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

Bac 2022, Centres étrangers : exercice 1

12 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.

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. Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par

    f(x)=xexf(x) =\dfrac{x}{\text{e}^x}

    On suppose que ff est dérivable sur R\mathbb{R} et on note f′f' sa fonction dérivée.

    a.  f′(x)=e−xf'(x) = \text{e}^{-x}b.   f′(x)=xe−xf'(x) = x\text{e}^{-x}
    c.  f′(x)=(1−x)e−xf'(x) = (1- x)\text{e}^{-x}d.   f′(x)=(1+x)e−xf'(x) = (1+x) \text{e}^{-x}
  2. Soit ff une fonction deux fois dérivable sur l'intervalle [−3  ;  1][-3\;;\;1]. On donne ci-dessous la représentation graphique de sa fonction dérivée seconde f′′f''.

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Centres étrangers 12 mai 2022

    On peut alors affirmer que:

    a.  La fonction ff est convexe sur l'intervalle [−1  ;  1][-1\;;\;1]b.   La fonction ff est concave sur l'intervalle [−2  ;  0][- 2\;;\;0]
    c.  La fonction f′f' est décroissante sur l'intervalle [−2  ;  0][-2\;;\;0]d.   La fonction f′f' admet un maximum e

    x=−1x = -1

    Pour x<−1x< - 1,   f′′(x)>0f''(x) > 0, donc f′f' est croissante et pour x>−1x > -1,   f′′(x)<0f''(x) < 0, donc f′f' est décroissante. La fonction f′f' admet donc un maximum en x=−1x = - 1. Réponse d.

  3. On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par:

    f(x)=x3e−x2f(x) = x^3\text{e}^{-x^2}

    Si FF est une primitive de ff sur R\mathbb{R},

    a.  F(x)=−16(x3+1)e−x2F(x) = - \dfrac16\left(x^3 + 1\right)\text{e}^{-x^2}b.  F(x)=−14x4e−x2F(x) = - \dfrac14 x^4\text{e}^{-x^2}
    c.  F(x)=−12(x2+1)e−x2F(x)=-\dfrac12\left(x^2 + 1\right)\text{e}^{-x^2}d.  F(x)=x2(3−2x2)e−x2F(x)= x^2\left(3 - 2x^2\right)\text{e}^{-x^2}
  4. Que vaut :

    lim⁡x→+∞ex+1ex−1\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\text{e}^x + 1}{\text{e}^x - 1}

    a.   −1-1b.   1
    c.   +∞+ \inftyd.   n'existe pas
  5. On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=e2x+1f(x) = \text{e}^{2x +1}.

    La seule primitive FF sur R\mathbb{R} de la fonction ff telle que F(0)=1F(0) = 1 est la fonction :

    a.  x⟼2e2x+1−2e+1x \longmapsto 2\text{e}^{2x+1} - 2\text{e} + 1b.  x⟼2e2x+1−ex \longmapsto 2\text{e}^{2x+1} - \text{e}
    c.   x⟼12e2x+1−12e+1x \longmapsto \dfrac12\text{e}^{2x+1} - \dfrac12 \text{e} + 1d.  x⟼ex2+xx \longmapsto \text{e}^{x^2 + x}
  6. Dans un repère, on a tracé ci-contre la courbe représentative d'une fonction ff définie et deux fois dérivable sur [−2  ;  4][- 2 \;;\;4]

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Centres étrangers 12 mai 2022

    Parmi les courbes suivantes, laquelle représente la fonction f′′f'', dérivée seconde de ff ?

    a.  
    Figure de l'énoncé, exercice 1, Centres étrangers 12 mai 2022
    b.  

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Centres étrangers 12 mai 2022
    c.  

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Centres étrangers 12 mai 2022
    d.  

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Centres étrangers 12 mai 2022

Voir le corrigé

Question 1.

Réponse c.

Pour tout réel xx, on écrit f(x)=x e−xf(x)=x\,\mathrm{e}^{-x}.

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme produit de fonctions dérivables. On pose u(x)=xu(x)=x et v(x)=e−xv(x)=\mathrm{e}^{-x}, avec u′(x)=1u'(x)=1 et v′(x)=−e−xv'(x)=-\mathrm{e}^{-x} (dérivée d'une composée).

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

f′(x)=1×e−x+x×(−e−x)=e−x−x e−x=(1−x) e−x.f'(x)=1\times\mathrm{e}^{-x}+x\times\left(-\mathrm{e}^{-x}\right)=\mathrm{e}^{-x}-x\,\mathrm{e}^{-x}=(1-x)\,\mathrm{e}^{-x}.

