C)(C) par rapport à la première bissectrice y=xy=x.

La droite (Δ):y=−x+52(\Delta):y=-x+\dfrac{5}{2} a pour pente −1-1, produit avec la pente 11 de y=xy=x égal à −1-1 : (Δ)(\Delta) est bien perpendiculaire à y=xy=x. Sa symétrique par rapport à y=xy=x est elle-même (c’est une médiatrice de segments joignant un point de (C)(C) à son symétrique).

Courbes $(C)$, $(\Delta)$ et $(C_{f^{-1}})$

c) (0.5 pt) Calculer (f−1)′(2−ln⁡3)\left(f^{-1}\right)'(2-\ln3) (remarquer que f−1(2−ln⁡3)=2+ln⁡3f^{-1}(2-\ln3)=2+\ln3)

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f−1(2−ln⁡3)=2+ln⁡3f^{-1}(2-\ln3)=2+\ln3 et ff est dérivable en 2+ln⁡32+\ln3 avec f′(2+ln⁡3)=−(eln⁡3−1)2=−(3−1)2=−4≠0.f'(2+\ln3)=-\left(e^{\ln3}-1\right)^2=-(3-1)^2=-4\neq0. Donc f−1f^{-1} est dérivable en 2−ln⁡32-\ln3 et (f−1)′(2−ln⁡3)=1f′(2+ln⁡3)=1−4=−14.\left(f^{-1}\right)'(2-\ln3)=\frac{1}{f'(2+\ln3)}=\frac{1}{-4}=-\frac{1}{4}.

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