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

Bac 2022, Asie : exercice 2

17 mai 2022 · 7 points Python

Principaux domaines abordés : Suites numériques. Algorithmique et programmation.

Un médicament est administré à un patient par voie intraveineuse.

Partie A : modèle discret de la quantité médicamenteuse

Après une première injection de 1 mg de médicament, le patient est placé sous perfusion.

On estime que, toutes les 3030 minutes, l'organisme du patient élimine 10 % de la quantité de médicament présente dans le sang et qu'il reçoit une dose supplémentaire de 0,250,25 mg de la substance médicamenteuse.

On étudie l'évolution de la quantité de médicament dans le sang avec le modèle suivant :

pour tout entier naturel nn, on note unu_n la quantité, en mg, de médicament dans le sang du patient au bout de nn périodes de trente minutes. On a donc u0=1u_0 = 1.

  1. Calculer la quantité de médicament dans le sang au bout d'une demi-heure.

  2. Justifier que, pour tout entier naturel n, un+1=0,9un+0,25n,\, u_{n+1} = 0,9u_n + 0,25.

    1. Montrer par récurrence sur nn que, pour tout entier naturel n, un⩽un+1<5n,\, u_n \leqslant u_{n+1} < 5.

    2. En déduire que la suite (un)\left(u_n\right) est convergente.

  3. On estime que le médicament est réellement efficace lorsque sa quantité dans le sang du patient est supérieure ou égale à 1,81,8 mg.

    1. Recopier et compléter le script écrit en langage Python suivant de manière à déterminer au bout de combien de périodes de trente minutes le médicament commence à être réellement efficace.

      def efficace():
           u=1
           n=0
           while \ldots\ldots :
                   u=\ldots\ldots
                   n = n+1
            return n
    2. Quelle est la valeur renvoyée par ce script ? Interpréter ce résultat dans le contexte de l'exercice.

  4. Soit (vn)\left(v_n\right) la suite définie, pour tout entier naturel nn, par vn=2,5−unv_n = 2,5 - u_n.

    1. Montrer que (vn)\left(v_n\right) est une suite géométrique dont on précisera la raison et le premier terme (v0)\left(v_0\right).

    2. Montrer que, pour tout entier naturel n, un=2,5−1,5×0,9nn,\, u_n = 2,5 - 1,5 \times 0,9^n.

    3. Le médicament devient toxique lorsque sa quantité présente dans le sang du patient dépasse 33 mg.

      D'après le modèle choisi, le traitement présente-t-il un risque pour le patient? Justifier.

Partie B : modèle continu de la quantité médicamenteuse

Après une injection initiale de 11 mg de médicament, le patient est placé sous perfusion.

Le débit de la substance médicamenteuse administrée au patient est de 0,50,5 mg par heure.

La quantité de médicament dans le sang du patient, en fonction du temps, est modélisée par la fonction ff, définie sur [0  ;  +∞[[0\;;\; +\infty[, par

f(t)=2,5−1,5e−0,2t,f(t) = 2,5 - 1,5\text{e}^{-0,2t},

où tt désigne la durée de la perfusion exprimée en heure.

On rappelle que ce médicament est réellement efficace lorsque sa quantité dans le sang du patient est supérieure ou égale à 1,81,8 mg.

  1. Le médicament est-il réellement efficace au bout de 3 h 45 min ?

  2. Selon ce modèle, déterminer au bout de combien de temps le médicament devient réellement efficace.

  3. Comparer le résultat obtenu avec celui obtenu à la question 4. b. du modèle discret de la Partie A.

Voir le corrigé

Partie A

Question 1.

Au bout d'une demi-heure, l'organisme élimine 10 %10\,\% de la quantité présente, soit 0,1×1=0,10{,}1\times1=0{,}1 mg.

Le patient reçoit ensuite une dose supplémentaire de 0,250{,}25 mg.

Donc

u1=1−0,1+0,25=1,15.u_1=1-0{,}1+0{,}25=1{,}15.

Donc la quantité de médicament dans le sang au bout d'une demi-heure est 1,151{,}15 mg.

Réponse : u1=1,15u_1=1{,}15 mg.

Question 2.

Soit nn un entier naturel.

Éliminer 10 %10\,\% de la quantité unu_n revient à la multiplier par 1−0,10=0,91-0{,}10=0{,}9.

Il reste donc 0,9un0{,}9u_n mg dans le sang, auxquels s'ajoutent les 0,250{,}25 mg de la dose supplémentaire.

Donc, pour tout entier naturel nn,

un+1=0,9un+0,25.u_{n+1}=0{,}9u_n+0{,}25.

Question 3. a)

Pour tout entier naturel nn, on note P(n)P(n) la propriété

un⩽un+1<5.u_n\leqslant u_{n+1}<5.

Initialisation.

On a u0=1u_0=1 et u1=1,15u_1=1{,}15, donc u0⩽u1<5u_0\leqslant u_1<5 : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité.

