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

Bac 2022, Asie : exercice 4

17 mai 2022 · 7 points

Principaux domaines abordés: Étude de fonctions. Fonction logarithme.

Soit ff une fonction définie et dérivable sur R\mathbb{R}. On considère les points A(1   3) et B(3   5).

On donne ci-dessous Cf\mathcal{C}_f la courbe représentative de ff dans un repère orthogonal du plan, ainsi que la tangente (AB) à la courbe Cf\mathcal{C}_f au point A.

Figure de l'énoncé, exercice 4, Asie 17 mai 2022

Les trois parties de l'exercice peuvent être traitées de manière indépendante.

Partie A

  1. Déterminer graphiquement les valeurs de f(1)f(1) et f′(1)f'(1).

  2. La fonction ff est définie par l'expression f(x)=ln⁡(ax2+1)+bf(x) = \ln \left(ax^2 + 1\right) + b, où aa et bb sont des nombres réels positifs.

    1. Déterminer l'expression de f′(x)f'(x).

    2. Déterminer les valeurs de aa et bb à l'aide des résultats précédents.

Partie B

On admet que la fonction ff est définie sur R\mathbb{R} par

f(x)=ln⁡(x2+1)+3−ln⁡(2).f(x) = \ln \left(x^2 + 1\right) + 3 - \ln (2).

  1. Montrer que ff est une fonction paire.

  2. Déterminer les limites de ff en +∞+\infty et en −∞-\infty.

  3. Déterminer l'expression de f′(x)f'(x).

    Étudier le sens de variation de la fonction ff sur R\mathbb{R}.

    Dresser le tableau des variations de ff en y faisant figurer la valeur exacte du minimum ainsi que les limites de ff en −∞-\infty et +∞+\infty.

  4. À l'aide du tableau des variations de ff, donner les valeurs du réel kk pour lesquelles l'équation f(x)=kf(x) = k admet deux solutions.

  5. Résoudre l'équation f(x)=3+ln⁡2f(x) = 3 + \ln 2.

Partie C

On rappelle que la fonction ff est définie sur RR par f(x)=ln⁡(x2+1)+3−ln⁡(2)f(x) = \ln \left(x^2 + 1\right) + 3 - \ln (2).

  1. Conjecturer, par lecture graphique, les abscisses des éventuels points d'inflexion de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

  2. Montrer que, pour tout nombre réel xx, on a : f′′(x)=2(1−x2)(x2+1)2f''(x) = \dfrac{2\left(1 - x^2\right)}{\left(x^2 + 1\right)^2}.

  3. En déduire le plus grand intervalle sur lequel la fonction ff est convexe.

ANNEXE à rendre avec la copie

Figure de l'énoncé, exercice 4, Asie 17 mai 2022
Voir le corrigé

Partie A

Question 1. La courbe Cf\mathcal{C}_f passe par le point A(1 ;3)(1\,;3). Donc

f(1)=3.f(1)=3.

La droite (AB) est la tangente à Cf\mathcal{C}_f au point A d'abscisse 11. Le nombre dérivé f′(1)f'(1) est le coefficient directeur de cette tangente.

Avec A(1 ;3)(1\,;3) et B(3 ;5)(3\,;5) :

f′(1)=yB−yAxB−xA=5−33−1=22=1.f'(1)=\dfrac{y_{\mathrm{B}}-y_{\mathrm{A}}}{x_{\mathrm{B}}-x_{\mathrm{A}}}=\dfrac{5-3}{3-1}=\dfrac22=1.

Réponse : f(1)=3f(1)=3 et f′(1)=1f'(1)=1.

Question 2. a) Soit a⩾0a\geqslant0. La fonction u:x↦ax2+1u:x\mapsto ax^2+1 est dérivable sur R\mathbb{R} (fonction polynôme) et, pour tout réel xx, u(x)⩾1>0u(x)\geqslant1>0.

La fonction ln⁡\ln est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Par composition, f=ln⁡(u)+bf=\ln(u)+b est dérivable sur R\mathbb{R}, et f′=u′uf'=\dfrac{u'}{u}.

Avec u′(x)=2axu'(x)=2ax, on obtient pour tout réel xx

f′(x)=2axax2+1.f'(x)=\dfrac{2ax}{ax^2+1}.

Réponse : f′(x)=2axax2+1f'(x)=\dfrac{2ax}{ax^2+1}.

Question 2. b) D'après la question 1, f′(1)=1f'(1)=1. D'après la question 2. a),

f′(1)=2aa+1.f'(1)=\dfrac{2a}{a+1}.

Donc

2aa+1=1⟺2a=a+1⟺a=1.\dfrac{2a}{a+1}=1\Longleftrightarrow2a=a+1\Longleftrightarrow a=1.

