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Examen national du baccalauréat — Session normale 2025
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales — Parcours : Sciences de la Vie et de la Terre et Sciences Physiques (option française)
Code NS-22F — Durée : 3 h — Coefficient : 7
Instructions générales
L’utilisation de la calculatrice non programmable est autorisée ;
Le candidat peut traiter les exercices et le problème 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
Nombres complexes
3.5 points
Exercice 3
Calcul des probabilités
2.5 points
Problème
Etude de fonctions numériques, suites numériques et calcul intégral
11 points
Notations
On désigne par z le conjugué du nombre complexe z et par ∣z∣ son module.
ln désigne la fonction logarithme népérien.
e est le nombre réel tel que ln(e)=1.
Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O,i,j,k), on considère les points A(0,0,2), B(2,0,0) et la sphère (S) de centre O et de rayon R=2
1) a)(0.25 pt) Déterminer l’équation cartésienne de la sphère (S)
Voir la solution
M(x,y,z)∈(S)⟺OM2=R2⟺x2+y2+z2=4.
Une équation cartésienne de (S) est donc x2+y2+z2−4=0.
b)(0.5 pt) Vérifier que les points A et B appartiennent à la sphère (S)
Voir la solution
02+02+22=4, donc A∈(S) ; 22+02+02=4, donc B∈(S).
2) Soit I le milieu du segment [AB].
a)(0.25 pt) Déterminer l’intersection du plan (OAB) avec la sphère (S)
Voir la solution
Le plan (OAB) passe par le centre O de la sphère (les points O, A, B ne sont pas alignés car OA(0,0,2) et OB(2,0,0) ne sont pas colinéaires). Donc d(O,(OAB))=0<R et l’intersection est le cercle de centre O et de rayon R=2 (grand cercle de (S)).
(Les trois points ont une ordonnée nulle : (OAB) est le plan d’équation y=0.)
b)(0.5 pt) Vérifier que OI.AB=0 puis montrer que d(O,(AB))=2
Voir la solution
I(20+2,20+0,22+0)=I(1,0,1), donc OI(1,0,1) ; et AB(2,0,−2).
OI.AB=1×2+0×0+1×(−2)=0.
Donc (OI)⊥(AB) avec I∈(AB) : I est le projeté orthogonal de O sur (AB), d’où
d(O,(AB))=OI=12+02+12=2.
3) On considère un point M(0,m,0) de l’espace, où m∈R
a)(0.5 pt) Vérifier que AB∧AM=2mi+4j+2mk
Voir la solution
AB(2,0,−2) et AM(0,m,−2), donc
AB∧AM=0−2m−2i−2−20−2j+200mk=(0+2m)i−(−4−0)j+(2m−0)k=2mi+4j+2mk.
b)(0.25 pt) Déduire que mx+2y+mz−2m=0 est une équation cartésienne du plan (ABM)
Voir la solution
AB∧AM=0 (sa deuxième coordonnée vaut 4), donc A, B, M ne sont pas alignés et AB∧AM=2(mi+2j+mk) : le vecteur n(m,2,m) est normal au plan (ABM).
Une équation est mx+2y+mz+d=0 ; avec B(2,0,0) : 2m+d=0, soit d=−2m.
4) Le plan (ABM) coupe la sphère (S) suivant un cercle (Γm) de rayon r
(0.5 pt) Montrer que r=2+2+m24 et déduire que 2<r≤2, pour tout m∈R
Voir la solution
Avec d=d(O,(ABM)) :
r2=R2−d2=4−4+2m24m2=4+2m216+8m2−4m2=4+2m216+4m2=2+m28+2m2=2+m22(2+m2)+4=2+2+m24.
Donc r=2+2+m24.
Pour tout m∈R : 2+m2≥2, donc 0<2+m24≤2, d’où 2<r2≤4, donc 2<r≤2.
