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Examen national du baccalauréat — Session normale 2026
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 d’une calculatrice non programmable est autorisée ;
Le candidat peut traiter les exercices et le problème suivant l’ordre qui lui convient ;
Il est recommandé d’éviter l’usage de la couleur rouge dans la rédaction des solutions.
Composantes du sujet
L’épreuve est composée de trois exercices et d’un problème, indépendants entre eux, et répartis selon 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 note z le conjugué d’un nombre complexe z, et ∣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(−1,0,1), B(−3,2,2), C(−1,1,2) et D(2,7,−4).
Soit (Δ) la droite passant par le point D et dirigée par le vecteur u(2,1,2)
1.a.(0.5 pt) Montrer que AB∧AC=i+2j−2k
Voir la solution
On a AB(−3−(−1),2−0,2−1), soit AB(−2,2,1), et AC(−1−(−1),1−0,2−1), soit AC(0,1,1).
1.b.(0.25 pt) Déduire que x+2y−2z+3=0 est une équation cartésienne du plan (ABC)
Voir la solution
Le vecteur n=AB∧AC=i+2j−2k est non nul, donc les points A, B, C ne sont pas alignés et n(1,2,−2) est un vecteur normal au plan (ABC).
Une équation de (ABC) est donc de la forme x+2y−2z+d=0. Comme A(−1,0,1)∈(ABC) : −1+0−2+d=0, donc d=3.
Ainsi (ABC):x+2y−2z+3=0.
1.c.(0.5 pt) Calculer u.(AB∧AC) et déduire que la droite (Δ) est parallèle au plan (ABC)
Voir la solution
u.(AB∧AC)=2×1+1×2+2×(−2)=2+2−4=0.
Le vecteur directeur u de (Δ) est donc orthogonal au vecteur normal n du plan (ABC) : la droite (Δ) est parallèle au plan (ABC).
Remarque :2+2×7−2×(−4)+3=27=0, donc D∈/(ABC) : la droite (Δ) est strictement parallèle au plan (ABC).
2. Soit (S) la sphère de centre Ω(0,3,0) et tangente à la droite (Δ).
2.a.(0.5 pt) Vérifier que ΩD.u=0 et déduire que le rayon de la sphère (S) est égale à 6
Voir la solution
ΩD(2−0,7−3,−4−0), soit ΩD(2,4,−4), donc ΩD.u=2×2+4×1+(−4)×2=4+4−8=0.
Donc D est le projeté orthogonal de Ω sur la droite (Δ) (car D∈(Δ) et (ΩD)⊥(Δ)), d’où :
d(Ω,(Δ))=ΩD=22+42+(−4)2=36=6.
La sphère (S) est tangente à (Δ), donc son rayon est R=d(Ω,(Δ))=6 (et le point de contact est D).
2.b.(0.75 pt) Calculer d(Ω,(ABC)) et déduire que (ABC) coupe la sphère (S) suivant un cercle (Γ) de rayon r=33
Voir la solution
d(Ω,(ABC))=12+22+(−2)2∣0+2×3−2×0+3∣=39=3.
On a d(Ω,(ABC))=3<6=R, donc le plan (ABC) coupe la sphère (S) suivant un cercle (Γ) de rayon
r=R2−d2=36−9=27=33.
2.c.(0.5 pt) Vérifier que CΩ=AB∧AC et déduire que le point C est le centre du cercle (Γ).
Voir la solution
CΩ(0−(−1),3−1,0−2), soit CΩ(1,2,−2) : c’est bien AB∧AC.
Ainsi C∈(ABC) et CΩ est normal au plan (ABC) : C est le projeté orthogonal de Ω sur (ABC). Or le centre du cercle (Γ) est le projeté orthogonal du centre Ω de la sphère sur le plan (ABC) : donc C est le centre du cercle (Γ).
(Contrôle : ΩC=1+4+4=3=d(Ω,(ABC)).)
Exercice 2 — Nombres complexes (3.5 points)
On considère dans le plan complexe les points A, B et C d’affixes respectives :
a=23+21i,b=ei12πetc=1
1.a.(0.5 pt) Écrire le nombre complexe a sous forme trigonométrique.
