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

Bac 2022, Polynésie : exercice 2

30 août 2022 · 7 points Python

Soit kk un nombre réel.

On considère la suite (un)\left(u_n\right) définie par son premier terme u0u_0 et pour tout entier naturel nn,

un+1=kun(1−un).u_{n+1} = ku_n\left(1- u_n\right).

Les deux parties de cet exercice sont indépendantes.

On y étudie deux cas de figure selon les valeurs de kk.

Partie 1

Dans cette partie, k=1,9k = 1,9 et u0=0,1u_0 = 0,1.

On a donc, pour tout entier naturel nn,  un+1=1,9un(1−un)u_{n+1} = 1,9u_n\left(1 - u_n\right).

  1. On considère la fonction ff définie sur [0   1] par f(x)=1,9x(1−x)f(x) = 1,9x(1 - x).

    1. Étudier les variations de ff sur l'intervalle [0   1].

    2. En déduire que si x∈[0  ;  1]x \in [0\;;\;1] alors f(x)∈[0  ;  1]f(x) \in [0\;;\;1].

  2. Ci-dessous sont représentés les premiers termes de la suite (un)\left(u_n\right) construits à partir de la courbe Cf\mathcal{C}_f de la fonction ff et de la droite DD d'équation y=xy = x.

    Conjecturer le sens de variation de la suite (un)\left(u_n\right) et sa limite éventuelle.

    Figure de l'énoncé, exercice 2, Polynésie 30 août 2022
    1. En utilisant les résultats de la question 1, démontrer par récurrence que pour tout entier naturel nn :

      0⩽un⩽un+1⩽12.0 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant \dfrac12.

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

    3. Déterminer sa limite.

Partie 2

Dans cette partie, k=12k= \dfrac12 et u0=14u_0 = \dfrac14.

On a donc, pour tout entier naturel nn,  un+1=12un(1−un)u_{n+1} = \dfrac12 u_n \left(1 - u_n\right) et u0=14u_0 = \dfrac14.

On admet que pour tout entier naturel n: 0⩽un⩽(12)nn :\, 0 \leqslant u_n \leqslant \left(\dfrac12\right)^n.

  1. Démontrer que la suite (un)\left(u_n\right) converge et déterminer sa limite.

  2. On considère la fonction Python algo (p) où p désigne un entier naturel non nul:

    def algo(p) :
          u =1/4
         n = 0
         while u > 10**(-p):
              u = 1/2*u*(1 - u)
              n = n+1
          return(n)

    Expliquer pourquoi, pour tout entier naturel non nul p, la boucle while ne tourne pas indéfiniment, ce qui permet à la commande algo (p) de renvoyer une valeur.

Voir le corrigé

Partie 1

Question 1. a)

La fonction ff est définie sur [0 ;1][0\,;1] par f(x)=1,9x(1−x)=1,9x−1,9x2f(x)=1{,}9x(1-x)=1{,}9x-1{,}9x^2. C'est une fonction polynôme, donc dérivable sur [0 ;1][0\,;1].

Pour tout x∈[0 ;1]x\in[0\,;1] :

f′(x)=1,9−3,8x=1,9(1−2x).f'(x)=1{,}9-3{,}8x=1{,}9\left(1-2x\right).

Comme 1,9>01{,}9>0, le signe de f′(x)f'(x) est celui de 1−2x1-2x :

1−2x>0  ⟺  x<12,1−2x=0  ⟺  x=12,1−2x<0  ⟺  x>12.1-2x>0\iff x<\dfrac12,\qquad 1-2x=0\iff x=\dfrac12,\qquad 1-2x<0\iff x>\dfrac12.

Donc f′(x)>0f'(x)>0 sur [0 ;12[\left[0\,;\dfrac12\right[, f′(12)=0f'\left(\dfrac12\right)=0 et f′(x)<0f'(x)<0 sur ]12 ;1]\left]\dfrac12\,;1\right].

Valeurs aux points remarquables :

f(0)=0,f(12)=1,9×12×12=1,9×14=0,475,f(1)=0.f(0)=0,\qquad f\left(\dfrac12\right)=1{,}9\times\dfrac12\times\dfrac12=1{,}9\times\dfrac14=0{,}475,\qquad f(1)=0.

Donc ff est strictement croissante sur [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right] (de 00 à 0,4750{,}475), puis strictement décroissante sur [12 ;1]\left[\dfrac12\,;1\right] (de 0,4750{,}475 à 00).