Ensuite, f(1)=ln⁡(a×12+1)+b=ln⁡2+bf(1)=\ln(a\times1^2+1)+b=\ln2+b, et f(1)=3f(1)=3. Donc

b=3−ln⁡2.b=3-\ln2.

On a ln⁡2<1<3\ln2<1<3, donc b>0b>0 : la condition de l'énoncé (nombres réels positifs) est bien satisfaite, ainsi que a=1⩾0a=1\geqslant0.

Donc a=1a=1 et b=3−ln⁡2b=3-\ln2.

Réponse : a=1a=1 et b=3−ln⁡2b=3-\ln2.

Partie B

Question 1. La fonction ff est définie sur R\mathbb{R}, qui est symétrique par rapport à 00 : pour tout réel xx, −x∈R-x\in\mathbb{R}.

Pour tout réel xx,

f(−x)=ln⁡((−x)2+1)+3−ln⁡2=ln⁡(x2+1)+3−ln⁡2=f(x).f(-x)=\ln\left((-x)^2+1\right)+3-\ln2=\ln\left(x^2+1\right)+3-\ln2=f(x).

Donc ff est une fonction paire.

Question 2. Limite en +∞+\infty.

On a lim⁡x→+∞(x2+1)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\left(x^2+1\right)=+\infty et lim⁡X→+∞ln⁡X=+∞\lim\limits_{X\to+\infty}\ln X=+\infty.

Par limite d'une composée, lim⁡x→+∞ln⁡(x2+1)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\ln\left(x^2+1\right)=+\infty.

Comme 3−ln⁡23-\ln2 est une constante, par somme

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

Limite en −∞-\infty.

On a lim⁡x→−∞(x2+1)=+∞\lim\limits_{x\to-\infty}\left(x^2+1\right)=+\infty, donc de la même façon lim⁡x→−∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to-\infty}f(x)=+\infty. On retrouve ce résultat par parité de ff.

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

Question 3. La fonction x↦x2+1x\mapsto x^2+1 est dérivable et strictement positive sur R\mathbb{R}. Par composition avec ln⁡\ln, ff est dérivable sur R\mathbb{R} et, pour tout réel xx,

f′(x)=2xx2+1.f'(x)=\dfrac{2x}{x^2+1}.

Étude du signe de f′(x)f'(x).

Le dénominateur x2+1x^2+1 est strictement positif. Donc f′(x)f'(x) a le signe de 2x2x, c'est-à-dire le signe de xx :

  • si x<0x<0, alors f′(x)<0f'(x)<0

  • si x=0x=0, alors f′(0)=0f'(0)=0

  • si x>0x>0, alors f′(x)>0f'(x)>0.

Donc ff est strictement décroissante sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et strictement croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

Valeur du minimum :

f(0)=ln⁡(0+1)+3−ln⁡2=3−ln⁡2.f(0)=\ln(0+1)+3-\ln2=3-\ln2.

Tableau de variations (décrit en phrases) : sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0], ff décroît de +∞+\infty (limite en −∞-\infty) jusqu'à 3−ln⁡23-\ln2 (valeur en 00)   sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, ff croît de 3−ln⁡23-\ln2 jusqu'à +∞+\infty (limite en +∞+\infty).

Le minimum de ff sur R\mathbb{R} est donc 3−ln⁡23-\ln2, atteint en x=0x=0.

Réponse : f′(x)=2xx2+1f'(x)=\dfrac{2x}{x^2+1}   minimum f(0)=3−ln⁡2f(0)=3-\ln2.

Question 4. Sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0], la fonction ff est continue (car dérivable) et strictement décroissante. Elle réalise une bijection de ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] sur [3−ln⁡2 ;+∞[[3-\ln2\,;+\infty[.

Sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, la fonction ff est continue et strictement croissante. Elle réalise une bijection de [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ sur [3−ln⁡2 ;+∞[[3-\ln2\,;+\infty[.

D'après le théorème des valeurs intermédiaires (corollaire pour une fonction continue et strictement monotone), pour un réel kk donné :

  • si k>3−ln⁡2k>3-\ln2, l'équation f(x)=kf(x)=k admet exactement une solution dans ]−∞ ;0[]-\infty\,;0[ et exactement une solution dans ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, donc deux solutions au total (opposées, par parité)

  • si k=3−ln⁡2k=3-\ln2, l'équation admet une seule solution, x=0x=0

  • si k<3−ln⁡2k<3-\ln2, l'équation n'admet aucune solution, puisque 3−ln⁡23-\ln2 est le minimum de ff.

Donc l'équation f(x)=kf(x)=k admet deux solutions si et seulement si k∈]3−ln⁡2 ;+∞[k\in\left]3-\ln2\,;+\infty\right[.

Réponse : k>3−ln⁡2k>3-\ln2.