Voir la solution
∣a∣=43+41=1, donc a=23+21i=cos6π+isin6π.
1.b.(0.5 pt) Vérifier que b2=a et que bb=1
Voir la solution
b2=(ei12π)2=ei122π=ei6π=a (d’après 1.a).
bb=∣b∣2=ei12π2=12=1.
1.c.(0.5 pt) Montrer que a−1=(2−3)i(a+1)
Voir la solution
On développe le membre de droite :
(2−3)i(a+1)=(2−3)i(22+3+21i)=2(2−3)(2+3)i−22−3.
Or (2−3)(2+3)=4−3=1, donc (2−3)i(a+1)=23−1+21i.
Et a−1=23−1+21i. Donc a−1=(2−3)i(a+1).
2. Soit T la translation de vecteur OC et D le point d’affixe d tel que T(A)=D
2.a.(0.5 pt) Vérifier que d=b(b+b) et déduire que les points O, B et D sont alignés.
Voir la solution
L’écriture complexe de T est z′=z+c=z+1. Donc d=a+1.
D’après 1.b : a=b2 et 1=bb, donc d=b2+bb=b(b+b).
Or b+b=2Re(b)=2cos12π est un réel, donc b−0d−0=2cos12π∈R : les points O, B et D sont alignés.
2.b.(0.5 pt) Déduire que arg(d)≡12π[2π]
Voir la solution
d=2cos12π×ei12π avec 2cos12π>0 (car 0<12π<2π).
C’est une forme exponentielle de d, donc ∣d∣=2cos12π et arg(d)≡12π[2π].
3.a.(0.5 pt) Vérifier que da−c=(2−3)i et déduire que les droites (AC) et (OD) sont perpendiculaires.
Voir la solution
Comme c=1 et d=a+1 : da−c=a+1a−1=(2−3)i d’après 1.c (et a+1=0).
Ce nombre est imaginaire pur non nul, donc (OD,CA)≡2π[π] : les droites (AC) et (OD) sont perpendiculaires.
3.b.(0.5 pt) Montrer que le quadrilatère OCDA est un losange.
Voir la solution
d=a+c, donc d−a=c−0, c’est-à-dire AD=OC : le quadrilatère OCDA est un parallélogramme.
De plus OA=∣a∣=1 et OC=∣c∣=1, donc OA=OC : deux côtés consécutifs sont égaux.
Un parallélogramme ayant deux côtés consécutifs égaux est un losange : OCDA est un losange. (On retrouve aussi que ses diagonales (AC) et (OD) sont perpendiculaires, question 3.a.)
Exercice 3 — Calcul des probabilités (2.5 points)
Une urne contient cinq boules blanches, quatre boules noires et deux boules vertes.
Toutes les boules sont indiscernables au toucher.
On tire au hasard et simultanément trois boules de l’urne.
On considère les évènements suivants :
A : « Les trois boules tirées sont de même couleur. »
B : « Tirer au moins une boule verte. »
1.a.(0.5 pt) Montrer que p(A)=16514
Voir la solution
L’urne contient 5+4+2=11 boules. Un tirage est une combinaison de 3 boules parmi 11 : cardΩ=C113=165, et les tirages sont équiprobables.
Trois boules de même couleur : trois blanches (C53=10 façons) ou trois noires (C43=4 façons) ; trois vertes est impossible (il n’y en a que deux).
p(A)=C113C53+C43=16510+4=16514.
1.b.(0.5 pt) Calculer p(B), la probabilité de l’événement contraire de B et déduire que p(B)=5527
Voir la solution
B : « Ne tirer aucune boule verte », c’est-à-dire tirer les 3 boules parmi les 9 boules non vertes :
p(B)=C113C93=16584=5528.
Donc p(B)=1−p(B)=1−5528=5527.
2.(0.5 pt) Calculer la probabilité p(A∪B).
