Première Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction exponentielle
Fiche 3 : équations, inéquations et modélisation
Neuf exercices pour résoudre avec l'exponentielle et modéliser :
- équations et inéquations ;
- équation du second degré en ;
- une population de bactéries (suite et Python) ;
- un refroidissement ;
- vrai/faux ;
- décroissance exponentielle et seuil ;
- dilution d'une solution : modèle discret et modèle continu ;
- un capital : intérêts composés et modèle continu.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une bonne copie :
- on ramène à avant de conclure ;
- on cite la croissance de l'exponentielle pour comparer les exposants ;
- dans un problème, la conclusion est une phrase avec l'unité.
💡 Le modèle de rédaction pour une équation
« car la fonction exponentielle est strictement croissante. D'où . »
- Ramène les deux membres à une exponentielle.
- Justifie par la stricte croissance.
- Vérifie que la solution est dans l'ensemble d'étude.
⚠️ Les pièges classiques
- Résoudre : il n'y a aucune solution.
- Garder une racine après le changement de variable .
- Écrire : on oublie .
- Donner un résultat sans unité dans un problème de modélisation.
😄 Une bactérie qui occupe un volume négatif, ça existe dans les copies, jamais dans les boîtes de Petri.
Exercice 1 (★) : équations
Résoudre dans :
1. ;
2. ;
3. ;
4. .
✏️ Correction de l'exercice 1
Question 1
La fonction exponentielle est strictement croissante : .
.
✅ .
Question 2
, donc .
, soit .
✅ .
Question 3
.
✅ .
Question 4
.
Les solutions de sont et .
✅ .
Exercice 2 (★★) : inéquations
Résoudre dans :
1. ;
2. ;
3. ;
4. .
✏️ Correction de l'exercice 2
Question 1
La fonction exponentielle est strictement croissante : .
.
✅ .
Question 2
.
On multiplie par : on change le sens, .
✅ .
Question 3
Pour tout réel , .
✅ .
Question 4
, donc .
.
✅ .
Exercice 3 (★★) : se ramener au second degré
Résoudre dans :
1. ;
2. .
✏️ Correction de l'exercice 3
Question 1
On pose . Comme , on cherche .
L'équation devient .
Le discriminant est .
Les racines sont et .
est rejetée : est impossible.
donne , donc .
✅ .
Question 2
On pose : .
.
et .
Les deux sont strictement positives.
et .
✅ .
Exercice 4 (★★) : une population de bactéries
Une population de bactéries est modélisée par , où est le temps en heures, .
1. Donner la population initiale, puis la population (arrondie à l'unité) au bout de heures.
2. Montrer que est strictement croissante sur .
3. Compléter le script pour qu'il renvoie la première heure entière où la population dépasse :
from math import exp def seuil(): t = 0 while ......: t = t + 1 return t4. Quelle valeur renvoie ce script ? Conclure par une phrase.
✏️ Correction de l'exercice 4
Question 1
.
.
✅ Population initiale : bactéries. Au bout de heures : environ bactéries.
Question 2
.
Pour tout , : .
✅ est strictement croissante sur .
Question 3
On continue tant que la population ne dépasse pas .
while 500 * exp(0.4 * t) <= 10000:
Question 4
On calcule (pas encore ) et (plus de ).
✅ Le script renvoie : la population dépasse bactéries au bout de heures.
Exercice 5 (★★★) : le refroidissement d'un café
La température (en °C) d'un café minutes après son service est , pour .
1. Quelle est la température initiale ? Quelle est la température au bout de minutes (arrondie au dixième) ?
2. Étudier le sens de variation de .
3. Montrer que, pour tout , . Interpréter.
4. Au bout de combien de minutes entières le café passe-t-il sous °C ? (On pourra tester des valeurs.)
✏️ Correction de l'exercice 5
Question 1
.
.
✅ Température initiale : °C. Après minutes : environ °C.
Question 2
.
Pour tout , : .
✅ est strictement décroissante sur .
Question 3
pour tout , donc .
✅ Le café se rapproche de °C (la température de la pièce) sans jamais la dépasser par le bas.
Question 4
: encore au-dessus de °C.
: en dessous de °C.
est décroissante : à partir de , la température reste sous °C.
✅ Le café passe sous °C au bout de minutes.
Exercice 6 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. L'équation a une solution.
2. Pour tous réels et , .
3. équivaut à .
4. L'équation a deux solutions.
✏️ Correction de l'exercice 6
Affirmation 1
Une exponentielle est strictement positive : elle ne s'annule jamais.
❌ Faux.
Affirmation 2
La fonction exponentielle est strictement croissante : elle conserve l'ordre, donc .
✅ Vrai.
Affirmation 3
.
✅ Vrai.
