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Terminale Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction logarithme / Annales du bac

Bac 2022, Amérique du Sud : exercice 3

26 septembre 2022 · 7 points

Soit gg la fonction définie sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[ par

g(x)=1+x2[1−2ln⁡(x)].g(x) = 1+ x^2[1 - 2 \ln (x)].

La fonction gg est dérivable sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[ et on note g′g' sa fonction dérivée.

On appelle C\mathcal{C} la courbe représentative de la fonction gg dans un repère orthonormé du plan.

PARTIE A

  1. Justifier que g(e)g(\text{e}) est strictement négatif.

  2. Justifier que lim⁡x→+∞g(x)=−∞\displaystyle\lim_{x \to + \infty} g(x) = - \infty.

    1. Montrer que, pour tout xx appartenant à l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[,  g′(x)=−4xln⁡(x)g'(x) = -4x \ln (x).

    2. Étudier le sens de variation de la fonction gg sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[

    3. Montrer que l'équation g(x)=0g(x) = 0 admet une unique solution, notée α\alpha, sur l'intervalle [1  ;  +∞[[1\;;\;+\infty[.

    4. Donner un encadrement de α\alpha d'amplitude 10−210^{-2}

  3. Déduire de ce qui précède le signe de la fonction gg sur l'intervalle [1  ;  +∞[[1\;;\;+\infty[.

PARTIE B

  1. On admet que, pour tout xx appartenant à l'intervalle [1  ;  α][1\;;\;\alpha], g′′(x)=−4[ln⁡(x)+1]g''(x) = - 4[\ln (x) + 1].

    Justifier que la fonction gg est concave sur l'intervalle [1  ;  α][1\;;\;\alpha].

  1. Sur la figure ci-contre, A et B sont les points de la courbe C\mathcal{C} d'abscisses respectives 1 et α\alpha.

    1. Déterminer l'équation réduite de la droite (AB).

    2. En déduire que pour tout réel xx appartenant à l'intervalle [1  ;  α][1\;;\;\alpha],  g(x)⩾−2α−1x+2αα−1g(x) \geqslant \dfrac{- 2}{\alpha - 1} x + \dfrac{2\alpha}{\alpha - 1}.

Figure de l'énoncé, exercice 3, Amérique du Sud 26 septembre 2022
Voir le corrigé

Partie A

Question 1.

On calcule, avec ln⁡(e)=1\ln(\mathrm{e})=1 :

g(e)=1+e2[1−2ln⁡(e)]=1+e2(1−2)=1−e2.\begin{aligned} g(\mathrm{e})&=1+\mathrm{e}^2\left[1-2\ln(\mathrm{e})\right]\\ &=1+\mathrm{e}^2\left(1-2\right)\\ &=1-\mathrm{e}^2. \end{aligned}

Or e>1\mathrm{e}>1, donc e2>1\mathrm{e}^2>1, soit 1−e2<01-\mathrm{e}^2<0.

Donc g(e)=1−e2<0g(\mathrm{e})=1-\mathrm{e}^2<0 : g(e)g(\mathrm{e}) est strictement négatif.

Question 2.

On a lim⁡x→+∞x2=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}x^2=+\infty.

On a lim⁡x→+∞ln⁡(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\ln(x)=+\infty, donc lim⁡x→+∞[1−2ln⁡(x)]=−∞\lim\limits_{x\to+\infty}\left[1-2\ln(x)\right]=-\infty.

Par produit de limites,

lim⁡x→+∞x2[1−2ln⁡(x)]=−∞.\lim\limits_{x\to+\infty}x^2\left[1-2\ln(x)\right]=-\infty.

Par somme avec la constante 11,

lim⁡x→+∞g(x)=−∞.\lim\limits_{x\to+\infty}g(x)=-\infty.

Question 3. a)

Pour tout x>0x>0, on développe : g(x)=1+x2−2x2ln⁡(x)g(x)=1+x^2-2x^2\ln(x).

La fonction x↦x2ln⁡(x)x\mapsto x^2\ln(x) est de la forme uvuv avec u(x)=x2u(x)=x^2, v(x)=ln⁡(x)v(x)=\ln(x), dérivables sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, de dérivées u′(x)=2xu'(x)=2x et v′(x)=1xv'(x)=\dfrac1x.