Voir la solution
A∩B : « trois boules de même couleur dont au moins une verte » : il faudrait trois boules vertes, c’est impossible. Donc A∩B=∅ et p(A∩B)=0.
p(A∪B)=p(A)+p(B)−p(A∩B)=16514+16581−0=16595=3319.
3. On considère la variable aléatoire X qui associe à chaque tirage le nombre de boules vertes tirées.
3.a.(0.75 pt) Copier et compléter le tableau ci-dessous, qui représente la loi de probabilité de la variable aléatoire X
xi
0
1
2
p(X=xi)
Voir la solution
X prend les valeurs 0, 1 et 2.
p(X=0)=p(B)=C113C93=16584=5528 ;
p(X=1)=C113C21×C92=1652×36=16572=5524 ;
p(X=2)=C113C22×C91=1659=553.
xi
0
1
2
p(X=xi)
5528
5524
553
Contrôle : 5528+24+3=1.
3.b.(0.25 pt) Montrer que l’espérance de la variable aléatoire X est E(X)=116
Voir la solution
E(X)=0×5528+1×5524+2×553=5530=116.
Exercice 4 — Problème (11 points)
Partie I :
On considère les fonctions numériques g et h définies sur ]0,+∞[ par : g(x)=1−lnx et h(x)=x2ex−1
1.a.(0.5 pt) Calculer g(1) et h(1)
Voir la solution
g(1)=1−ln1=1−0=1 et h(1)=12×e0=1.
1.b.(0.5 pt) Résoudre l’équation g(x)=0 dans l’intervalle ]0,+∞[
Voir la solution
Pour x∈]0,+∞[ : g(x)=0⟺lnx=1⟺lnx=lne⟺x=e.
L’ensemble des solutions est S={e}.
2. Le graphique ci-dessous représente les courbes (Cg) et (Ch) des fonctions g et h dans un même repère orthonormé.
2.a.(0.5 pt) Justifier graphiquement que : pour tout x de ]0,1[ : h(x)−g(x)<0 et pour tout x de ]1,+∞[ : h(x)−g(x)>0
Voir la solution
Les courbes (Cg) et (Ch) se coupent au point d’abscisse 1 (d’après 1.a, g(1)=h(1)=1).
Sur ]0,1[, la courbe (Ch) est au-dessous de (Cg) : h(x)<g(x), donc h(x)−g(x)<0.
Sur ]1,+∞[, la courbe (Ch) est au-dessus de (Cg) : h(x)>g(x), donc h(x)−g(x)>0.
2.b.(0.5 pt) En utilisant une intégration par parties, montrer que : ∫1eg(x)dx=e−2
Voir la solution
On pose u(x)=1−lnx et v′(x)=1, d’où u′(x)=−x1 et v(x)=x (u et v sont dérivables à dérivées continues sur [1,e]).
∫1eg(x)dx=[x(1−lnx)]1e−∫1ex×(−x1)dx=(e(1−1)−1(1−0))+∫1e1dx=−1+(e−1)=e−2.
2.c.(0.75 pt) Vérifier que la fonction H:x↦ex−1(x2−2x+2) est une primitive de la fonction h sur ]0,+∞[, puis calculer ∫01h(x)dx
Voir la solution
H est dérivable sur ]0,+∞[ et :
H′(x)=ex−1(x2−2x+2)+ex−1(2x−2)=ex−1(x2−2x+2+2x−2)=x2ex−1=h(x).
Donc H est une primitive de h sur ]0,+∞[.
La formule x2ex−1 a un sens et définit une fonction continue sur [0,1], de primitive H (même calcul), donc :
∫01h(x)dx=H(1)−H(0)=e0(1−2+2)−e−1×2=1−e2.
2.d.(0.5 pt) Calculer l’aire du domaine hachuré sur le graphique précédent. (en unité d’aire)
Voir la solution
Le domaine hachuré est limité par l’axe des abscisses, la courbe (Ch) entre les abscisses 0 et 1, puis la courbe (Cg) entre les abscisses 1 et e (sur ces intervalles, h≥0 et g≥0 car lnx≤1 pour x≤e).