Question 1. b)

D'après les variations de ff, son minimum sur [0 ;1][0\,;1] est 00 (atteint en 00 et en 11) et son maximum est 0,4750{,}475 (atteint en 12\dfrac12).

Donc, pour tout x∈[0 ;1]x\in[0\,;1] :

0⩽f(x)⩽0,475⩽1.0\leqslant f(x)\leqslant 0{,}475\leqslant 1.

Donc si x∈[0 ;1]x\in[0\,;1], alors f(x)∈[0 ;1]f(x)\in[0\,;1].

Question 2.

Sur la figure, on lit u0=0,1u_0=0{,}1, u1≈0,171u_1\approx 0{,}171, u2≈0,269u_2\approx 0{,}269 et u3≈0,374u_3\approx 0{,}374.

Ces termes sont rangés dans l'ordre croissant, et les marches de l'escalier se rapprochent du point d'intersection de la courbe Cf\mathcal{C}_f et de la droite DD, dont l'abscisse est un peu inférieure à 0,50{,}5.

Donc on conjecture que la suite (un)\left(u_n\right) est croissante et qu'elle converge vers une limite proche de 0,470{,}47.

Question 3. a)

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

0⩽un⩽un+1⩽12.0\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant\dfrac12.

Initialisation. On a u0=0,1u_0=0{,}1 et u1=1,9×0,1×(1−0,1)=1,9×0,1×0,9=0,171u_1=1{,}9\times 0{,}1\times\left(1-0{,}1\right)=1{,}9\times 0{,}1\times 0{,}9=0{,}171.

Donc 0⩽0,1⩽0,171⩽120\leqslant 0{,}1\leqslant 0{,}171\leqslant\dfrac12, c'est-à-dire 0⩽u0⩽u1⩽120\leqslant u_0\leqslant u_1\leqslant\dfrac12 : 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

0⩽uk⩽uk+1⩽120\leqslant u_k\leqslant u_{k+1}\leqslant\dfrac12
(hypothèse de récurrence). Montrons que P(k+1)P(k+1) est vraie.

Les réels 00, uku_k, uk+1u_{k+1} et 12\dfrac12 appartiennent à l'intervalle [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right], sur lequel ff est croissante d'après la question 1. a).

On applique ff à chaque membre de l'hypothèse de récurrence en conservant le sens des inégalités :

f(0)⩽f(uk)⩽f(uk+1)⩽f(12).f(0)\leqslant f\left(u_k\right)\leqslant f\left(u_{k+1}\right)\leqslant f\left(\dfrac12\right).

Or f(0)=0f(0)=0, f(uk)=uk+1f\left(u_k\right)=u_{k+1}, f(uk+1)=uk+2f\left(u_{k+1}\right)=u_{k+2} et f(12)=0,475f\left(\dfrac12\right)=0{,}475. Donc

0⩽uk+1⩽uk+2⩽0,475.0\leqslant u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant 0{,}475.

Comme 0,475⩽120{,}475\leqslant\dfrac12, on obtient

0⩽uk+1⩽uk+2⩽12.0\leqslant u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant\dfrac12.
Donc 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, P(n)P(n) est vraie pour tout entier naturel nn.

Donc pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, 0⩽un⩽un+1⩽120\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant\dfrac12.

Question 3. b)

D'après la question précédente, pour tout nn, un⩽un+1u_n\leqslant u_{n+1} : la suite (un)\left(u_n\right) est croissante. De plus, un⩽12u_n\leqslant\dfrac12 pour tout nn : elle est majorée par 12\dfrac12.

D'après le théorème de la limite monotone (toute suite croissante et majorée converge), la suite (un)\left(u_n\right) converge.

Question 3. c)

Notons ℓ\ell la limite de (un)\left(u_n\right).

La suite (un)\left(u_n\right) étant croissante, un⩾u0=0,1u_n\geqslant u_0=0{,}1 pour tout nn, donc par passage à la limite dans l'inégalité, ℓ⩾0,1\ell\geqslant 0{,}1. De même ℓ⩽12\ell\leqslant\dfrac12. Ainsi ℓ∈[0,1 ;12]⊂[0 ;1]\ell\in\left[0{,}1\,;\dfrac12\right]\subset[0\,;1].