Question 5. On résout l'équation f(x)=3+ln⁡2f(x)=3+\ln2 dans R\mathbb{R}.

f(x)=3+ln⁡2⟺ln⁡(x2+1)+3−ln⁡2=3+ln⁡2⟺ln⁡(x2+1)=2ln⁡2⟺ln⁡(x2+1)=ln⁡4⟺x2+1=4(la fonction ln⁡ est injective sur ]0 ;+∞[)⟺x2=3⟺x=−3  ou  x=3.\begin{aligned} f(x)=3+\ln2&\Longleftrightarrow\ln\left(x^2+1\right)+3-\ln2=3+\ln2\\ &\Longleftrightarrow\ln\left(x^2+1\right)=2\ln2\\ &\Longleftrightarrow\ln\left(x^2+1\right)=\ln4\\ &\Longleftrightarrow x^2+1=4\qquad(\text{la fonction }\ln\text{ est injective sur }]0\,;+\infty[)\\ &\Longleftrightarrow x^2=3\\ &\Longleftrightarrow x=-\sqrt3\ \text{ ou }\ x=\sqrt3. \end{aligned}

Donc l'ensemble des solutions est {−3 ;3}\left\{-\sqrt3\,;\sqrt3\right\}.

Réponse : x=−3x=-\sqrt3 ou x=3x=\sqrt3.

Partie C

Question 1. Un point d'inflexion est un point où la courbe traverse sa tangente, c'est-à-dire où la courbe change de convexité.

Sur le graphique, la courbe Cf\mathcal{C}_f est tournée vers le haut (convexe) entre les abscisses −1-1 et 11, et tournée vers le bas (concave) pour x<−1x<-1 et pour x>1x>1.

On conjecture donc que Cf\mathcal{C}_f admet deux points d'inflexion, d'abscisses −1-1 et 11.

Réponse : abscisses −1-1 et 11.

Question 2. On a f′(x)=2xx2+1f'(x)=\dfrac{2x}{x^2+1} sur R\mathbb{R}. On dérive ce quotient avec la formule (uv)′=u′v−uv′v2\left(\dfrac{u}{v}\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2}, où u(x)=2xu(x)=2x et v(x)=x2+1v(x)=x^2+1 ne s'annule pas sur R\mathbb{R}.

On a u′(x)=2u'(x)=2 et v′(x)=2xv'(x)=2x. Donc, pour tout réel xx,

f′′(x)=2(x2+1)−2x×2x(x2+1)2=2x2+2−4x2(x2+1)2=2−2x2(x2+1)2.f''(x)=\dfrac{2\left(x^2+1\right)-2x\times2x}{\left(x^2+1\right)^2}=\dfrac{2x^2+2-4x^2}{\left(x^2+1\right)^2}=\dfrac{2-2x^2}{\left(x^2+1\right)^2}.

Donc

f′′(x)=2(1−x2)(x2+1)2.f''(x)=\dfrac{2\left(1-x^2\right)}{\left(x^2+1\right)^2}.

Question 3. Une fonction deux fois dérivable est convexe sur un intervalle si et seulement si sa dérivée seconde est positive ou nulle sur cet intervalle.

Le dénominateur (x2+1)2\left(x^2+1\right)^2 est strictement positif. Donc f′′(x)f''(x) a le signe de 2(1−x2)2\left(1-x^2\right), c'est-à-dire de 1−x2=(1−x)(1+x)1-x^2=(1-x)(1+x) :

  • f′′(x)>0f''(x)>0 pour x∈]−1 ;1[x\in]-1\,;1[

  • f′′(x)=0f''(x)=0 pour x=−1x=-1 et x=1x=1

  • f′′(x)<0f''(x)<0 pour x∈]−∞ ;−1[ ∪ ]1 ;+∞[x\in]-\infty\,;-1[\,\cup\,]1\,;+\infty[.

Donc ff est convexe sur [−1 ;1][-1\,;1], et elle n'est convexe sur aucun intervalle plus grand, puisque f′′<0f''<0 juste à l'extérieur de [−1 ;1][-1\,;1].

La dérivée seconde s'annule en changeant de signe en −1-1 et en 11 : la conjecture de la question 1 est confirmée.

Le plus grand intervalle sur lequel ff est convexe est [−1 ;1][-1\,;1].

Réponse : [−1 ;1][-1\,;1].

Points clés attendus

  • Lire f(1)f(1) et f′(1)f'(1) sur le graphique (coefficient directeur de la tangente).

  • Justifier que ax2+1>0ax^2+1>0 avant de dériver ln⁡(u)\ln(u), puis résoudre le système en aa et bb.

  • Utiliser la composition pour les limites et justifier le signe de f′f' par celui de xx.

  • Citer le théorème des valeurs intermédiaires (fonction continue strictement monotone) pour le nombre de solutions de f(x)=kf(x)=k.

  • Calculer f′′f'' avec la formule du quotient, puis relier la convexité au signe de f′′f''.

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Revoir le cours

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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