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

Bac 2023, Amérique du Nord : exercice 4

27 mars 2023 · jour 1 · 5 points Python

On considère la suite (un)\left(u_{n}\right) définie par u0=5u_{0}=5 et pour tout entier naturel nn,

un+1=12(un+11un)u_{n+1}=\frac{1}{2}\left(u_{n}+\frac{11}{u_{n}}\right)

On admet que la suite (un)\left(u_{n}\right) est bien définie.

Partie A - Étude de la suite (un)\left(u_{n}\right)

  1. Donner u1u_{1} et u2u_{2} sous forme de fractions irréductibles.

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

    f(x)=12(x+11x)f(x)=\frac{1}{2}\left(x+\frac{11}{x}\right)

    Démontrer que la fonction ff est croissante sur l'intervalle [11  ;  +∞[\left[\sqrt{11}\;;\;+\infty\right[.

  3. Démontrer par récurrence que pour tout entier naturel nn, on a :un⩾un+1⩾11: u_{n} \geqslant u_{n+1} \geqslant \sqrt{11}.

  4. En déduire que la suite (un)\left(u_{n}\right) converge vers une limite réelle. On note aa cette limite.

  5. Après avoir déterminé et résolu une équation dont aa est solution, préciser la valeur exacte de aa.

Partie B - Application géométrique

Pour tout entier naturel nn, on considère un rectangle RnR_{n} d'aire 11 dont la largeur est notée ℓn\ell_{n} et longueur LnL_{n}

La suite (Ln)\left(L_{n}\right) est définie par L0=5L_{0}=5 et, pour tout entier naturel nn,

Ln+1=Ln+ℓn2L_{n+1}=\frac{L_{n}+\ell_{n}}{2}

    1. Expliquer pourquoi ℓ0=2,2\ell_{0}=2,2.

    2. Établir que pour tout entier naturel nn,

      ℓn=11Ln.\ell_{n}=\frac{11}{L_{n}}.

  1. Vérifier que la suite (Ln)\left(L_{n}\right) correspond à la suite (un)\left(u_{n}\right) de la partie A.

  2. Montrer que pour tout entier naturel nn, on a ℓn⩽11⩽Ln\ell_{n} \leqslant \sqrt{11} \leqslant L_{n}.

  3. On admet que les suites (Ln)\left(L_{n}\right) et (ℓn)\left(\ell_{n}\right) convergent toutes les deux vers 11\sqrt{11}. Interpréter géométriquement ce résultat dans le contexte de la partie B.

  4. Voici un script, écrit en langage Python, relatif aux suites étudiées dans cette partie :

    1def heron(n):
    2  LL=5
    3  ℓ\ell=2.2
    4  for i in range(n):
    5  LL = (LL+ℓ\ell) / 2
    6  ℓ\ell = 11 / LL
    7  return round(ℓ\ell,6), round(LL,6)

    On rappelle que la fonction Python round(x,k) renvoie une version arrondie du nombre x avec k décimales.

    1. Si l'utilisateur tape heron(3) dans une console d'exécution Python, qu'obtient-il comme valeurs de sortie pour ℓ\ell et LL ?

    2. Donner une interprétation de ces deux valeurs.

Voir le corrigé

Partie A - Étude de la suite (un)(u_n)

Question 1.

On a u0=5u_0=5, donc

u1=12(5+115)=12×25+115=12×365=185.u_1=\dfrac12\left(5+\dfrac{11}{5}\right)=\dfrac12\times\dfrac{25+11}{5}=\dfrac12\times\dfrac{36}{5}=\dfrac{18}{5}.

Puis

u2=12(185+1118/5)=12(185+5518)=12×18×18+55×590=12×324+27590=599180.u_2=\dfrac12\left(\dfrac{18}{5}+\dfrac{11}{18/5}\right)=\dfrac12\left(\dfrac{18}{5}+\dfrac{55}{18}\right)=\dfrac12\times\dfrac{18\times18+55\times5}{90}=\dfrac12\times\dfrac{324+275}{90}=\dfrac{599}{180}.

Les fractions sont irréductibles : 18=2×3218=2\times3^2 et 55 n'ont aucun diviseur premier commun, et 599599 est un nombre premier qui ne divise pas 180=22×32×5180=2^2\times3^2\times5.

Donc u1=185u_1=\dfrac{18}{5} et u2=599180u_2=\dfrac{599}{180}.

Réponse : u1=185u_1=\dfrac{18}{5}, u2=599180u_2=\dfrac{599}{180}.

