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Terminale Spé Maths / Chapitre 4 : Dérivation et convexité / Annales du bac

Bac 2022, Amérique du Nord : exercice 4

18 mai 2022 · 7 points Vrai / Faux

Pour chacune des affirmations suivantes, indiquer si elle est vraie ou fausse. Justifier chaque réponse.

  1. Affirmation 1 : Pour tout réel xx : 1−1−ex1+ex=21+e−x1 - \dfrac{1 - \text{e}^x}{1 + \text{e}^x} = \dfrac{2}{1 + \text{e}^{-x}}.

  2. On considère la fonctiongg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=exex+1g(x) = \dfrac{\text{e}^x}{\text{e}^x + 1}.

    Affirmation 2 : L'équation g(x)=12g(x) = \dfrac12 admet une unique solution dans R\mathbb{R}.

  3. On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x2e−xf(x) = x^2\text{e}^{-x} et on note C\mathcal{C} sa courbe dans un repère orthonormé.

    Affirmation 3 : L'axe des abscisses est tangent à la courbe C\mathcal{C} en un seul point.

  4. On considère la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par h(x)=ex(1−x2)h(x) = \text{e}^x\left(1 - x^2\right).

    Affirmation 4 : Dans le plan muni d'un repère orthonormé, la courbe représentative de la fonction hh n'admet pas de point d'inflexion.

  5. Affirmation 5 : lim⁡x→+∞exex+x=0\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\text{e}^x}{\text{e}^x + x} = 0.

  6. Affirmation 6 : Pour tout réel x, 1+e2x⩾2exx,\, 1 + \text{e}^{2x} \geqslant 2\text{e}^x.

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Affirmation 1. Vraie.

Pour tout réel xx, 1+ex>01+\mathrm{e}^x>0, donc les expressions sont bien définies. On met sur le même dénominateur :

1−1−ex1+ex=1+ex−(1−ex)1+ex=1+ex−1+ex1+ex=2ex1+ex.\begin{aligned} 1-\dfrac{1-\mathrm{e}^x}{1+\mathrm{e}^x}&=\dfrac{1+\mathrm{e}^x-\left(1-\mathrm{e}^x\right)}{1+\mathrm{e}^x}\\ &=\dfrac{1+\mathrm{e}^x-1+\mathrm{e}^x}{1+\mathrm{e}^x}\\ &=\dfrac{2\mathrm{e}^x}{1+\mathrm{e}^x}. \end{aligned}

On divise numérateur et dénominateur par ex>0\mathrm{e}^x>0 :

2ex1+ex=2e−x+1=21+e−x.\dfrac{2\mathrm{e}^x}{1+\mathrm{e}^x}=\dfrac{2}{\mathrm{e}^{-x}+1}=\dfrac{2}{1+\mathrm{e}^{-x}}.

Donc l'égalité est vraie pour tout réel xx : l'affirmation 1 est vraie.

Affirmation 2. Vraie.

Pour tout réel xx, ex+1>0\mathrm{e}^x+1>0. On résout l'équation :

g(x)=12  ⟺  exex+1=12  ⟺  2ex=ex+1  ⟺  ex=1  ⟺  x=0.\begin{aligned} g(x)=\dfrac12&\iff \dfrac{\mathrm{e}^x}{\mathrm{e}^x+1}=\dfrac12\\ &\iff 2\mathrm{e}^x=\mathrm{e}^x+1\\ &\iff \mathrm{e}^x=1\\ &\iff x=0. \end{aligned}

La dernière équivalence vient de e0=1\mathrm{e}^0=1 et de l'injectivité de la fonction exponentielle.

Donc l'équation g(x)=12g(x)=\dfrac12 admet une unique solution dans R\mathbb{R}, à savoir 00 : l'affirmation 2 est vraie.

Affirmation 3. Vraie.

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme produit de fonctions dérivables. Avec (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv', u(x)=x2u(x)=x^2 et v(x)=e−xv(x)=\mathrm{e}^{-x}, de dérivées u′(x)=2xu'(x)=2x et v′(x)=−e−xv'(x)=-\mathrm{e}^{-x} :

f′(x)=2x e−x−x2e−x=x(2−x) e−x.f'(x)=2x\,\mathrm{e}^{-x}-x^2\mathrm{e}^{-x}=x(2-x)\,\mathrm{e}^{-x}.

L'axe des abscisses (droite d'équation y=0y=0) est tangent à C\mathcal{C} au point d'abscisse aa si et seulement si la tangente en ce point est horizontale et confondue avec l'axe, c'est-à-dire si f′(a)=0f'(a)=0 et f(a)=0f(a)=0.