La fonction ff est continue sur [0 ;1][0\,;1] (fonction polynôme), et un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_n\right) avec un∈[0 ;1]u_n\in[0\,;1]. Par continuité de ff, en passant à la limite quand nn tend vers +∞+\infty, on obtient ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell).

On résout cette équation :

ℓ=1,9 ℓ (1−ℓ)  ⟺  ℓ−1,9 ℓ (1−ℓ)=0  ⟺  ℓ(1−1,9 (1−ℓ))=0  ⟺  ℓ=0  ou  1−1,9 (1−ℓ)=0.\begin{aligned} \ell=1{,}9\,\ell\,(1-\ell)&\iff \ell-1{,}9\,\ell\,(1-\ell)=0\\ &\iff \ell\left(1-1{,}9\,(1-\ell)\right)=0\\ &\iff \ell=0\ \text{ ou }\ 1-1{,}9\,(1-\ell)=0. \end{aligned}

Or 1−1,9 (1−ℓ)=0  ⟺  1−ℓ=11,9  ⟺  ℓ=1−1019=9191-1{,}9\,(1-\ell)=0\iff 1-\ell=\dfrac1{1{,}9}\iff\ell=1-\dfrac{10}{19}=\dfrac{9}{19}.

Comme ℓ⩾0,1>0\ell\geqslant 0{,}1>0, la valeur ℓ=0\ell=0 est exclue.

Donc la limite de la suite (un)\left(u_n\right) est ℓ=919≈0,474\ell=\dfrac9{19}\approx 0{,}474, ce qui est cohérent avec la conjecture de la question 2.

Réponse : ℓ=919≈0,474\ell=\dfrac9{19}\approx 0{,}474.

Partie 2

Question 1.

On admet que, pour tout entier naturel nn :

0⩽un⩽(12)n.0\leqslant u_n\leqslant\left(\dfrac12\right)^n.

La suite ((12)n)\left(\left(\dfrac12\right)^n\right) est géométrique de raison 12\dfrac12 avec −1<12<1-1<\dfrac12<1 : elle converge vers 00.

On a donc l'encadrement 0⩽un⩽(12)n0\leqslant u_n\leqslant\left(\dfrac12\right)^n, la suite constante nulle et la suite ((12)n)\left(\left(\dfrac12\right)^n\right) ayant toutes deux pour limite 00.

D'après le théorème des gendarmes, la suite (un)\left(u_n\right) converge et lim⁡n→+∞un=0\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=0.

Réponse : (un)\left(u_n\right) converge vers 00.

Question 2.

Soit pp un entier naturel non nul. Le réel 10−p10^{-p} est strictement positif.

D'après la question 1, lim⁡n→+∞un=0\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=0. Par définition de la limite, l'intervalle ]−10−p ;10−p[\left]-10^{-p}\,;10^{-p}\right[ contient tous les termes unu_n à partir d'un certain rang NN. En particulier, pour tout n⩾Nn\geqslant N : un<10−pu_n<10^{-p}.

Dans la fonction algo(p), la variable u prend successivement les valeurs u0u_0, u1u_1, u2u_2, ... et la variable n vaut à chaque passage l'indice du terme contenu dans u.

La condition de la boucle while u > 10**(-p) devient donc fausse dès que n atteint la valeur NN (au plus). La boucle s'exécute donc un nombre fini de fois.

Donc la boucle while ne tourne pas indéfiniment, et algo(p) renvoie le plus petit entier nn tel que un⩽10−pu_n\leqslant 10^{-p}.

Points clés attendus

  • Étudier ff avec le signe de f′f' et donner les valeurs f(0)f(0), f(12)f\left(\dfrac12\right), f(1)f(1) pour déduire que f([0 ;1])⊂[0 ;1]f([0\,;1])\subset[0\,;1].

  • Dans l'hérédité, citer la croissance de ff sur [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right] et vérifier que les termes y appartiennent bien.

  • Citer le théorème de la limite monotone (suite croissante et majorée) puis passer à la limite dans un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_n\right) en invoquant la continuité de ff.

  • Écarter la solution ℓ=0\ell=0 en utilisant ℓ⩾u0=0,1\ell\geqslant u_0=0{,}1.

  • Citer le théorème des gendarmes avec −1<12<1-1<\dfrac12<1 dans la partie 2.

  • Pour l'algorithme, relier la limite nulle de la suite à l'arrêt de la boucle while.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Polynésie, 30 août 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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