Partie II : On considère la fonction numérique f définie sur ]0,+∞[ par f(x)=ex−1−xlnx
Soit (Cf) sa courbe dans un repère orthonormé (O,i,j).
1.a.(0.5 pt) Vérifier que x→0+limf(x)=+∞, puis interpréter géométriquement ce résultat.
Voir la solution
x→0+limex−1=e−1 et x→0+limxlnx=x→0+limlnx×x1=(−∞)×(+∞)=−∞.
Donc x→0+limf(x)=e−1+∞=+∞.
Interprétation : la droite d’équation x=0 (l’axe des ordonnées) est une asymptote verticale à (Cf).
1.b.(0.25 pt) Vérifier que x→+∞limf(x)=+∞
Voir la solution
x→+∞limex−1=+∞ et x→+∞limxlnx=0 (limite usuelle). Donc x→+∞limf(x)=+∞.
1.c.(0.5 pt) Montrer que x→+∞limxf(x)=+∞, puis interpréter géométriquement ce résultat.
Voir la solution
Pour x>0 : xf(x)=xex−1−x2lnx=e1×xex−xlnx×x1.
Or x→+∞limxex=+∞ et x→+∞limxlnx×x1=0×0=0. Donc x→+∞limxf(x)=+∞.
Interprétation : (Cf) admet au voisinage de +∞ une branche parabolique de direction l’axe des ordonnées.
2.a.(0.75 pt) Montrer que pour tout x de ]0,+∞[, f′(x)=x2h(x)−g(x)
Voir la solution
f est dérivable sur ]0,+∞[ et, pour tout x>0 :
f′(x)=ex−1−x2x1×x−lnx×1=ex−1−x21−lnx=x2x2ex−1−(1−lnx)=x2h(x)−g(x).
2.b.(0.5 pt) Dresser le tableau de variations de f sur ]0,+∞[ (On peut utiliser la question 2.a de la partie I.)
Voir la solution
Comme x2>0, f′(x) a le signe de h(x)−g(x). D’après la partie I (2.a) : f′(x)<0 sur ]0,1[, f′(x)>0 sur ]1,+∞[, et f′(1)=0.
f(1)=e0−1ln1=1.
xf′(x)f(x)0+∞−↘101+↗+∞+∞
f est strictement décroissante sur ]0,1] et strictement croissante sur [1,+∞[.
2.c.(0.5 pt) Déduire que pour tout x de ]0,+∞[, ex−1≥1+xlnx
Voir la solution
D’après le tableau, f(1)=1 est le minimum de f sur ]0,+∞[. Donc pour tout x>0 : f(x)≥1, c’est-à-dire ex−1−xlnx≥1, d’où ex−1≥1+xlnx.
3.(0.75 pt) Montrer que l’équation f(x)=x admet une solution α tel que : 23<α<2 (On donne f(2)≈2,37 et f(23)≈1,38 )
Voir la solution
On pose k(x)=f(x)−x pour x∈[23,2]. La fonction k est continue sur [23,2] (différence de fonctions continues).
k(23)=f(23)−23≈1,38−1,5=−0,12<0 ;
k(2)=f(2)−2≈2,37−2=0,37>0.
k(23)×k(2)<0, donc d’après le théorème des valeurs intermédiaires, l’équation k(x)=0, c’est-à-dire f(x)=x, admet (au moins) une solution α telle que 23<α<2.
(Valeur approchée : α≈1,698.)
4. Soit φ la restriction de la fonction f sur l’intervalle [1,+∞[
4.a.(0.5 pt) Montrer que φ admet une fonction réciproque φ−1 définie sur un intervalle J que l’on déterminera. (L’expression φ−1(x) n’est pas demandée.)
Voir la solution
φ est continue (car dérivable) et strictement croissante sur I=[1,+∞[ (question 2.b). Donc φ admet une fonction réciproque φ−1 définie sur
J=φ(I)=[φ(1),limx→+∞φ(x)[=[1,+∞[.
4.b.(0.25 pt) Justifier que la fonction φ−1 est strictement croissante sur l’intervalle J
Voir la solution
La fonction réciproque d’une fonction continue et strictement croissante sur un intervalle a le même sens de variation : φ est strictement croissante sur [1,+∞[, donc φ−1 est strictement croissante sur J=[1,+∞[.