On a f(a)=a2e−a=0  ⟺  a=0f(a)=a^2\mathrm{e}^{-a}=0\iff a=0 car e−a>0\mathrm{e}^{-a}>0. De plus f′(0)=0f'(0)=0.

Donc l'axe des abscisses est tangent à C\mathcal{C} au point O(0 ;0)\mathrm{O}(0\,;0), et en aucun autre point : l'affirmation 3 est vraie.

Affirmation 4. Fausse.

La fonction hh est dérivable deux fois sur R\mathbb{R}. Avec (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv', u(x)=exu(x)=\mathrm{e}^x et v(x)=1−x2v(x)=1-x^2 :

h′(x)=ex(1−x2)+ex(−2x)=ex(1−2x−x2).h'(x)=\mathrm{e}^x\left(1-x^2\right)+\mathrm{e}^x(-2x)=\mathrm{e}^x\left(1-2x-x^2\right).

On dérive à nouveau, avec v(x)=1−2x−x2v(x)=1-2x-x^2 et v′(x)=−2−2xv'(x)=-2-2x :

h′′(x)=ex(1−2x−x2)+ex(−2−2x)=ex(−x2−4x−1)=−ex(x2+4x+1).h''(x)=\mathrm{e}^x\left(1-2x-x^2\right)+\mathrm{e}^x(-2-2x)=\mathrm{e}^x\left(-x^2-4x-1\right)=-\mathrm{e}^x\left(x^2+4x+1\right).

Comme ex>0\mathrm{e}^x>0, le signe de h′′(x)h''(x) est celui de −(x2+4x+1)-\left(x^2+4x+1\right).

Le trinôme x2+4x+1x^2+4x+1 a pour discriminant Δ=16−4=12>0\Delta=16-4=12>0 et pour racines

x1=−4−122=−2−3,x2=−4+122=−2+3.x_1=\dfrac{-4-\sqrt{12}}{2}=-2-\sqrt3,\qquad x_2=\dfrac{-4+\sqrt{12}}{2}=-2+\sqrt3.

Le trinôme est positif à l'extérieur des racines et négatif entre elles. Donc h′′h'' est négative sur ]−∞ ;x1[]-\infty\,;x_1[, positive sur ]x1 ;x2[]x_1\,;x_2[, négative sur ]x2 ;+∞[]x_2\,;+\infty[ : elle s'annule en changeant de signe en x1x_1 et en x2x_2.

Un point d'inflexion est un point où la dérivée seconde s'annule en changeant de signe (la convexité change). La courbe de hh admet donc deux points d'inflexion, d'abscisses −2−3-2-\sqrt3 et −2+3-2+\sqrt3 : l'affirmation 4 est fausse.

Affirmation 5. Fausse.

Pour tout réel xx, on divise numérateur et dénominateur par ex>0\mathrm{e}^x>0 :

exex+x=11+x e−x.\dfrac{\mathrm{e}^x}{\mathrm{e}^x+x}=\dfrac{1}{1+x\,\mathrm{e}^{-x}}.

Par croissances comparées, lim⁡x→+∞x e−x=0\lim\limits_{x\to+\infty}x\,\mathrm{e}^{-x}=0. Donc le dénominateur tend vers 11 et

lim⁡x→+∞exex+x=1.\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\mathrm{e}^x}{\mathrm{e}^x+x}=1.

La limite vaut 11 et non 00 : l'affirmation 5 est fausse.

Affirmation 6. Vraie.

Pour tout réel xx, comme e2x=(ex)2\mathrm{e}^{2x}=\left(\mathrm{e}^x\right)^2,

1+e2x−2ex=(ex−1)2⩾01+\mathrm{e}^{2x}-2\mathrm{e}^x=\left(\mathrm{e}^x-1\right)^2\geqslant 0
car un carré est positif.

Donc 1+e2x⩾2ex1+\mathrm{e}^{2x}\geqslant 2\mathrm{e}^x pour tout réel xx : l'affirmation 6 est vraie.

Points clés attendus

  • Pour une affirmation fausse, donner la raison précise (limite différente, nombre de points d'inflexion).

  • Pour la tangente à l'axe des abscisses : écrire les deux conditions f(a)=0f(a)=0 et f′(a)=0f'(a)=0.

  • Pour le point d'inflexion : étudier le signe de f′′f'' et vérifier le changement de signe.

  • Lever la forme indéterminée de la limite en divisant par ex\mathrm{e}^x et citer les croissances comparées.

  • Reconnaître l'identité remarquable (ex−1)2\left(\mathrm{e}^x-1\right)^2 pour l'inégalité.

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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
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  • Exercice 3 · 7 points · Orthogonalité et distances dans l'espace

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.

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