D'après la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv',

(x2ln⁡(x))′=2xln⁡(x)+x2×1x=2xln⁡(x)+x.\left(x^2\ln(x)\right)'=2x\ln(x)+x^2\times\dfrac1x=2x\ln(x)+x.

Donc, pour tout x>0x>0,

g′(x)=2x−2(2xln⁡(x)+x)=2x−4xln⁡(x)−2x=−4xln⁡(x).\begin{aligned} g'(x)&=2x-2\left(2x\ln(x)+x\right)\\ &=2x-4x\ln(x)-2x\\ &=-4x\ln(x). \end{aligned}

Donc, pour tout x∈]0 ;+∞[x\in]0\,;+\infty[, g′(x)=−4xln⁡(x)g'(x)=-4x\ln(x).

Question 3. b)

Pour x>0x>0, on a −4x<0-4x<0. Donc g′(x)g'(x) est du signe contraire de ln⁡(x)\ln(x).

La fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et ln⁡(1)=0\ln(1)=0. Donc :

  • pour 0<x<10<x<1, ln⁡(x)<0\ln(x)<0, donc g′(x)>0g'(x)>0

  • pour x=1x=1, g′(1)=0g'(1)=0

  • pour x>1x>1, ln⁡(x)>0\ln(x)>0, donc g′(x)<0g'(x)<0.

On en déduit :

  • gg est strictement croissante sur ]0 ;1]]0\,;1]

  • gg est strictement décroissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Le maximum est atteint en x=1x=1 et vaut g(1)=1+12[1−2ln⁡(1)]=1+1=2g(1)=1+1^2\left[1-2\ln(1)\right]=1+1=2.

Donc gg est strictement croissante sur ]0 ;1]]0\,;1], strictement décroissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, et admet pour maximum g(1)=2g(1)=2.

Question 3. c)

Sur l'intervalle [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ :

  • gg est dérivable, donc continue

  • gg est strictement décroissante (question 3. b))

  • g(1)=2>0g(1)=2>0 et lim⁡x→+∞g(x)=−∞\lim\limits_{x\to+\infty}g(x)=-\infty, donc gg prend des valeurs strictement négatives. Le nombre 00 appartient donc à l'intervalle image g([1 ;+∞[)=]−∞ ;2]g\left([1\,;+\infty[\right)=]-\infty\,;2].

D'après le théorème des valeurs intermédiaires dans sa version pour les fonctions continues et strictement monotones (théorème de la bijection), l'équation g(x)=0g(x)=0 admet une unique solution α\alpha sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Question 3. d)

À la calculatrice (ou par balayage), on obtient

g(1,89)≈0,024>0etg(1,90)≈−0,024<0.g(1{,}89)\approx0{,}024>0\qquad\text{et}\qquad g(1{,}90)\approx-0{,}024<0.

Comme gg est strictement décroissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ et que g(α)=0g(\alpha)=0, on a g(1,89)>g(α)>g(1,90)g(1{,}89)>g(\alpha)>g(1{,}90), donc 1,89<α<1,901{,}89<\alpha<1{,}90.

Donc un encadrement de α\alpha d'amplitude 10−210^{-2} est 1,89<α<1,901{,}89<\alpha<1{,}90.

Réponse : 1,89<α<1,901{,}89<\alpha<1{,}90.

Question 4.

Sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, la fonction gg est strictement décroissante et g(α)=0g(\alpha)=0. Donc :

  • pour 1⩽x<α1\leqslant x<\alpha, g(x)>g(α)=0g(x)>g(\alpha)=0

  • pour x=αx=\alpha, g(x)=0g(x)=0

  • pour x>αx>\alpha, g(x)<g(α)=0g(x)<g(\alpha)=0.

Donc gg est strictement positive sur [1 ;α[[1\,;\alpha[, nulle en α\alpha, et strictement négative sur ]α ;+∞[]\alpha\,;+\infty[.

Partie B

Question 1.

On admet que, pour tout x∈[1 ;α]x\in[1\,;\alpha], g′′(x)=−4[ln⁡(x)+1]g''(x)=-4\left[\ln(x)+1\right].

