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

Bac 2022, Nouvelle-Calédonie : exercice 1

26 octobre 2022 · 7 points

Principaux domaines abordés : fonctions, fonction logarithme  convexité.

On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[ par

f(x)=x2−6x+4ln⁡(x).f(x) = x^2 - 6x + 4\ln (x).

On admet que la fonction ff est deux fois dérivable sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+ \infty[.

On note ff' sa dérivée et f′′f'' sa dérivée seconde.

On note Cf\mathcal{C}_f la courbe représentative de la fonction ff dans un repère orthogonal.

    1. Déterminer lim⁡x→0f(x)\displaystyle\lim_{x \to 0} f(x).

      Interpréter graphiquement ce résultat.

    2. Déterminer lim⁡x→+∞f(x)\displaystyle\lim_{x \to + \infty} f(x).

    1. Déterminer f′(x)f'(x) pour tout réel xx appartenant à ]0  ;  +∞[]0\;;\;+ \infty[.

    2. Étudier le signe de f′(x)f'(x) sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+ \infty[.

      En déduire le tableau de variations de ff.

  1. Montrer que l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet une unique solution dans l'intervalle [4   5].

  2. On admet que, pour tout xx de ]0  ;  +∞[]0\;;\;+ \infty[, on a :

    f′′(x)=2x2−4x2.f''(x) = \dfrac{2x^2 - 4}{x^2}.

    1. Étudier la convexité de la fonction ff sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+ \infty[.

      On précisera les valeurs exactes des coordonnées des éventuels points d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f.

    2. On note A le point de coordonnées (2  ;  f(2  ))\left(\sqrt 2\;;\;f\left(\sqrt 2\;\right)\right).

      Soit tt un réel strictement positif tel que t≠2t \ne \sqrt 2. Soit MM le point de coordonnées (t  ;  f(t))(t\;;\; f(t)).

      En utilisant la question 4. a, indiquer, selon la valeur de tt, les positions relatives du segment [AMM] et de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

Voir le corrigé

Question 1. a)

On a f(x)=x2−6x+4ln⁡xf(x)=x^2-6x+4\ln x pour tout x>0x>0.

Limites en 00 :

lim⁡x→0x2=0,lim⁡x→0(−6x)=0,lim⁡x→0ln⁡x=−∞,  donc  lim⁡x→04ln⁡x=−∞.\lim\limits_{x\to 0}x^2=0,\qquad \lim\limits_{x\to 0}(-6x)=0,\qquad \lim\limits_{x\to 0}\ln x=-\infty,\ \text{ donc }\ \lim\limits_{x\to 0}4\ln x=-\infty.

Par somme des limites,

lim⁡x→0f(x)=−∞.\lim\limits_{x\to 0}f(x)=-\infty.

Interprétation graphique : la limite de ff en 00 est infinie, donc la droite d'équation x=0x=0 est asymptote verticale à Cf\mathcal{C}_f.

Donc Cf\mathcal{C}_f admet pour asymptote verticale l'axe des ordonnées.

Réponse : lim⁡x→0f(x)=−∞\lim\limits_{x\to 0}f(x)=-\infty   asymptote verticale d'équation x=0x=0.

Question 1. b)

Pour x→+∞x\to+\infty, la somme x2−6x+4ln⁡xx^2-6x+4\ln x présente une forme indéterminée ∞−∞\infty-\infty.

Pour la lever, on factorise le terme dominant : pour tout x>0x>0,

f(x)=x2(1−6x+4 ln⁡xx2).f(x)=x^2\left(1-\dfrac6x+4\,\dfrac{\ln x}{x^2}\right).

On a lim⁡x→+∞6x=0\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac6x=0.

Par croissances comparées, lim⁡x→+∞ln⁡xx2=0\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\ln x}{x^2}=0.

Donc le facteur entre parenthèses tend vers 11.

Comme lim⁡x→+∞x2=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}x^2=+\infty, on obtient par produit

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

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

Question 2. a)

La fonction ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ (énoncé).

