Première Spé Maths / Chapitre 4 : Variations et courbes représentatives
Fiche 2 : extremums et optimisation
Huit exercices pour maîtriser les extremums et l'optimisation :
- extremums d'un polynôme sur un intervalle fermé ;
- déterminer des paramètres à partir d'un extremum ;
- coût moyen minimal ;
- boîte de volume maximal ;
- démontrer une inégalité avec les variations ;
- vrai/faux ;
- variations et extremum d'un trinôme selon le signe de ;
- un enclos adossé à un mur.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une bonne copie :
- la variable et son domaine sont précisés ;
- la grandeur à optimiser est exprimée en fonction de la variable ;
- les bornes sont comparées aux extremums locaux ;
- la conclusion donne la valeur de , la valeur de la grandeur et l'unité.
💡 Le modèle de rédaction d'un problème d'optimisation
« Soit la longueur du côté découpé, en cm.
Les longueurs sont strictement positives : . La formule de garde un sens aux bornes (boîte plate), on l'étudie donc sur .
Le volume est . est dérivable sur et .
Le signe de donne le tableau de variations.
Le volume est maximal pour : il vaut cm³. »
- Nomme la variable et justifie le domaine.
- Écris la formule de la grandeur à optimiser.
- Conclus en contexte, avec l'unité.
⚠️ Les pièges classiques
- Oublier de préciser le domaine de la variable.
- Garder une solution hors du domaine (par exemple alors que ).
- Donner la valeur de sans la valeur de la grandeur optimisée (ou l'inverse).
- Oublier de comparer avec les bornes de l'intervalle.
😄 Trouver le optimal sans dire à quoi il sert, c'est gagner la course et oublier de monter sur le podium.
Exercice 1 (★) : extremums sur un intervalle fermé
Soit sur l'intervalle .
1. Calculer et la factoriser.
2. Dresser le tableau de variations de .
3. Déterminer le maximum et le minimum de sur .
✏️ Correction de l'exercice 1
Question 1
.
✅
Question 2
Le trinôme est positif à l'extérieur de ses racines et , négatif entre elles.
, , , .
| ↗ | ↘ | ↗ |
✅ est croissante sur , décroissante sur , croissante sur .
Question 3
Les valeurs aux bornes sont et , comprises entre et .
✅ Le maximum de sur est (en ) et son minimum est (en ).
Exercice 2 (★★) : retrouver des paramètres
On cherche les réels et tels que la fonction admette, au point d'abscisse , un extremum local égal à .
1. Exprimer les deux conditions sous forme d'équations d'inconnues et .
2. Déterminer et .
3. Avec ces valeurs, vérifier que est bien un minimum local, et donner l'autre extremum local.
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
. Un extremum local en impose , soit .
De plus , soit .
✅ et
Question 2
On soustrait les deux équations : , donc et . Puis .
✅ et , soit .
Question 3
: est négative entre et , positive à l'extérieur.
En , passe de à : descend, puis monte.
✅ est un minimum local.
En , passe de à et .
✅ L'autre extremum local est le maximum local .
Exercice 3 (★★) : coût moyen minimal
Le coût de fabrication de objets () est , en euros. Le coût moyen est .
1. Montrer que .
2. Calculer et montrer que .
3. Dresser le tableau de variations de sur .
4. Pour quelle quantité le coût moyen est-il minimal ? Quel est ce coût moyen minimal ?
✏️ Correction de l'exercice 3
Question 1
: on divise chaque terme par .
✅
Question 2
.
On met au même dénominateur : .
✅
Question 3
Pour , et : est du signe de .
.
| ↘ | ↗ |
✅ est strictement décroissante sur et strictement croissante sur .
Question 4
✅ Le coût moyen est minimal pour objets : il vaut alors € par objet.
Remarque : on retrouve : au minimum du coût moyen, le coût marginal est égal au coût moyen.
Exercice 4 (★★) : une boîte de volume maximal
On dispose d'une feuille rectangulaire de cm sur cm. On découpe un carré de côté (en cm) dans chaque coin, puis on replie les bords pour former une boîte sans couvercle.
1. Déterminer l'intervalle de valeurs possibles pour .
2. Exprimer le volume de la boîte, puis montrer que .
3. Dresser le tableau de variations de .
4. Pour quelle valeur de le volume est-il maximal ? Donner alors les dimensions de la boîte et son volume.
✏️ Correction de l'exercice 4
Question 1
La boîte a pour base un rectangle de côtés et , et pour hauteur . Il faut , et .
✅ (on étudie la formule de sur : aux bornes, la boîte est plate et )
Question 2
.
✅
. Le trinôme a pour racines et (car et ).
✅
Question 3
Sur , . Donc est du signe contraire de : positive pour , négative pour .
, et .
| ↗ | ↘ |
✅ est strictement croissante sur et strictement décroissante sur .
Question 4
✅ Le volume est maximal pour cm.
La boîte mesure alors cm sur cm, avec une hauteur de cm.