Les propositions a, b et d sont fausses : par exemple en x=0x=0, on a f′(0)=1f'(0)=1, alors que la proposition b donne 00 et que les propositions a et d donnent 11   en x=1x=1, on a f′(1)=0f'(1)=0, alors que a donne e−1≠0\mathrm{e}^{-1}\neq0 et d donne 2 e−1≠02\,\mathrm{e}^{-1}\neq0.

Donc f′(x)=(1−x) e−xf'(x)=(1-x)\,\mathrm{e}^{-x}.

Question 2.

Réponse d.

D'après la courbe de f′′f'' sur [−3 ;1][-3\,;1] :

  • f′′(x)>0f''(x)>0 pour x∈[−3 ;−1[x\in[-3\,;-1[

  • f′′(−1)=0f''(-1)=0

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

Or f′′f'' est la dérivée de f′f'. Une fonction dont la dérivée est strictement positive est strictement croissante, et une fonction dont la dérivée est strictement négative est strictement décroissante. Donc :

  • f′f' est strictement croissante sur [−3 ;−1][-3\,;-1]

  • f′f' est strictement décroissante sur [−1 ;1][-1\,;1].

Donc f′f' admet un maximum en x=−1x=-1.

Élimination des autres propositions.

  • La proposition a est fausse : f′′<0f''<0 sur ]−1 ;1]]-1\,;1], donc ff est concave, et non convexe, sur [−1 ;1][-1\,;1].

  • La proposition b est fausse : f′′>0f''>0 sur [−2 ;−1[[-2\,;-1[, donc ff est convexe sur [−2 ;−1][-2\,;-1] et n'est pas concave sur [−2 ;0][-2\,;0].

  • La proposition c est fausse : f′f' est croissante sur [−2 ;−1][-2\,;-1], donc elle n'est pas décroissante sur [−2 ;0][-2\,;0].

Question 3.

Réponse c.

Une primitive FF de ff vérifie F′(x)=x3e−x2F'(x)=x^{3}\mathrm{e}^{-x^{2}} pour tout réel xx. On dérive la proposition c.

Pour F(x)=−12(x2+1)e−x2F(x)=-\dfrac12\left(x^{2}+1\right)\mathrm{e}^{-x^{2}}, on pose u(x)=x2+1u(x)=x^{2}+1 et v(x)=e−x2v(x)=\mathrm{e}^{-x^{2}}, avec u′(x)=2xu'(x)=2x et v′(x)=−2x e−x2v'(x)=-2x\,\mathrm{e}^{-x^{2}} (dérivée d'une composée). Alors

F′(x)=−12[2x e−x2+(x2+1)(−2x)e−x2]=−12[2x−2x3−2x]e−x2=−12(−2x3)e−x2=x3 e−x2=f(x).\begin{aligned} F'(x)&=-\dfrac12\left[2x\,\mathrm{e}^{-x^{2}}+\left(x^{2}+1\right)\left(-2x\right)\mathrm{e}^{-x^{2}}\right]\\ &=-\dfrac12\left[2x-2x^{3}-2x\right]\mathrm{e}^{-x^{2}}\\ &=-\dfrac12\left(-2x^{3}\right)\mathrm{e}^{-x^{2}}\\ &=x^{3}\,\mathrm{e}^{-x^{2}}=f(x). \end{aligned}

Les autres propositions ne conviennent pas. En les dérivant de la même façon, on obtient :

  • pour a : F′(x)=x(2x3−3x+2)6 e−x2F'(x)=\dfrac{x\left(2x^{3}-3x+2\right)}{6}\,\mathrm{e}^{-x^{2}}

  • pour b : F′(x)=x3(x2−2)2 e−x2F'(x)=\dfrac{x^{3}\left(x^{2}-2\right)}{2}\,\mathrm{e}^{-x^{2}}

  • pour d : F′(x)=2x(x2−3)(2x2−1)e−x2F'(x)=2x\left(x^{2}-3\right)\left(2x^{2}-1\right)\mathrm{e}^{-x^{2}}.

Aucune de ces expressions n'est égale à x3e−x2x^{3}\mathrm{e}^{-x^{2}}.

Donc F(x)=−12(x2+1)e−x2F(x)=-\dfrac12\left(x^{2}+1\right)\mathrm{e}^{-x^{2}} est une primitive de ff.

Question 4.

Réponse b.

On a lim⁡x→+∞ex=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{x}=+\infty : le numérateur et le dénominateur tendent vers +∞+\infty, c'est une forme indéterminée ∞∞\dfrac{\infty}{\infty}.