Exercice 2 — Nombres complexes (3.5 points)
Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v), on considère les points A, B, C, D et Ω d’affixes respectives a=1+2i, b=a, c=23(3+i), d=23(1+i) et ω=25
1) a)(0.5 pt) Vérifier que a+b=2 et déduire que l’affixe du point P, milieu du segment [AB] est p=1
Voir la solution
b=a=1−2i, donc a+b=1+2i+1−2i=2.
P est le milieu de [AB] : p=2a+b=22=1.
b)(0.5 pt) Montrer que a et b sont les solutions de l’équation : z2−2z+5=0 dans l’ensemble C
Voir la solution
Le discriminant est Δ=(−2)2−4×1×5=−16=(4i)2<0. L’équation admet deux solutions complexes conjuguées :
z1=22+4i=1+2i=aetz2=22−4i=1−2i=b.
2) a)(0.5 pt) Vérifier que ∣ω−a∣=∣ω−b∣=∣ω−c∣
Voir la solution
ω−a=25−1−2i=23−2i, donc ∣ω−a∣=49+4=425=25 ;
ω−b=ω−a (car ω est réel), donc ∣ω−b∣=∣ω−a∣=25 ;
ω−c=25−29−23i=−2−23i, donc ∣ω−c∣=4+49=25.
Donc ∣ω−a∣=∣ω−b∣=∣ω−c∣=25.
b)(0.25 pt) Déduire que Ω est le centre du cercle circonscrit au triangle ABC
Voir la solution
D’après 2.a : ΩA=ΩB=ΩC=25. Le point Ω est équidistant des trois sommets du triangle ABC : c’est le centre du cercle circonscrit à ce triangle (de rayon 25).
3) a)(0.25 pt) Vérifier que a−bd−c=43i
Voir la solution
d−c=23+3i−9−3i=−3 et a−b=4i, donc
a−bd−c=4i−3=4−3×(−i)=43i.
b)(0.5 pt) Montrer que d−b=(c−a)ei2π puis déduire que les droites (DB) et (AC) sont perpendiculaires
Voir la solution
d−b=23+23i−1+2i=21+27i et c−a=29+23i−1−2i=27−21i.
(c−a)ei2π=i(27−21i)=27i+21=d−b.
Donc c−ad−b=ei2π, d’où (AC,BD)≡2π[2π] : les droites (DB) et (AC) sont perpendiculaires.
4) Soit h l’homothétie de centre C et de rapport 32 et qui transforme chaque point M du plan d’affixe z en un point M′ d’affixe z′. On pose h(P)=G
a)(0.25 pt) Vérifier que z′=32z+23+21i
Voir la solution
L’écriture complexe de h est z′−c=32(z−c), donc
z′=32z+31c=32z+31×29+3i=32z+23+21i.
b)(0.25 pt) Montrer que l’affixe du point G est g=613+21i
5)(0.5 pt) Montrer que les points Ω, G et D sont alignés.
Voir la solution
g−ω=613−615+21i=−31+21i et d−ω=23−25+23i=−1+23i=3(−31+21i).
Donc g−ωd−ω=3∈R : les points Ω, G et D sont alignés.
Remarque : d’après 3.a et 3.b, (DC)⊥(AB) et (DB)⊥(AC) : D est l’orthocentre du triangle ABC ; G en est le centre de gravité (CG=32CP avec P milieu de [AB]) ; Ω est le centre du cercle circonscrit. On retrouve la droite d’Euler.
Exercice 3 — Calcul des probabilités (2.5 points)
Une urne contient six boules indiscernables au toucher :
Quatre boules blanches numérotées : 0 ; 1 ; 1 ; 1 et deux boules noires numérotées : 0 ; 1
On tire au hasard et simultanément deux boules de l’urne.
On considère les évènements suivants :
A « Les deux boules tirées portent le numéro 1 »
B « Les deux boules tirées sont de même couleur »
1) a)(0.5 pt) Montrer que p(A)=52
Voir la solution
Un tirage est une combinaison de 2 boules parmi 6 : cardΩ=C62=15 tirages équiprobables.
