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

Bac 2022, Centres étrangers : exercice 1

11 mai 2022 · 7 points QCM

Cet exercice est un questionnaire à choix multiples. Pour chacune des questions suivantes, une seule des quatre réponses proposées est exacte. Les six questions sont indépendantes.

Une réponse incorrecte, une réponse multiple ou l'absence de réponse à une question ne rapporte ni n'enlève de point. Pour répondre, indiquer sur la copie le numéro de la question et la lettre de la réponse choisie.
Aucune justification n'est demandée.

  1. On considère la fonction ff définie pour tout réel xx par f(x)=ln⁡(1+x2)f(x) = \ln \left(1 + x^2\right).

    Sur R\mathbb{R}, l'équation f(x)=2022f(x) = 2022

    a.   n'admet aucune solution.b.   admet exactement une solution.
    c.  admet exactement deux solutions.d.   admet une infinité de solutions.
  2. Soit la fonction gg définie pour tout réel xx strictement positif par:

    g(x)=xln⁡(x)−x2g(x) = x \ln (x) - x^2

    On note Cg\mathcal{C}_g sa courbe représentative dans un repère du plan.

    a.  La fonction gg est convexe sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[.b.  La fonction gg est concave sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[.
    c.  La courbe Cg\mathcal{C}_g admet exactement un point d'inflexion sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[.d.  La courbe Cg\mathcal{C}_g admet exactement deux points d'inflexion sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[.
  3. On considère la fonction ff définie sur ]−1  ;  1[]- 1\;;\;1[ par

    f(x)=x1−x2f(x) = \dfrac{x}{1 - x^2}

    Une primitive de la fonction ff est la fonction gg définie sur l'intervalle ]−1  ;  1[] - 1\;;\;1[ par :

    a.   g(x)=−12ln⁡(1−x2)g(x) = - \dfrac12 \ln \left(1 - x^2\right)b.   g(x)=1+x2(1−x2)2g(x) = \dfrac{1 + x^2}{ \left(1 - x^2\right)^2}
    c.   g(x)=x22(x−x33)g(x)= \dfrac{x^2}{2\left(x - \dfrac{x^3}{3}\right)}d.   g(x)=x22ln⁡(1−x2)g(x) = \dfrac{x^2}{2}\ln \left(1 - x^2\right)
  4. La fonction x⟼ln⁡(−x2−x+6)x \longmapsto \ln \left(-x^2- x + 6\right) est définie sur

    a.   ]−3  ;  2[]- 3\;;\;2[b.   ]−∞  ;  6]]- \infty\;;\;6]
    c.   ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[d.   ]2  ;  +∞[]2\;;\;+\infty[
  5. On considère la fonction ff définie sur ]0,5  ;  +∞[]0,5\;;\;+ \infty [ par

    f(x)=x2−4x+3ln⁡(2x−1)f(x) =x^2- 4x+ 3 \ln (2x - 1)

    Une équation de la tangente à la courbe représentative de ff au point d'abscisse 1 est:

    a.  y=4x−7y = 4x- 7b.   y=2x−4y = 2x - 4
    c.   y=−3(x−1)+4y = -3(x - 1) + 4d.   y=2x−1y = 2x - 1
  6. L'ensemble SS des solutions dans R\mathbb{R} de l'inéquation ln⁡(x+3)<2ln⁡(x+1)\ln (x + 3) < 2\ln (x + 1) est:

    a.  S=]−∞  ;  −2[∪]1  ;  +∞[S = ]- \infty\;;\;-2[ \cup ]1\;;\;+\infty[b.  S=]1  ;  +∞[S = ]1\;;\;+ \infty[
    c.   S=∅S = \emptysetd.   S=]−1  ;  1[S = ]- 1\;;\;1[
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Question 1. Réponse c.

Pour tout réel xx, on a 1+x2⩾1>01+x^2\geqslant 1>0, donc f(x)=ln⁡(1+x2)f(x)=\ln\left(1+x^2\right) est bien définie.