Soit kk un entier naturel fixé tel que P(k)P(k) soit vraie, c'est-à-dire

uk⩽uk+1<5(hypotheˋse de reˊcurrence).u_k\leqslant u_{k+1}<5\qquad\text{(hypothèse de récurrence).}

Montrons que P(k+1)P(k+1) est vraie, c'est-à-dire que uk+1⩽uk+2<5u_{k+1}\leqslant u_{k+2}<5.

On multiplie chaque membre de l'hypothèse de récurrence par 0,9>00{,}9>0, ce qui conserve le sens des inégalités :

0,9uk⩽0,9uk+1<0,9×5.0{,}9u_k\leqslant0{,}9u_{k+1}<0{,}9\times5.

On ajoute 0,250{,}25 à chaque membre :

0,9uk+0,25⩽0,9uk+1+0,25<0,9×5+0,25.0{,}9u_k+0{,}25\leqslant0{,}9u_{k+1}+0{,}25<0{,}9\times5+0{,}25.

D'après la relation de récurrence, 0,9uk+0,25=uk+10{,}9u_k+0{,}25=u_{k+1} et 0,9uk+1+0,25=uk+20{,}9u_{k+1}+0{,}25=u_{k+2}.

De plus 0,9×5+0,25=4,750{,}9\times5+0{,}25=4{,}75.

On obtient donc

uk+1⩽uk+2<4,75.u_{k+1}\leqslant u_{k+2}<4{,}75.

Comme 4,75<54{,}75<5, on en déduit uk+1⩽uk+2<5u_{k+1}\leqslant u_{k+2}<5 : 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,

un⩽un+1<5.u_n\leqslant u_{n+1}<5.

Question 3. b)

D'après la question précédente, pour tout entier naturel nn :

  • un⩽un+1u_n\leqslant u_{n+1}, donc la suite (un)(u_n) est croissante

  • un+1<5u_{n+1}<5, donc la suite (un)(u_n) est majorée par 55 (et u0=1<5u_0=1<5).

D'après le théorème de convergence monotone (toute suite croissante et majorée converge), la suite (un)(u_n) est convergente.

Question 4. a)

Le médicament est efficace dès que u⩾1,8u\geqslant1{,}8.

On répète donc l'opération u←0,9u+0,25u\leftarrow0{,}9u+0{,}25, avec n←n+1n\leftarrow n+1, tant que u<1,8u<1{,}8.

Script complété :

def efficace():
    u=1
    n=0
    while u<1.8:
        u=0.9*u+0.25
        n=n+1
    return n

Question 4. b)

On calcule les termes successifs de la suite :

  • u0=1u_0=1

  • u1=1,15u_1=1{,}15

  • u2=1,285u_2=1{,}285

  • u3≈1,4065u_3\approx1{,}4065

  • u4≈1,5159u_4\approx1{,}5159

  • u5≈1,6143u_5\approx1{,}6143

  • u6≈1,7028u_6\approx1{,}7028

  • u7≈1,7826u_7\approx1{,}7826

  • u8≈1,8543u_8\approx1{,}8543.

Tant que n⩽7n\leqslant7, on a un<1,8u_n<1{,}8 : la boucle continue.

Pour n=8n=8, on a u8≈1,8543⩾1,8u_8\approx1{,}8543\geqslant1{,}8 : la condition du while n'est plus vérifiée et la boucle s'arrête.

La valeur renvoyée est donc 88.

Interprétation : le médicament devient réellement efficace au bout de 88 périodes de trente minutes, soit 44 heures.

Réponse : le script renvoie 88 (soit 44 h).

Question 5. a)

Soit nn un entier naturel.

vn+1=2,5−un+1=2,5−(0,9un+0,25)=2,25−0,9un=0,9(2,5−un)=0,9 vn.\begin{aligned} v_{n+1}&=2{,}5-u_{n+1}\\ &=2{,}5-\left(0{,}9u_n+0{,}25\right)\\ &=2{,}25-0{,}9u_n\\ &=0{,}9\left(2{,}5-u_n\right)\\ &=0{,}9\,v_n. \end{aligned}

Donc (vn)(v_n) est une suite géométrique de raison q=0,9q=0{,}9.

Son premier terme est v0=2,5−u0=2,5−1=1,5v_0=2{,}5-u_0=2{,}5-1=1{,}5.

Réponse : (vn)(v_n) est géométrique de raison 0,90{,}9 et de premier terme v0=1,5v_0=1{,}5.

Question 5. b)

Une suite géométrique de raison 0,90{,}9 et de premier terme 1,51{,}5 vérifie, pour tout entier naturel nn,

vn=v0×0,9n=1,5×0,9n.v_n=v_0\times0{,}9^{n}=1{,}5\times0{,}9^{n}.

Comme vn=2,5−unv_n=2{,}5-u_n, on a un=2,5−vnu_n=2{,}5-v_n.

Donc, pour tout entier naturel nn,

un=2,5−1,5×0,9n.u_n=2{,}5-1{,}5\times0{,}9^{n}.

Question 5. c)

Pour tout entier naturel nn, on a 0,9n>00{,}9^{n}>0, donc 1,5×0,9n>01{,}5\times0{,}9^{n}>0.