La dérivée de x↦x2x\mapsto x^2 est x↦2xx\mapsto 2x, celle de x↦−6xx\mapsto -6x est −6-6, celle de x↦4ln⁡xx\mapsto 4\ln x est x↦4xx\mapsto\dfrac4x.

Donc, pour tout x>0x>0,

f′(x)=2x−6+4x.f'(x)=2x-6+\dfrac4x.

On met au même dénominateur :

f′(x)=2x2−6x+4x.f'(x)=\dfrac{2x^2-6x+4}{x}.

Le numérateur s'écrit 2(x2−3x+2)2\left(x^2-3x+2\right).

Le trinôme x2−3x+2x^2-3x+2 a pour racines 11 et 22 (somme 33, produit 22), donc x2−3x+2=(x−1)(x−2)x^2-3x+2=(x-1)(x-2).

Donc, pour tout x>0x>0,

f′(x)=2(x−1)(x−2)x.f'(x)=\dfrac{2(x-1)(x-2)}{x}.

Réponse : f′(x)=2x−6+4x=2(x−1)(x−2)xf'(x)=2x-6+\dfrac4x=\dfrac{2(x-1)(x-2)}{x}.

Question 2. b)

Pour tout x>0x>0, on a x>0x>0 et 2>02>0.

Donc f′(x)f'(x) a le signe de (x−1)(x−2)(x-1)(x-2).

On étudie le signe de chaque facteur :

  • x−1>0  ⟺  x>1x-1>0\iff x>1

  • x−2>0  ⟺  x>2x-2>0\iff x>2.

On en déduit :

  • sur ]0 ;1[]0\,;1[, les deux facteurs sont négatifs, leur produit est positif : f′(x)>0f'(x)>0

  • en x=1x=1 et en x=2x=2 : f′(x)=0f'(x)=0

  • sur ]1 ;2[]1\,;2[, x−1>0x-1>0 et x−2<0x-2<0, leur produit est négatif : f′(x)<0f'(x)<0

  • sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[, les deux facteurs sont positifs : f′(x)>0f'(x)>0.

Valeurs aux extrema :

f(1)=1−6+4ln⁡1=−5,f(2)=4−12+4ln⁡2=−8+4ln⁡2≈−5,23.f(1)=1-6+4\ln 1=-5,\qquad f(2)=4-12+4\ln 2=-8+4\ln 2\approx -5{,}23.

Tableau de variations, décrit en phrases :

  • ff est strictement croissante sur ]0 ;1]]0\,;1], de la limite −∞-\infty en 00 jusqu'à f(1)=−5f(1)=-5

  • ff est strictement décroissante sur [1 ;2][1\,;2], de f(1)=−5f(1)=-5 jusqu'à f(2)=−8+4ln⁡2f(2)=-8+4\ln 2

  • ff est strictement croissante sur [2 ;+∞[[2\,;+\infty[, de f(2)=−8+4ln⁡2f(2)=-8+4\ln 2 jusqu'à la limite +∞+\infty.

Donc ff admet un maximum local −5-5 en 11 et un minimum local −8+4ln⁡2-8+4\ln 2 en 22.

Question 3.

On cherche le nombre de solutions de f(x)=0f(x)=0 dans [4 ;5][4\,;5].

D'après la question 2. b), ff est strictement croissante sur [2 ;+∞[[2\,;+\infty[, donc sur [4 ;5][4\,;5].

La fonction ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, donc continue sur [4 ;5][4\,;5].

On calcule les valeurs aux bornes :

f(4)=16−24+4ln⁡4=−8+8ln⁡2≈−2,45<0,f(4)=16-24+4\ln 4=-8+8\ln 2\approx -2{,}45<0,
f(5)=25−30+4ln⁡5=−5+4ln⁡5≈1,44>0.f(5)=25-30+4\ln 5=-5+4\ln 5\approx 1{,}44>0.

Ainsi 00 est compris strictement entre f(4)f(4) et f(5)f(5).

La fonction ff est continue et strictement croissante sur [4 ;5][4\,;5], avec f(4)<0<f(5)f(4)<0<f(5).

D'après le théorème des valeurs intermédiaires (version pour les fonctions strictement monotones), l'équation f(x)=0f(x)=0 admet une unique solution dans [4 ;5][4\,;5].