Il y a 4 boules numérotées 1 (trois blanches et une noire) : p(A)=C62C42=156=52.
b)(0.5 pt) Montrer que p(B)=157
Voir la solution
Deux blanches (C42=6) ou deux noires (C22=1) : p(B)=156+1=157.
c)(0.5 pt) Les évènements A et B sont – ils indépendants ? justifier.
Voir la solution
A∩B : « deux boules de même couleur portant le numéro 1 » : ce sont deux des trois boules blanches numérotées 1 (une seule noire porte le 1) : p(A∩B)=15C32=153=51.
Or p(A)×p(B)=52×157=7514 et 51=7515=7514.
Donc p(A∩B)=p(A)×p(B) : les évènements A et B ne sont pas indépendants.
2) On répète l’expérience précédente trois fois successives. On considère la variable aléatoire X indiquant le nombre de fois que l’on réalise l’événement A.
a)(0.75 pt) Recopier et compléter le tableau ci-dessous, représentant la loi de probabilités de X
X=xi
0
1
2
3
p(X=xi)
12527
Voir la solution
On répète 3 fois, dans les mêmes conditions (les boules sont remises dans l’urne entre deux expériences), une épreuve dont la probabilité de « succès » (A) est p=52. X suit la loi binomiale de paramètres n=3 et p=52 :
p(X=k)=C3k(52)k(53)3−k,k∈{0,1,2,3}.
p(X=0)=(53)3=12527 ;
p(X=1)=3×52×259=12554 ;
p(X=2)=3×254×53=12536 ;
p(X=3)=(52)3=1258.
X=xi
0
1
2
3
p(X=xi)
12527
12554
12536
1258
Contrôle : 27+54+36+8=125.
b)(0.25 pt) Calculer l’espérance E(X) de la variable aléatoire X
Voir la solution
E(X)=0×12527+1×12554+2×12536+3×1258=12554+72+24=125150=56.
(On retrouve E(X)=np=3×52=56.)
Exercice 4 — Problème (11 points)
Partie I : Le graphique ci-contre représente les courbes (Cg) et (Ch) des fonctions : g:x↦x2 et h:x↦2lnx−(lnx)2 sur l’intervalle ]0,+∞[ dans un même repère orthonormé.
1) a)(0.25 pt) Justifier graphiquement que pour tout x de ]0,+∞[ : g(x)−h(x)>0
Voir la solution
Sur ]0,+∞[, la courbe (Cg) est strictement au-dessus de la courbe (Ch) (les deux courbes ne se rencontrent pas). Donc pour tout x>0 : g(x)>h(x), c’est-à-dire g(x)−h(x)>0.
b)(0.5 pt) Déduire que pour tout x de ]0,+∞[ : x22lnx−(lnx)2<1
Voir la solution
Pour x>0 : h(x)<g(x)=x2, et en divisant par x2>0 : x22lnx−(lnx)2<1.
2) a)(0.5 pt) Vérifier que la fonction H:x↦xlnx−x est une primitive de la fonction x↦lnx sur l’intervalle ]0,+∞[, puis déduire que ∫1e2ln(x)dx=1+e2
Voir la solution
H est dérivable sur ]0,+∞[ et H′(x)=1×lnx+x×x1−1=lnx. Donc H est une primitive de x↦lnx sur ]0,+∞[.
∫1e2ln(x)dx=H(e2)−H(1)=(2e2−e2)−(0−1)=e2+1.
b)(0.5 pt) En utilisant une intégration par parties, montrer que ∫1e2(lnx)2dx=2e2−2
Voir la solution
On pose u(x)=(lnx)2 et v′(x)=1 : u′(x)=x2lnx et v(x)=x (u, v dérivables à dérivées continues sur [1,e2]).
∫1e2(lnx)2dx=[x(lnx)2]1e2−∫1e2x×x2lnxdx=4e2−0−2∫1e2lnxdx=4e2−2(1+e2)=2e2−2.
c)(0.5 pt) Résoudre sur l’intervalle ]0,+∞[, l’équation h(x)=0 et déduire les deux points d’intersection de la courbe (Ch) avec l’axe des abscisses.