✅ Son volume maximal est cm³.
Exercice 5 (★★★) : une inégalité par les variations
Soit sur .
1. Calculer et montrer que .
2. Dresser le tableau de variations de .
3. En déduire que, pour tout réel , .
4. L'équation a-t-elle des solutions ?
5. Résoudre l'équation .
✏️ Correction de l'exercice 5
Question 1
.
✅
Question 2
Pour , et : est du signe de . De plus .
| ↘ | ↗ |
✅ est strictement décroissante sur et strictement croissante sur .
Question 3
D'après le tableau, est décroissante jusqu'en , puis croissante : son minimum sur est .
✅ Pour tout , , c'est-à-dire .
Question 4
Comme pour tout , la valeur n'est jamais atteinte.
✅ L'équation n'a aucune solution.
Question 5
Pour : .
Le discriminant vaut , donc ou . Les deux sont strictement positives.
✅
Exercice 6 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. Le minimum d'une fonction dérivable sur un intervalle est toujours atteint en un point où s'annule.
2. Si s'annule en en passant de à , alors admet un minimum local en .
3. Un maximum local de est toujours le maximum de sur l'intervalle d'étude.
4. La fonction admet un extremum local en .
✏️ Correction de l'exercice 6
Affirmation 1
Contre-exemple : sur a pour minimum , atteint à la borne , alors que .
❌ Faux.
Affirmation 2
descend, puis monte : c'est la définition d'un minimum local.
✅ Vrai.
Affirmation 3
Contre-exemple : sur . passe de à en , donc est un maximum local. Pourtant : le maximum de sur est atteint à la borne.
❌ Faux.
Affirmation 4
ne change pas de signe en : est strictement croissante sur , sans extremum.
❌ Faux.
Exercice 7 (★★) : un trinôme : variations et extremum
1. Soit . Calculer , étudier les variations de et donner son extremum. Vérifier avec la forme canonique.
2. Même question pour .
3. Un trinôme vérifie et . Déterminer . La parabole est-elle tournée vers le haut ou vers le bas ? Donner son sommet.
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
: décroît puis croît. est négative pour et positive pour . .
| ↘ | ↗ |
Forme canonique : (car ), donc avec égalité en .
✅ est décroissante sur , croissante sur ; son minimum est , atteint en .
Question 2
: croît puis décroît. est positive pour , négative pour . .
| ↗ | ↘ |
Forme canonique : .
✅ est croissante sur , décroissante sur ; son maximum est , atteint en .
Question 3
(car la dérivée de est ) et .
Le coefficient de vaut : parabole tournée vers le bas. Le sommet a pour abscisse et .
✅ ; parabole tournée vers le bas, de sommet .
Exercice 8 (★★★) : un enclos adossé à un mur
Un agriculteur dispose de m de grillage pour clôturer un enclos rectangulaire dont un côté est un mur déjà existant (ce côté n'a pas besoin de grillage). On note la longueur, en mètres, des deux côtés perpendiculaires au mur.
1. Exprimer le côté parallèle au mur en fonction de , puis donner l'ensemble des valeurs possibles de .
2. Montrer que l'aire de l'enclos est .
3. Étudier les variations de et en déduire les dimensions de l'enclos d'aire maximale.
4. Retrouver ce résultat avec la forme canonique de .
✏️ Correction de l'exercice 8
Question 1
Le grillage sert pour les deux côtés de longueur et pour le côté parallèle au mur : celui-ci mesure . Il faut et .
✅ Le côté parallèle au mur mesure et .
Question 2
✅ .
Question 3
On étudie la formule de sur (aux bornes l'enclos est aplati : ). : positive pour , négative pour . .
| ↗ | ↘ |
✅ L'aire est maximale pour m : l'enclos mesure m sur m (côté parallèle au mur), pour une aire de m².
Question 4
. Comme , on a avec égalité si et seulement si .
✅ On retrouve l'aire maximale m², atteinte pour m.
🎯 Ce qui peut tomber en contrôle
- Extremums d'un polynôme sur un intervalle fermé, en comparant les bornes (exercice 1).
- Déterminer des paramètres grâce à un extremum (exercice 2).
- Un problème d'optimisation complet, avec domaine, expression, variations et conclusion (exercices 3, 4 et 8).
- Les variations et l'extremum d'un trinôme selon le signe de (exercice 7).
- Une inégalité démontrée par les variations (exercice 5).
QCM : vérifie tes acquis
5 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.
Question 1 sur 5
Le maximum de sur est :
Le tableau donne : le maximum est .
Question 2 sur 5
Pour résoudre un problème d'optimisation, la première étape est :
On commence par nommer la variable et justifier son domaine, puis on exprime la grandeur en fonction de .
Question 3 sur 5
Le minimum de sur vaut :
: est minimale en et .
Question 4 sur 5
Le volume sur est maximal pour :
: croît jusqu'en puis décroît, et .
Question 5 sur 5
Si passe de à en , alors admet en :
monte puis descend : maximum local.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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