+ qu'un profMon espace

Terminale Spé Maths / Chapitre 1 : Suites / Annales du bac

Bac 2022, Amérique du Nord : exercice 2

18 mai 2022 · 7 points Python

Dans cet exercice, on considère la suite (Tn)\left(T_n\right) définie par :

T0=180 et,   pour tout entier naturel n, Tn+1=0,955Tn+0,9T_0 = 180 \,\text{et, \, pour tout entier naturel} \,n, \, T_{n+1} = 0,955T_n + 0,9

    1. Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel nn,  Tn⩾20T_n \geqslant 20.

    2. Vérifier que pour tout entier naturel nn,  Tn+1−Tn=−0,045(Tn−20)T_{n+1} - T_n = - 0,045\left(T_n - 20\right). En déduire le sens de variation de la suite (Tn)\left(T_n\right).

    3. Conclure de ce qui précède que la suite (Tn)\left(T_n\right) est convergente. Justifier.

  1. Pour tout entier naturel nn, on pose : un=Tn−20u_n = T_n - 20.

    1. Montrer que la suite (un)\left(u_n\right) est une suite géométrique dont on précisera la raison.

    2. En déduire que pour tout entier naturel nn,  Tn=20+160×0,955nT_n = 20 + 160 \times 0,955^n.

    3. Calculer la limite de la suite (Tn)\left(T_n\right).

    4. Résoudre l'inéquation Tn⩽120T_n \leqslant 120 d'inconnue nn entier naturel.

  2. Dans cette partie, on s'intéresse à l'évolution de la température au centre d'un gâteau après sa sortie du four.

    On considère qu'à la sortie du four, la température au centre du gâteau est de 180∘180 ^\circ C et celle de l'air ambiant de 20∘20 ^\circ C.

    La loi de refroidissement de Newton permet de modéliser la température au centre du gâteau par la suite précédente (Tn)\left(T_n\right). Plus précisément, TnT_n représente la température au centre du gâteau, exprimée en degré Celsius, n minutes après sa sortie du four.

    1. Expliquer pourquoi la limite de la suite (Tn)\left(T_n\right) déterminée à la question 2. c. était prévisible dans le contexte de l'exercice.

    2. On considère la fonction Python ci-dessous:

      def temp(x) :
           T = 180
           n = 0
           while T > x :
               T=0.955*T+0.9
               n=n+1
           return n

      Donner le résultat obtenu en exécutant la commande temp(120).

      Interpréter le résultat dans le contexte de l'exercice.

Voir le corrigé

Question 1. a) Pour tout entier naturel nn, on note P(n)P(n) la propriété Tn⩾20T_n\geqslant 20.

Initialisation. On a T0=180⩾20T_0=180\geqslant 20 : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité. Soit kk fixé tel que P(k)P(k) soit vraie, c'est-à-dire

Tk⩾20(hypotheˋse de reˊcurrence).T_k\geqslant 20\qquad\text{(hypothèse de récurrence).}

Montrons que P(k+1)P(k+1) est vraie, c'est-à-dire Tk+1⩾20T_{k+1}\geqslant 20.

On multiplie les deux membres de l'hypothèse de récurrence par 0,955>00{,}955>0, ce qui conserve le sens de l'inégalité :

0,955 Tk⩾0,955×20=19,1.0{,}955\,T_k\geqslant 0{,}955\times 20=19{,}1.

On ajoute 0,90{,}9 aux deux membres :

Tk+1=0,955 Tk+0,9⩾19,1+0,9=20.T_{k+1}=0{,}955\,T_k+0{,}9\geqslant 19{,}1+0{,}9=20.

Donc P(k+1)P(k+1) est vraie.

Conclusion. P(0)P(0) est vraie et PP est héréditaire : d'après le principe de récurrence, pour tout entier naturel nn, Tn⩾20T_n\geqslant 20.

Question 1. b) Pour tout entier naturel nn,

Tn+1−Tn=0,955 Tn+0,9−Tn=−0,045 Tn+0,9=−0,045(Tn−20)\begin{aligned} T_{n+1}-T_n&=0{,}955\,T_n+0{,}9-T_n\\ &=-0{,}045\,T_n+0{,}9\\ &=-0{,}045\left(T_n-20\right) \end{aligned}
car −0,045×(−20)=0,9-0{,}045\times(-20)=0{,}9.

D'après la question 1. a), Tn−20⩾0T_n-20\geqslant 0, et −0,045<0-0{,}045<0. Donc Tn+1−Tn⩽0T_{n+1}-T_n\leqslant 0 pour tout nn.

Donc la suite (Tn)(T_n) est décroissante.

Question 1. c) La suite (Tn)(T_n) est décroissante (question 1. b) et minorée par 2020 (question 1. a).

D'après le théorème de la limite monotone (toute suite décroissante et minorée converge), la suite (Tn)(T_n) est convergente.

Question 2. a) Pour tout entier naturel nn,

un+1=Tn+1−20=0,955 Tn+0,9−20=0,955 Tn−19,1=0,955(Tn−20)=0,955 un\begin{aligned} u_{n+1}&=T_{n+1}-20\\ &=0{,}955\,T_n+0{,}9-20\\ &=0{,}955\,T_n-19{,}1\\ &=0{,}955\left(T_n-20\right)\\ &=0{,}955\,u_n \end{aligned}
car 0,955×20=19,10{,}955\times 20=19{,}1.