Affirmation 4
Pour tout , , , donc : jamais nul.
(Avec : a un discriminant .)
❌ Faux : aucune solution.
Exercice 7 (★★) : décroissance exponentielle et seuil
Une substance se désintègre : sa masse en grammes est ( en heures).
1. Calculer la masse initiale et la masse au bout de heures (arrondie au dixième).
2. Montrer que est strictement décroissante sur .
3. Écrire un script Python qui donne le premier entier tel que (la masse a été divisée par deux) et donner ce résultat.
from math import exp t = 0 while 80 * exp(-0.05 * t) > 40: t = t + 1 print(t)4. En déduire un encadrement de la demi-vie de cette substance par deux entiers consécutifs (la demi-vie est la durée au bout de laquelle la masse est divisée par deux).
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
.
.
✅ La masse initiale est g et il reste environ g au bout de h.
Question 2
.
✅ Comme , : la fonction est strictement décroissante.
Question 3
Le script teste les entiers un par un. Les valeurs de autour du seuil sont et .
✅ Le script affiche : au bout de heures, la masse est passée sous g.
Question 4
La masse vaut g à la 13e heure et g à la 14e : comme est décroissante, elle passe par g entre ces deux instants.
✅ La demi-vie est comprise entre et heures.
Exercice 8 (★★) : dilution d'une solution : modèle continu et modèle discret
Un réservoir de volume constant contient une solution colorée dont la concentration est de g/L. On renouvelle son contenu en continu avec de l'eau pure : la concentration à l'instant (en heures) est .
1. Calculer et (arrondi au dixième).
2. Montrer que et interpréter cette relation.
3. Écrire un script qui donne la première heure entière à partir de laquelle la concentration est strictement inférieure à g/L.
4. On modélise la même situation par pas d'une heure : à chaque heure, de la solution est renouvelée, donc avec . Quelle est la nature de la suite ? Calculer et comparer à .
✏️ Correction de l'exercice 8
Question 1
et .
✅ Au départ g/L ; au bout de h, environ g/L.
Question 2
.
✅ : la concentration diminue à une vitesse proportionnelle à elle-même (plus elle est élevée, plus elle baisse vite).
Question 3
from math import exp
t = 0
while 50 * exp(-0.2 * t) >= 5:
t = t + 1
print(t) # affiche 12
On a et .
✅ À partir de la 12e heure, la concentration est inférieure à g/L.
Question 4
pour tout : la suite est géométrique de raison , donc .
, à comparer à .
✅ Les deux modèles donnent presque la même valeur, car est proche de la raison : est lui aussi géométrique.
Exercice 9 (★★★) : un capital : intérêts composés et modèle continu
On place € à par an. Deux modèles sont proposés, avec et en années :
modèle A (intérêts composés chaque année) : ;
modèle B (évolution continue) : .
1. Montrer que est géométrique. Calculer et (arrondis au centime).
2. Montrer que la suite est géométrique et donner sa raison.
3. En utilisant l'inégalité , comparer et , puis en déduire que pour tout entier naturel .
4. Écrire un script qui donne, pour chaque modèle, la première année entière où le capital atteint €.
✏️ Correction de l'exercice 9
Question 1
: la suite est géométrique de raison et de premier terme .
et .
✅ € et €.
Question 2
.
✅ est géométrique de raison et de premier terme .
Question 3
D'après l'inégalité avec : .
Les deux nombres sont positifs, donc pour tout entier .
En multipliant par : .
✅ Pour tout entier naturel , : le modèle continu rapporte un peu plus que les intérêts composés annuels.
Question 4
from math import exp
n = 0
while 2000 * 1.03 ** n < 3000:
n = n + 1
print(n) # affiche 14
t = 0
while 2000 * exp(0.03 * t) < 3000:
t = t + 1
print(t) # affiche 14
Modèle A : et . Modèle B : et .
✅ Dans les deux modèles, le capital atteint € au bout de ans.
🎯 Ce qui peut tomber en contrôle
- Résoudre et les inéquations associées (exercices 1 et 2).
- Poser et rejeter les racines négatives (exercice 3).
- Modéliser : valeur initiale, sens de variation, seuil avec Python (exercices 4, 5, 7 et 8).
- Un vrai/faux sur les équations (exercice 6).
- Comparer une évolution discrète (suite géométrique) et une évolution continue (exercices 8 et 9).
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
La solution de est :
: , soit .
Question 2 sur 5
L'ensemble des solutions de est :
L'exponentielle est croissante : .
Question 3 sur 5
L'équation :
Une exponentielle est strictement positive : jamais égale à .
Question 4 sur 5
Les solutions de sont :
. Comme , donc .
Question 5 sur 5
avec . Alors est :
et .
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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