Pour lever l'indétermination, on factorise par ex\mathrm{e}^{x} au numérateur et au dénominateur :

ex+1ex−1=ex(1+e−x)ex(1−e−x)=1+e−x1−e−x.\dfrac{\mathrm{e}^{x}+1}{\mathrm{e}^{x}-1}=\dfrac{\mathrm{e}^{x}\left(1+\mathrm{e}^{-x}\right)}{\mathrm{e}^{x}\left(1-\mathrm{e}^{-x}\right)}=\dfrac{1+\mathrm{e}^{-x}}{1-\mathrm{e}^{-x}}.

On a lim⁡x→+∞e−x=0\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{-x}=0. Donc le numérateur tend vers 11 et le dénominateur tend vers 1≠01\neq0. Par quotient,

lim⁡x→+∞ex+1ex−1=11=1.\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\mathrm{e}^{x}+1}{\mathrm{e}^{x}-1}=\dfrac11=1.

Donc la limite vaut 11.

Réponse : 11.

Question 5.

Réponse c.

La fonction x⟼e2x+1x\longmapsto\mathrm{e}^{2x+1} est de la forme eu\mathrm{e}^{u} avec u(x)=2x+1u(x)=2x+1 et u′(x)=2u'(x)=2. Une primitive est donc x⟼12 e2x+1x\longmapsto\dfrac12\,\mathrm{e}^{2x+1}.

Les primitives de ff sur R\mathbb{R} sont les fonctions

F(x)=12 e2x+1+k,k∈R.F(x)=\dfrac12\,\mathrm{e}^{2x+1}+k,\qquad k\in\mathbb{R}.

On impose F(0)=1F(0)=1 :

12 e1+k=1  ⟺  k=1−e2.\dfrac12\,\mathrm{e}^{1}+k=1\iff k=1-\dfrac{\mathrm{e}}{2}.

On obtient

F(x)=12 e2x+1−12 e+1.F(x)=\dfrac12\,\mathrm{e}^{2x+1}-\dfrac12\,\mathrm{e}+1.

Élimination des autres propositions.

  • Les propositions a et b ont pour dérivée 4 e2x+1≠f(x)4\,\mathrm{e}^{2x+1}\neq f(x) : ce ne sont pas des primitives de ff. (De plus, pour b, F(0)=e≠1F(0)=\mathrm{e}\neq1.)

  • La proposition d a pour dérivée (2x+1) ex2+x≠f(x)(2x+1)\,\mathrm{e}^{x^{2}+x}\neq f(x) : ce n'est pas une primitive de ff, bien que F(0)=1F(0)=1.

Donc la seule primitive de ff qui vaut 11 en 00 est x⟼12 e2x+1−12 e+1x\longmapsto\dfrac12\,\mathrm{e}^{2x+1}-\dfrac12\,\mathrm{e}+1.

Question 6.

Réponse a.

D'après la courbe de ff :

  • ff est concave sur [−2 ;1][-2\,;1]

  • ff est convexe sur [1 ;4][1\,;4]

  • la courbe admet donc un point d'inflexion d'abscisse 11.

Or ff est concave si et seulement si f′′⩽0f''\leqslant0, et convexe si et seulement si f′′⩾0f''\geqslant0. Donc la fonction f′′f'' est négative sur [−2 ;1][-2\,;1], s'annule en 11 et est positive sur [1 ;4][1\,;4] : elle change de signe en 11, de −- à ++, et n'a pas d'autre changement de signe sur [−2 ;4][-2\,;4].

On examine alors les quatre courbes proposées.

  • La courbe a est une droite croissante qui coupe l'axe des abscisses en 11 : elle est négative avant 11 et positive après. Elle convient.

  • La courbe b est une droite décroissante : le signe est inversé (positive avant 11, négative après). Elle ne convient pas.

  • La courbe c s'annule en 00 et en 22 et change de signe deux fois : elle ne convient pas.

  • La courbe d est toujours positive ou nulle, sans changement de signe : elle ne convient pas.

Donc la courbe qui représente f′′f'' est la courbe a.

Points clés attendus

  • Dériver un produit avec (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' et la dérivée d'une composée, et vérifier une primitive en la dérivant.

  • Lever la forme indéterminée ∞∞\dfrac{\infty}{\infty} par factorisation de ex\mathrm{e}^{x}, puis conclure avec lim⁡x→+∞e−x=0\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{-x}=0.

  • Déterminer la constante d'une primitive avec la condition initiale F(0)=1F(0)=1.

  • Relier le signe de f′′f'' aux variations de f′f' et à la convexité de ff (concave si f′′⩽0f''\leqslant0, convexe si f′′⩾0f''\geqslant0, inflexion si f′′f'' change de signe).

  • Pour chaque QCM, indiquer la lettre puis éliminer les autres propositions par un calcul ou un contre-exemple.

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Comment t'entraîner

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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 (Centres étrangers, 12 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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