Voir la solution
Pour x>0 : h(x)=lnx(2−lnx), donc
h(x)=0⟺lnx=0oulnx=2⟺x=1oux=e2.S={1;e2}. La courbe (Ch) coupe l’axe des abscisses aux points (1,0) et (e2,0).
d)(0.5 pt) Déduire, en unité d’aire, l’aire de la partie du plan délimitée par la courbe (Ch), l’axe des abscisses, et les droites d’équations x=1 et x=e2.
Voir la solution
Pour x∈[1,e2] : 0≤lnx≤2, donc h(x)=lnx(2−lnx)≥0. L’aire cherchée est :
A=∫1e2h(x)dx=2∫1e2lnxdx−∫1e2(lnx)2dx=2(1+e2)−(2e2−2)=4u.a.
Partie II :
On considère la fonction numérique f définie sur ]0,+∞[ par f(x)=x−x(lnx)2
Soit (Cf) sa courbe représentative dans un repère orthonormé (O,i,j)
1) a)(0.5 pt) Vérifier que x→0+limf(x)=−∞ et donner une interprétation géométrique de ce résultat.
Voir la solution
x→0+lim(lnx)2=+∞ et x→0+limx1=+∞, donc x→0+limx(lnx)2=+∞. Comme x→0+limx=0 : x→0+limf(x)=−∞.
Interprétation : la droite d’équation x=0 (l’axe des ordonnées) est une asymptote verticale à (Cf).
b)(0.5 pt) Montrer que x→+∞limx(lnx)2=0 (On peut poser t=x ), puis calculer x→+∞limf(x)
Voir la solution
On pose t=x : x=t2, lnx=2lnt, et t→+∞ quand x→+∞.
x(lnx)2=t24(lnt)2=4(tlnt)2t→+∞4×02=0.
Donc x→+∞limx(lnx)2=0 et x→+∞limf(x)=+∞−0=+∞.
c)(0.5 pt) Déduire que la droite d’équation y=x est une asymptote oblique de (Cf) au voisinage de +∞
Donc la droite d’équation y=x est une asymptote oblique de (Cf) au voisinage de +∞.
2) a)(0.75 pt) Montrer que pour tout x de ]0,+∞[, f′(x)=1−x22lnx−(lnx)2
Voir la solution
f est dérivable sur ]0,+∞[ et, pour tout x>0 :
(x(lnx)2)′=x22lnx×x1×x−(lnx)2×1=x22lnx−(lnx)2.
Donc f′(x)=1−x22lnx−(lnx)2.
b)(0.5 pt) Montrer que la fonction f est strictement croissante sur l’intervalle ]0,+∞[ (On peut utiliser la question Partie I-1-b)
Voir la solution
D’après la partie I (1.b), pour tout x>0 : x22lnx−(lnx)2<1, donc f′(x)>0.
Donc f est strictement croissante sur ]0,+∞[.
3) a)(0.5 pt) Montrer que l’équation f(x)=0 admet une solution unique α dans l’intervalle ]0,+∞[.
Voir la solution
f est continue et strictement croissante sur ]0,+∞[, donc c’est une bijection de ]0,+∞[ sur
f(]0,+∞[)=]limx→0+f(x),limx→+∞f(x)[=]−∞,+∞[.
Comme 0∈R, l’équation f(x)=0 admet une solution unique α dans ]0,+∞[.
b)(0.75 pt) Vérifier que e−1<α<1 et montrer que lnα=−α.
Voir la solution
f(e−1)=e−1−e−1(−1)2=e1−e<0 et f(1)=1−0=1>0.
Donc f(e−1)<f(α)=0<f(1), donc e−1<α<1.
f(α)=0⟺α=α(lnα)2⟺(lnα)2=α2⟺∣lnα∣=α (car α>0).