Donc

un=2,5−1,5×0,9n<2,5<3.u_n=2{,}5-1{,}5\times0{,}9^{n}<2{,}5<3.

De plus, comme −1<0,9<1-1<0{,}9<1, on a lim⁡n→+∞0,9n=0\lim\limits_{n\to+\infty}0{,}9^{n}=0, donc lim⁡n→+∞un=2,5\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=2{,}5.

Donc, d'après ce modèle, la quantité de médicament reste strictement inférieure à 2,52{,}5 mg, donc inférieure à 33 mg : le traitement ne présente pas de risque de toxicité pour le patient.

Réponse : non, il n'y a pas de risque, car un<2,5<3u_n<2{,}5<3 pour tout nn.

Partie B

Question 1.

On a 33 h 4545 min =3+4560=3,75=3+\dfrac{45}{60}=3{,}75 h.

On calcule

f(3,75)=2,5−1,5 e−0,2×3,75=2,5−1,5 e−0,75≈1,791.f(3{,}75)=2{,}5-1{,}5\,\mathrm{e}^{-0{,}2\times3{,}75}=2{,}5-1{,}5\,\mathrm{e}^{-0{,}75}\approx1{,}791.

Or 1,791<1,81{,}791<1{,}8.

Donc le médicament n'est pas encore réellement efficace au bout de 33 h 4545 min.

Réponse : non, f(3,75)≈1,791<1,8f(3{,}75)\approx1{,}791<1{,}8.

Question 2.

On résout f(t)⩾1,8f(t)\geqslant1{,}8 pour t⩾0t\geqslant0.

f(t)⩾1,8⟺2,5−1,5 e−0,2t⩾1,8⟺1,5 e−0,2t⩽0,7⟺e−0,2t⩽0,71,5=715⟺−0,2t⩽ln⁡(715)⟺t⩾ln⁡(715)−0,2=5ln⁡(157).\begin{aligned} f(t)\geqslant1{,}8&\Longleftrightarrow 2{,}5-1{,}5\,\mathrm{e}^{-0{,}2t}\geqslant1{,}8\\ &\Longleftrightarrow 1{,}5\,\mathrm{e}^{-0{,}2t}\leqslant0{,}7\\ &\Longleftrightarrow \mathrm{e}^{-0{,}2t}\leqslant\dfrac{0{,}7}{1{,}5}=\dfrac{7}{15}\\ &\Longleftrightarrow -0{,}2t\leqslant\ln\left(\dfrac{7}{15}\right)\\ &\Longleftrightarrow t\geqslant\dfrac{\ln\left(\frac{7}{15}\right)}{-0{,}2}=5\ln\left(\dfrac{15}{7}\right). \end{aligned}

On a utilisé que la fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, puis qu'on divise par −0,2<0-0{,}2<0, ce qui change le sens de l'inégalité, et que −ln⁡(715)=ln⁡(157)-\ln\left(\dfrac{7}{15}\right)=\ln\left(\dfrac{15}{7}\right).

À la calculatrice, 5ln⁡(157)≈3,815\ln\left(\dfrac{15}{7}\right)\approx3{,}81.

Comme 0,81×60≈48,60{,}81\times60\approx48{,}6, cela correspond à environ 33 h 4949 min.

Donc, d'après ce modèle, le médicament devient réellement efficace au bout d'environ 3,813{,}81 h, soit environ 33 h 4949 min.

Réponse : t⩾5ln⁡(157)≈3,81t\geqslant5\ln\left(\dfrac{15}{7}\right)\approx3{,}81 h (environ 33 h 4949 min).

Question 3.

Dans le modèle discret (partie A, question 4. b)), le médicament devient efficace au bout de 88 périodes de trente minutes, soit 44 h.

Dans le modèle continu, il devient efficace au bout d'environ 33 h 4949 min.

Les deux résultats sont proches : l'écart est d'environ 1111 minutes.

Dans le modèle discret, la quantité n'est considérée qu'aux instants multiples de 3030 minutes : l'efficacité ne peut être constatée qu'à l'un de ces instants, ce qui explique que le résultat soit un peu plus grand que dans le modèle continu.

Donc le modèle continu donne un seuil d'efficacité légèrement plus précoce que le modèle discret.

Points clés attendus

  • Traduire correctement l'évolution (coefficient 0,90{,}9 puis ajout de 0,250{,}25) pour établir un+1=0,9un+0,25u_{n+1}=0{,}9u_n+0{,}25.

  • Rédiger la récurrence complète (initialisation, hérédité avec hypothèse énoncée, conclusion) en précisant que la multiplication par 0,9>00{,}9>0 conserve l'ordre.

  • Citer le théorème de convergence monotone avec ses deux hypothèses : suite croissante et majorée.

  • Compléter le script Python et justifier la valeur renvoyée par le calcul des termes u7u_7 et u8u_8.

  • Démontrer que (vn)(v_n) est géométrique, en factorisant par 0,90{,}9, puis en déduire unu_n et le majorant.

  • Résoudre l'inéquation exponentielle avec le logarithme, en tenant compte du changement de sens par −0,2<0-0{,}2<0.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Asie, 17 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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