Terminale Spé Maths / Chapitre 4 : Dérivation et convexité / Annales du bac
Bac 2023, Amérique du Nord : exercice 2
On considère la fonction définie sur par :
Le but de cet exercice est d'étudier la fonction sur .
Partie A - Étude d'une fonction auxiliaire
On définit la fonction sur par :
Déterminer la limite de la fonction en .
Déterminer la limite de la fonction en .
On admet que la fonction est dérivable sur , et on note sa fonction dérivée. Démontrer que pour tout nombre réel , on a .
Étudier le signe de la fonction dérivée sur .
En déduire le tableau de variations de la fonction sur . Vérifier que la fonction admet un minimum égal à .
Montrer que est solution de l'équation .
Montrer que l'équation admet une deuxième solution, non nulle, notée , dont on donnera un encadrement d'amplitude .
Déduire des questions précédentes le signe de la fonction sur .
Partie B - Étude de la fonction
La fonction est dérivable sur , et on note sa fonction dérivée.
Démontrer que pour tout nombre réel , on a , où est la fonction définie dans la partie A.
En déduire alors le signe de la fonction dérivée puis les variations de la fonction sur .
Pourquoi la fonction n'est-elle pas convexe sur ? Expliquer.
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Partie A - Étude d'une fonction auxiliaire
Question 1. a)
Quand , on a donc (limite d'une composée).
De plus .
Par somme, .
Réponse : .
1. b)
En , la limite de est de la forme indéterminée . On factorise par le terme dominant : pour tout réel ,
On a . En posant , quand d'après le théorème des croissances comparées, et .
Donc le facteur entre parenthèses tend vers .
Comme , par produit, .
Réponse : .
Question 2. a)
La fonction est dérivable sur . La dérivée de est (dérivée de : avec ).
Donc, pour tout réel ,
2. b)
On résout :
La fonction est strictement croissante sur , donc
Donc :
sur
sur .
2. c)
D'après le signe de , la fonction est strictement décroissante sur , puis strictement croissante sur .
Ses limites en et en valent .
Le minimum de est atteint en . On calcule, avec :
Donc admet un minimum égal à (), atteint en .
Question 3. a)
On a .
Donc est solution de l'équation .
3. b)
On a (car ), donc le minimum est strictement négatif.
Sur l'intervalle : la fonction est continue (car dérivable), strictement décroissante, de limite en , et . Donc réalise une bijection de sur , qui contient .
D'après le théorème de la bijection (ou théorème des valeurs intermédiaires pour une fonction continue strictement monotone), l'équation admet une unique solution dans .
Comme , on a , donc .
Sur l'intervalle : la fonction est strictement croissante et , donc est la seule solution de sur .
L'équation admet donc exactement deux solutions : et .
Encadrement. À la calculatrice, et .
Les réels et appartiennent à et est strictement décroissante sur , donc implique .
Donc l'équation admet une seconde solution non nulle , avec .
Réponse : .
Question 4.
On utilise les variations de et le fait que .
Sur : est strictement décroissante sur et s'annule en , donc .
Sur : est d'abord strictement décroissante jusqu'à son minimum négatif, puis strictement croissante jusqu'à elle reste strictement inférieure à .
Sur : est strictement croissante sur et , donc .
Donc sur , sur , et .
Partie B - Étude de la fonction
Question 1.
La fonction s'écrit . On dérive le produit avec la formule , où et :
La dérivée de est . Donc, pour tout réel ,
Comme , on factorise par :
Question 2.
Pour tout réel , : le signe de est donc celui de . D'après la partie A :
sur
sur
sur
.
Donc la fonction est strictement croissante sur , strictement décroissante sur , puis strictement croissante sur .
Question 3.
Une fonction deux fois dérivable est convexe sur si et seulement si sa dérivée est croissante sur (de façon équivalente, si ).
Or n'est pas croissante sur . En effet, donc , avec . D'après la question 2, et , alors que .
Donc n'est pas croissante sur , et la fonction n'est pas convexe sur .
Points clés attendus
Lever la forme indéterminée en en factorisant par et citer les croissances comparées.
Justifier le minimum par les variations de et le calcul de .
Appliquer le théorème des valeurs intermédiaires (ou de la bijection) en vérifiant continuité, stricte monotonie et signes aux bornes, puis conclure à l'unicité sur l'intervalle choisi.
Dériver avec la formule du produit et factoriser par pour faire apparaître .
Justifier la non-convexité par le fait que n'est pas croissante (ou que change de signe).
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.
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- Chapitre 4 : Dérivation et convexité : le cours · exercices type bac corrigés
Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Amérique du Nord, 27 mars 2023 (jour 1)), 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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