Or α<1, donc lnα<0 et ∣lnα∣=−lnα. Donc −lnα=α, c’est-à-dire lnα=−α.
(Valeur approchée : α≈0,567.)
c)(0.25 pt) Montrer que f(x)≤x, pour tout x∈]0,+∞[
Voir la solution
Pour tout x>0 : f(x)−x=−x(lnx)2≤0 (car (lnx)2≥0 et x>0). Donc f(x)≤x.
d)(0.5 pt) Montrer que y=x est l’équation de la tangente (T) à la courbe (Cf) au point d’abscisse 1
Voir la solution
f(1)=1−0=1 et f′(1)=1−10−0=1.
(T):y=f′(1)(x−1)+f(1)=(x−1)+1=x. Donc (T):y=x.
4) Le graphique ci-contre représente la courbe (Cf) dans le repère orthonormé (O,i;j).
Soit φ la restriction de f sur l’intervalle ]0,1]
a)(0.5 pt) Montrer que φ admet une fonction réciproque φ−1 définie sur un intervalle J que l’on déterminera. (Il n’est pas demandé de déterminer l’expression φ−1(x) )
Voir la solution
φ est continue et strictement croissante sur I=]0,1] (question 2.b). Elle admet donc une fonction réciproque φ−1 définie sur
J=φ(I)=]limx→0+φ(x),φ(1)]=]−∞,1].
b)(0.5 pt) Montrer que φ−1 est dérivable en 0 et que (φ−1)′(0)=2+2αα
Voir la solution
α∈]0,1] et φ(α)=0, donc φ−1(0)=α. Avec lnα=−α :
φ′(α)=1−α22lnα−(lnα)2=1−α2−2α−α2=1+α2+1=α2α+2=0.φ est dérivable en α et φ′(α)=0, donc φ−1 est dérivable en φ(α)=0 et
(φ−1)′(0)=φ′(φ−1(0))1=φ′(α)1=2+2αα.
c)(0.75 pt) Recopier la courbe de φ et construire la courbe de φ−1 dans le repère (O,i,j).
Voir la solution
La courbe de φ est la partie de (Cf) d’abscisses dans ]0,1] ; elle s’arrête au point (1,1) où elle est tangente à la droite y=x. Dans le repère orthonormé, la courbe de φ−1 est sa symétrique par rapport à la droite d’équation y=x : elle passe par (0,α) et (1,1), et admet l’axe des abscisses comme asymptote au voisinage de −∞.
Partie III :
Soit (un) la suite numérique définie par u0=e et un+1=f(un), pour tout n de N
1)(0.5 pt) Montrer par récurrence que 1<un, pour tout n de N
Voir la solution
Pour n∈N, on note P(n) : « 1<un ».
Initialisation. Pour n=0 : u0=e>1 : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N. On suppose 1<un et on montre que 1<un+1.
1<un⟹f(1)<f(un), c’est-à-dire 1<un+1 (car f(1)=1) : P(n+1) est vraie.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : 1<un.
2) a)(0.5 pt) Montrer que la suite (un) est décroissante. (On peut utiliser la question Partie II-3-c)
Voir la solution
Soit n∈N. un∈]0,+∞[, donc d’après la partie II (3.c) : f(un)≤un, c’est-à-dire un+1≤un.
Donc la suite (un) est décroissante.
b)(0.25 pt) En déduire que la suite (un) est convergente.
Voir la solution
La suite (un) est décroissante et minorée par 1 : elle est convergente.
c)(0.5 pt) Déterminer la limite de la suite (un).
Voir la solution
Soit ℓ la limite ; comme 1<un≤u0=e, on a 1≤ℓ≤e.
f est continue sur I=[1,+∞[ ;
f(I)=[f(1),limx→+∞f(x)[=[1,+∞[⊂I ;
u0=e∈I et (un) est convergente.
Donc ℓ est solution dans I de l’équation f(x)=x⟺x(lnx)2=0⟺lnx=0⟺x=1.