Pour x∈[1 ;α]x\in[1\,;\alpha], on a x⩾1x\geqslant1, donc ln⁡(x)⩾ln⁡(1)=0\ln(x)\geqslant\ln(1)=0 car ln⁡\ln est croissante.

Donc ln⁡(x)+1⩾1>0\ln(x)+1\geqslant1>0, et ainsi

g′′(x)=−4[ln⁡(x)+1]<0.g''(x)=-4\left[\ln(x)+1\right]<0.

La dérivée seconde g′′g'' est strictement négative sur [1 ;α][1\,;\alpha].

Donc la fonction gg est concave sur l'intervalle [1 ;α][1\,;\alpha].

Question 2. a)

D'après la figure, AA et BB sont les points de C\mathcal{C} d'abscisses 11 et α\alpha.

On a g(1)=2g(1)=2, donc A(1 ;2)A(1\,;2).

On a g(α)=0g(\alpha)=0, donc B(α ;0)B(\alpha\,;0).

Les abscisses 11 et α\alpha sont distinctes (α>1\alpha>1), donc la droite (AB)(AB) n'est pas verticale. Son coefficient directeur est

m=yB−yAxB−xA=0−2α−1=−2α−1.m=\dfrac{y_B-y_A}{x_B-x_A}=\dfrac{0-2}{\alpha-1}=\dfrac{-2}{\alpha-1}.

La droite (AB)(AB) passe par A(1 ;2)A(1\,;2), donc elle a pour équation y=m(x−1)+2y=m(x-1)+2. D'où

y=−2α−1(x−1)+2=−2α−1x+2α−1+2(α−1)α−1=−2α−1x+2αα−1.\begin{aligned} y&=\dfrac{-2}{\alpha-1}(x-1)+2\\ &=\dfrac{-2}{\alpha-1}x+\dfrac{2}{\alpha-1}+\dfrac{2(\alpha-1)}{\alpha-1}\\ &=\dfrac{-2}{\alpha-1}x+\dfrac{2\alpha}{\alpha-1}. \end{aligned}

Vérification avec BB : pour x=αx=\alpha, on obtient −2α+2αα−1=0=yB\dfrac{-2\alpha+2\alpha}{\alpha-1}=0=y_B.

Donc l'équation réduite de (AB)(AB) est y=−2α−1x+2αα−1y=\dfrac{-2}{\alpha-1}x+\dfrac{2\alpha}{\alpha-1}.

Réponse : y=−2α−1x+2αα−1y=\dfrac{-2}{\alpha-1}x+\dfrac{2\alpha}{\alpha-1}.

Question 2. b)

D'après la question 1 de la partie B, la fonction gg est concave sur [1 ;α][1\,;\alpha].

Or, pour une fonction concave sur un intervalle, la courbe représentative est située au-dessus de chacune de ses cordes sur cet intervalle. La corde d'extrémités AA et BB est le segment [AB][AB], porté par la droite (AB)(AB).

Donc, pour tout réel xx de l'intervalle [1 ;α][1\,;\alpha], la courbe C\mathcal{C} est au-dessus de (AB)(AB) :

g(x)⩾−2α−1x+2αα−1.g(x)\geqslant\dfrac{-2}{\alpha-1}x+\dfrac{2\alpha}{\alpha-1}.

Points clés attendus

  • Calculer g(e)g(\mathrm{e}) en utilisant ln⁡(e)=1\ln(\mathrm{e})=1 et conclure sur le signe.

  • Dériver avec la formule du produit après développement, et justifier le signe de g′g' par celui de ln⁡(x)\ln(x) avec le facteur −4x<0-4x<0.

  • Théorème des valeurs intermédiaires (ou de la bijection) : continuité, stricte monotonie, valeurs aux bornes (g(1)=2g(1)=2 et limite −∞-\infty), puis unicité de α\alpha.

  • Encadrement de α\alpha justifié par le signe de g(1,89)g(1{,}89) et de g(1,90)g(1{,}90) et la décroissance de gg.

  • Concavité : signe de g′′g'' justifié sur [1 ;α][1\,;\alpha], puis propriété de la corde pour l'inégalité finale.

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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

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Amérique du Sud, 26 septembre 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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