Donc la suite (un)(u_n) est géométrique de raison q=0,955q=0{,}955. Son premier terme est u0=T0−20=160u_0=T_0-20=160.

Question 2. b) Le terme général d'une suite géométrique de premier terme u0u_0 et de raison qq est un=u0 qnu_n=u_0\,q^n. Donc

un=160×0,955n.u_n=160\times 0{,}955^n.

Comme un=Tn−20u_n=T_n-20, on obtient pour tout entier naturel nn

Tn=20+160×0,955n.T_n=20+160\times 0{,}955^n.

Question 2. c) On a −1<0,955<1-1<0{,}955<1. Donc lim⁡n→+∞0,955n=0\lim\limits_{n\to+\infty}0{,}955^n=0, puis lim⁡n→+∞160×0,955n=0\lim\limits_{n\to+\infty}160\times 0{,}955^n=0.

Par somme,

lim⁡n→+∞Tn=20.\lim\limits_{n\to+\infty}T_n=20.

Donc la suite (Tn)(T_n) converge vers 2020.

Réponse : lim⁡n→+∞Tn=20\lim\limits_{n\to+\infty}T_n=20.

Question 2. d) Résolvons Tn⩽120T_n\leqslant 120 d'inconnue n∈Nn\in\mathbb{N}.

Tn⩽120  ⟺  20+160×0,955n⩽120  ⟺  160×0,955n⩽100  ⟺  0,955n⩽0,625.\begin{aligned} T_n\leqslant 120&\iff 20+160\times 0{,}955^n\leqslant 120\\ &\iff 160\times 0{,}955^n\leqslant 100\\ &\iff 0{,}955^n\leqslant 0{,}625. \end{aligned}

La fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, donc on peut l'appliquer aux deux membres en conservant le sens de l'inégalité :

nln⁡(0,955)⩽ln⁡(0,625).n\ln(0{,}955)\leqslant\ln(0{,}625).

Comme 0,955<10{,}955<1, on a ln⁡(0,955)<0\ln(0{,}955)<0. En divisant par ce nombre négatif, on change le sens de l'inégalité :

n⩾ln⁡(0,625)ln⁡(0,955)≈10,2.n\geqslant\dfrac{\ln(0{,}625)}{\ln(0{,}955)}\approx 10{,}2.

Les entiers solutions sont donc les entiers n⩾11n\geqslant 11.

Vérification : T10≈120,96>120T_{10}\approx 120{,}96>120 et T11≈116,42⩽120T_{11}\approx 116{,}42\leqslant 120.

Donc l'ensemble des solutions est l'ensemble des entiers naturels n⩾11n\geqslant 11.

Réponse : n⩾11n\geqslant 11.

Question 3. a) La suite (Tn)(T_n) modélise la température au centre du gâteau, qui refroidit dans une pièce dont l'air ambiant est à 2020 °C. D'après la loi de refroidissement de Newton, la température du gâteau se rapproche de celle de l'air ambiant sans pouvoir descendre en dessous.

Donc il était prévisible que (Tn)(T_n) tende vers 2020, la température de l'air ambiant, ce qui est bien le résultat de la question 2. c).

Question 3. b) La fonction temp(x) part de T=180T=180 et n=0n=0. Tant que T>xT>x, elle remplace TT par 0,955 T+0,90{,}955\,T+0{,}9 (c'est-à-dire passe de TnT_n à Tn+1T_{n+1}) et augmente nn de 11. Elle renvoie donc le plus petit entier nn tel que Tn⩽xT_n\leqslant x.

Avec x=120x=120, d'après la question 2. d), ce plus petit entier est 1111.

Donc temp(120) renvoie 1111.

Interprétation : c'est au bout de 1111 minutes que la température au centre du gâteau devient pour la première fois inférieure ou égale à 120120 °C.

Réponse : temp(120) renvoie 1111.

Points clés attendus

  • Rédiger la récurrence complète : initialisation, hérédité avec hypothèse de récurrence, conclusion.

  • Citer le théorème de la limite monotone (suite décroissante et minorée).

  • Établir la nature géométrique de (un)(u_n) par le calcul de un+1u_{n+1} en fonction de unu_n, avec la raison et le premier terme.

  • Changer le sens de l'inégalité en divisant par ln⁡(0,955)<0\ln(0{,}955)<0 dans la résolution de Tn⩽120T_n\leqslant 120.

  • Interpréter la limite et le résultat de temp(120) dans le contexte du refroidissement.

Corrigé rédigé par + qu'un prof. Cherche d'abord seul, puis compare avec ta propre rédaction.

Comment t'entraîner

Chronomètre-toi, rédige sur papier comme le jour du bac, puis seulement après regarde le cours. Si tu bloques sur une question, écris « on admet que… » et passe à la suivante.

Les autres exercices de ce sujet

  • Exercice 1 · 7 points · Succession d'épreuves et loi binomiale
  • Exercice 3 · 7 points · Orthogonalité et distances dans l'espace
  • Exercice 4 · 7 points · Dérivation et convexité · Limites de fonctions · Continuité et TVI

Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Amérique du Nord, 18 mai 2022), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

Un doute sur un exercice ou sur ta méthode de rédaction ? On en parle ensemble, sans engagement.

Réserver un appel découverte