Donc l'équation f(x)=0f(x)=0 admet une unique solution α\alpha dans [4 ;5][4\,;5], avec α≈4,68\alpha\approx 4{,}68.

Question 4. a)

On admet f′′(x)=2x2−4x2=2(x2−2)x2f''(x)=\dfrac{2x^2-4}{x^2}=\dfrac{2\left(x^2-2\right)}{x^2} pour tout x>0x>0.

Sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, on a 2x2>0\dfrac{2}{x^2}>0.

Donc f′′(x)f''(x) a le signe de x2−2x^2-2.

Pour x>0x>0, on a x2−2=(x−2)(x+2)x^2-2=\left(x-\sqrt2\right)\left(x+\sqrt2\right) avec x+2>0x+\sqrt2>0.

Donc f′′(x)f''(x) a le signe de x−2x-\sqrt2 :

  • f′′(x)<0f''(x)<0 sur ]0 ;2[]0\,;\sqrt2[

  • f′′(2)=0f''(\sqrt2)=0

  • f′′(x)>0f''(x)>0 sur ]2 ;+∞[]\sqrt2\,;+\infty[.

Donc ff est concave sur ]0 ;2]]0\,;\sqrt2] et convexe sur [2 ;+∞[[\sqrt2\,;+\infty[.

La dérivée seconde s'annule en 2\sqrt2 en changeant de signe : la courbe Cf\mathcal{C}_f admet un unique point d'inflexion, d'abscisse 2\sqrt2.

Son ordonnée est

f(2)=(2)2−62+4ln⁡2=2−62+2ln⁡2,f\left(\sqrt2\right)=\left(\sqrt2\right)^2-6\sqrt2+4\ln\sqrt2=2-6\sqrt2+2\ln 2,
car 4ln⁡2=2ln⁡24\ln\sqrt2=2\ln 2.

Donc Cf\mathcal{C}_f admet un unique point d'inflexion, de coordonnées (2 ; 2−62+2ln⁡2)\left(\sqrt2\,;\,2-6\sqrt2+2\ln 2\right).

Réponse : ff concave sur ]0 ;2]]0\,;\sqrt2], convexe sur [2 ;+∞[[\sqrt2\,;+\infty[   point d'inflexion (2 ; 2−62+2ln⁡2)\left(\sqrt2\,;\,2-6\sqrt2+2\ln 2\right).

Question 4. b)

Le point A a pour abscisse 2\sqrt2 : c'est le point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f.

Le point M(t ;f(t))M(t\,;f(t)) appartient à Cf\mathcal{C}_f.

Rappel : sur un intervalle où ff est convexe, tout segment joignant deux points de la courbe est situé au-dessus de la courbe   sur un intervalle où ff est concave, il est situé en dessous.

  • Si 0<t<20<t<\sqrt2 : les points A et MM ont leurs abscisses dans ]0 ;2]]0\,;\sqrt2], intervalle sur lequel ff est concave. Donc le segment [AM][AM] est situé en dessous de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

  • Si t>2t>\sqrt2 : les points A et MM ont leurs abscisses dans [2 ;+∞[[\sqrt2\,;+\infty[, intervalle sur lequel ff est convexe. Donc le segment [AM][AM] est situé au-dessus de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

Points clés attendus

  • Lever l'indétermination en +∞+\infty par factorisation de x2x^2 et croissances comparées.

  • Justifier le signe de f′f' à partir de la forme factorisée, puis décrire les variations avec les valeurs de f(1)f(1) et f(2)f(2).

  • Théorème des valeurs intermédiaires : citer la continuité, la stricte monotonie et le changement de signe entre f(4)f(4) et f(5)f(5).

  • Convexité : étudier le signe de f′′f'' et préciser que l'inflexion correspond à un changement de signe.

  • Position du segment [AM][AM] : relier concavité ou convexité à la position de la corde par rapport à la courbe.

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 · Suites · Dérivation et convexité
  • Exercice 3 · 7 points · Orthogonalité et distances dans l'espace
  • 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 (Nouvelle-Calédonie, 26 octobre 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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