On résout l'équation, en utilisant que la fonction exponentielle est la bijection réciproque de ln⁡\ln :

f(x)=2022  ⟺  ln⁡(1+x2)=2022  ⟺  1+x2=e2022  ⟺  x2=e2022−1.\begin{aligned} f(x)=2022&\iff\ln\left(1+x^2\right)=2022\\ &\iff 1+x^2=\mathrm{e}^{2022}\\ &\iff x^2=\mathrm{e}^{2022}-1. \end{aligned}

Comme e2022−1>0\mathrm{e}^{2022}-1>0, cette équation admet exactement deux solutions : x=e2022−1x=\sqrt{\mathrm{e}^{2022}-1} et x=−e2022−1x=-\sqrt{\mathrm{e}^{2022}-1}.

Donc l'équation f(x)=2022f(x)=2022 admet exactement deux solutions.

Question 2. Réponse c.

La fonction gg est deux fois dérivable sur ]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[. Pour x>0x>0, avec (xln⁡x)′=ln⁡x+x×1x=ln⁡x+1(x\ln x)'=\ln x+x\times\dfrac1x=\ln x+1 :

g′(x)=ln⁡x+1−2x,g′′(x)=1x−2=1−2xx.g'(x)=\ln x+1-2x,\qquad g''(x)=\dfrac1x-2=\dfrac{1-2x}{x}.

Comme x>0x>0, le signe de g′′(x)g''(x) est celui de 1−2x1-2x :

  • g′′(x)>0g''(x)>0 pour x<12x<\dfrac12 : gg est convexe sur ]0 ; 12]\left]0\,;\,\dfrac12\right]

  • g′′(x)<0g''(x)<0 pour x>12x>\dfrac12 : gg est concave sur [12 ; +∞[\left[\dfrac12\,;\,+\infty\right[.

La fonction gg n'est donc ni convexe ni concave sur ]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[, ce qui exclut les propositions a et b.

La dérivée seconde g′′g'' s'annule en changeant de signe uniquement en x=12x=\dfrac12 : la courbe Cg\mathcal{C}_g admet exactement un point d'inflexion, d'abscisse 12\dfrac12. La proposition d est donc fausse.

Question 3. Réponse a.

Sur ]−1 ; 1[]-1\,;\,1[, on a 1−x2>01-x^2>0. La fonction g(x)=−12ln⁡(1−x2)g(x)=-\dfrac12\ln\left(1-x^2\right) est dérivable et, avec (ln⁡u)′=u′u\left(\ln u\right)'=\dfrac{u'}{u} pour u(x)=1−x2u(x)=1-x^2 et u′(x)=−2xu'(x)=-2x :

g′(x)=−12×−2x1−x2=x1−x2=f(x).g'(x)=-\dfrac12\times\dfrac{-2x}{1-x^2}=\dfrac{x}{1-x^2}=f(x).

Donc gg est une primitive de ff sur ]−1 ; 1[]-1\,;\,1[.

Les autres propositions sont à écarter. Par exemple :

  • la proposition b a pour dérivée 2x(x2+3)(1−x2)3\dfrac{2x\left(x^2+3\right)}{\left(1-x^2\right)^3}, qui vaut environ 7,77{,}7 en x=12x=\dfrac12, alors que f(12)=23f\left(\dfrac12\right)=\dfrac23

  • la proposition c n'est pas définie en x=0x=0 (dénominateur nul)

  • la proposition d a pour dérivée xln⁡(1−x2)−x31−x2x\ln\left(1-x^2\right)-\dfrac{x^3}{1-x^2}, qui vaut environ −0,31-0{,}31 en x=12x=\dfrac12, alors que f(12)=23f\left(\dfrac12\right)=\dfrac23.

Question 4. Réponse a.

La fonction x⟼ln⁡(−x2−x+6)x\longmapsto\ln\left(-x^2-x+6\right) est définie si et seulement si

−x2−x+6>0.-x^2-x+6>0.