5. Le graphique ci-dessous représente la courbe (Cφ) de la fonction φ et la droite (Δ) d’équation y=x dans un repère orthonormé.
5.a.(0.5 pt) Justifier graphiquement que pour tout x de [1,α] : φ(x)≤x
Voir la solution
Sur l’intervalle [1,α], la courbe (Cφ) est au-dessous de la droite (Δ):y=x (elle la rencontre aux points d’abscisses 1 et α, car φ(1)=1 et φ(α)=α). Donc pour tout x∈[1,α] : φ(x)≤x.
5.b.(0.5 pt) Déduire que pour tout x de [1,α] : φ−1(x)≥x
Voir la solution
Soit x∈[1,α]. On pose y=φ−1(x). Avec φ−1(1)=1 et φ−1(α)=α :
1≤x≤α⟹φ−1(1)≤φ−1(x)≤φ−1(α)⟹1≤y≤α.
D’après 5.a appliquée à y∈[1,α] : φ(y)≤y, c’est-à-dire x≤φ−1(x).
Donc pour tout x∈[1,α] : φ−1(x)≥x.
5.c.(0.5 pt) Reproduire la courbe (Cφ) et tracer la courbe (Cφ−1) de la fonction φ−1 dans un même repère orthonormé.
Voir la solution
Dans un repère orthonormé, (Cφ−1) est la symétrique de (Cφ) par rapport à la droite (Δ):y=x. Elle passe par les points (1,1) et (α,α) et se situe au-dessus de (Δ) sur [1,α].
Partie III :
Soit la suite numérique (un) définie par u0∈]1,α[ et un+1=φ−1(un), pour tout n de N
1.(0.5 pt) Montrer par récurrence que 1<un<α, pour tout entier naturel n.
Voir la solution
Pour n∈N, on note P(n) : « 1<un<α ».
Initialisation. Pour n=0 : u0∈]1,α[, donc 1<u0<α : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N. On suppose 1<un<α et on montre que 1<un+1<α.
Comme 1, un, α sont dans J=[1,+∞[ :
1<un<α⟹φ−1(1)<φ−1(un)<φ−1(α).
Or φ(1)=1 donne φ−1(1)=1, et φ(α)=α donne φ−1(α)=α. Donc 1<un+1<α : P(n+1) est vraie.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : 1<un<α.
2.(0.5 pt) Montrer que la suite (un) est croissante. (On peut utiliser la question 5.b de la partie II.)
Voir la solution
Soit n∈N. D’après la question 1, un∈]1,α[⊂[1,α], donc d’après 5.b (partie II) : φ−1(un)≥un, c’est-à-dire un+1≥un.
Donc la suite (un) est croissante.
3.(0.75 pt) En déduire que la suite (un) est convergente et déterminer sa limite.
Voir la solution
La suite (un) est croissante et majorée par α : elle est donc convergente. Soit ℓ sa limite ; comme u0≤un<α pour tout n, on a 1<u0≤ℓ≤α.
On a un+1=φ−1(un) avec φ−1 continue sur J (réciproque d’une fonction continue strictement monotone), et φ−1([1,α])=[1,α]. Donc ℓ vérifie φ−1(ℓ)=ℓ, c’est-à-dire φ(ℓ)=ℓ, soit f(ℓ)=ℓ avec ℓ∈]1,α].
D’après le graphique (question 5), sur [1,α] la courbe (Cφ) ne rencontre (Δ) qu’aux points d’abscisses 1 et α. Comme ℓ>1, on obtient ℓ=α.
Donc n→+∞limun=α.
Justification algébrique (complément) :f′′(x)=ex−1+x33−2lnx>0 sur [1,2] (car lnx≤ln2<23), donc k:x↦f(x)−x est convexe sur [1,α] avec k(1)=k(α)=0 : k(x)<0 sur ]1,α[, et 1, α sont bien les seules solutions de f(x)=x dans [1,α].