Le discriminant du trinôme est Δ=(−1)2−4×(−1)×6=25\Delta=(-1)^2-4\times(-1)\times 6=25, et ses racines sont

x1=1−5−2=2etx2=1+5−2=−3.x_1=\dfrac{1-5}{-2}=2\qquad\text{et}\qquad x_2=\dfrac{1+5}{-2}=-3.

Le coefficient dominant −1-1 est négatif : le trinôme est strictement positif entre ses racines, c'est-à-dire pour x∈ ]−3 ; 2[x\in\,]-3\,;\,2[.

Donc la fonction est définie sur ]−3 ; 2[]-3\,;\,2[.

Question 5. Réponse a.

La fonction ff est dérivable sur ]0,5 ; +∞[\left]0{,}5\,;\,+\infty\right[. Avec (ln⁡u)′=u′u\left(\ln u\right)'=\dfrac{u'}{u} pour u(x)=2x−1u(x)=2x-1 :

f′(x)=2x−4+3×22x−1=2x−4+62x−1.f'(x)=2x-4+3\times\dfrac{2}{2x-1}=2x-4+\dfrac{6}{2x-1}.

En x=1x=1 :

f′(1)=2−4+61=4etf(1)=1−4+3ln⁡1=−3.f'(1)=2-4+\dfrac{6}{1}=4\qquad\text{et}\qquad f(1)=1-4+3\ln 1=-3.

La tangente au point d'abscisse 11 a pour équation y=f′(1)(x−1)+f(1)y=f'(1)(x-1)+f(1), soit

y=4(x−1)−3=4x−7.y=4(x-1)-3=4x-7.

Question 6. Réponse b.

Les deux logarithmes sont définis si et seulement si x+3>0x+3>0 et x+1>0x+1>0, c'est-à-dire x>−1x>-1.

Pour x>−1x>-1, on a 2ln⁡(x+1)=ln⁡((x+1)2)2\ln(x+1)=\ln\left((x+1)^2\right). La fonction ln⁡\ln étant strictement croissante sur ]0 ; +∞[]0\,;\,+\infty[ :

ln⁡(x+3)<2ln⁡(x+1)  ⟺  x+3<(x+1)2  ⟺  x+3<x2+2x+1  ⟺  x2+x−2>0  ⟺  (x−1)(x+2)>0.\begin{aligned} \ln(x+3)<2\ln(x+1)&\iff x+3<(x+1)^2\\ &\iff x+3<x^2+2x+1\\ &\iff x^2+x-2>0\\ &\iff (x-1)(x+2)>0. \end{aligned}

Le trinôme (x−1)(x+2)(x-1)(x+2) est strictement positif pour x<−2x<-2 ou x>1x>1.

Avec la condition x>−1x>-1, on obtient x>1x>1.

Donc S=]1 ; +∞[S=]1\,;\,+\infty[.

Points clés attendus

  • Équation avec ln⁡\ln : passer à l'exponentielle et conclure sur le nombre de solutions de x2=e2022−1x^2=\mathrm{e}^{2022}-1.

  • Points d'inflexion : étudier le signe de g′′g'' et vérifier qu'il change de signe.

  • Primitive : dériver la proposition choisie et retrouver ff, avec la forme u′u\dfrac{u'}{u}.

  • Ensemble de définition d'un ln⁡\ln : résoudre l'inéquation −x2−x+6>0-x^2-x+6>0 par le signe du trinôme.

  • Inéquation logarithmique : donner d'abord le domaine (x>−1x>-1), puis utiliser la croissance de ln⁡\ln et recouper avec le domaine.

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 2 · 7 points · Orthogonalité et distances dans l'espace · Vecteurs, droites et plans de l'espace
  • Exercice 3 · 7 points · Suites · Dérivation et convexité · Limites de fonctions
  • Exercice 4 · 7 points · Succession d'épreuves et loi binomiale

Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Centres étrangers, 11 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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