Question 2.

La fonction ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ comme somme de x↦xx\mapsto x et de x↦11xx\mapsto\dfrac{11}{x} (multipliée par 12\dfrac12).

Pour tout x>0x>0,

f′(x)=12(1−11x2)=12×x2−11x2=x2−112x2.f'(x)=\dfrac12\left(1-\dfrac{11}{x^2}\right)=\dfrac12\times\dfrac{x^2-11}{x^2}=\dfrac{x^2-11}{2x^2}.

Soit x⩾11x\geqslant\sqrt{11}. Alors x>0x>0 donc x2⩾11x^2\geqslant11 (la fonction carré est croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[), c'est-à-dire x2−11⩾0x^2-11\geqslant0. Comme 2x2>02x^2>0, on a f′(x)⩾0f'(x)\geqslant0.

La dérivée est positive sur [11 ;+∞[[\sqrt{11}\,;+\infty[, donc la fonction ff est croissante sur cet intervalle.

Question 3.

Pour tout entier naturel nn, on note P(n)P(n) la propriété un⩾un+1⩾11u_n\geqslant u_{n+1}\geqslant\sqrt{11}.

Initialisation.

On a u0=5u_0=5 et u1=185=3,6u_1=\dfrac{18}{5}=3{,}6. Comme 3,32=10,89<113{,}3^2=10{,}89<11 et 3,42=11,56>113{,}4^2=11{,}56>11, on a 3,3<11<3,43{,}3<\sqrt{11}<3{,}4, donc 11<3,6\sqrt{11}<3{,}6.

Donc 5⩾3,6⩾115\geqslant3{,}6\geqslant\sqrt{11}, c'est-à-dire u0⩾u1⩾11u_0\geqslant u_1\geqslant\sqrt{11} : 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

uk⩾uk+1⩾11(hypotheˋse de reˊcurrence).u_k\geqslant u_{k+1}\geqslant\sqrt{11}\quad\text{(hypothèse de récurrence)}.

Montrons P(k+1)P(k+1) : uk+1⩾uk+2⩾11u_{k+1}\geqslant u_{k+2}\geqslant\sqrt{11}.

Les trois nombres uku_k, uk+1u_{k+1} et 11\sqrt{11} appartiennent à [11 ;+∞[[\sqrt{11}\,;+\infty[, intervalle sur lequel ff est croissante (question 2). On applique ff aux membres de l'hypothèse de récurrence en conservant le sens des inégalités :

f(uk)⩾f(uk+1)⩾f(11).f(u_k)\geqslant f(u_{k+1})\geqslant f\left(\sqrt{11}\right).

Or f(uk)=uk+1f(u_k)=u_{k+1}, f(uk+1)=uk+2f(u_{k+1})=u_{k+2} et

f(11)=12(11+1111)=12(11+11)=11.f\left(\sqrt{11}\right)=\dfrac12\left(\sqrt{11}+\dfrac{11}{\sqrt{11}}\right)=\dfrac12\left(\sqrt{11}+\sqrt{11}\right)=\sqrt{11}.

On obtient uk+1⩾uk+2⩾11u_{k+1}\geqslant u_{k+2}\geqslant\sqrt{11} : 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, pour tout entier naturel nn, un⩾un+1⩾11u_n\geqslant u_{n+1}\geqslant\sqrt{11}.

Question 4.

D'après la question précédente, pour tout nn, un+1⩽unu_{n+1}\leqslant u_n : la suite (un)(u_n) est décroissante.

Toujours d'après la question précédente, pour tout nn, un⩾11u_n\geqslant\sqrt{11} : la suite (un)(u_n) est minorée par 11\sqrt{11}.

D'après le théorème de la limite monotone (toute suite décroissante et minorée converge), la suite (un)(u_n) converge vers une limite réelle aa.

Question 5.

Pour tout nn, un⩾11u_n\geqslant\sqrt{11}. Par passage à la limite dans une inégalité large, a⩾11a\geqslant\sqrt{11}, donc a>0a>0.

La fonction ff est continue sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ (elle y est dérivable), et un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_n) avec lim⁡n→+∞un=a∈]0 ;+∞[\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=a\in]0\,;+\infty[. Par continuité de ff en aa, on obtient a=f(a)a=f(a).

On résout cette équation, avec a>0a>0 :

a=12(a+11a)  ⟺  2a=a+11a  ⟺  a=11a  ⟺  a2=11.\begin{aligned} a=\dfrac12\left(a+\dfrac{11}{a}\right)&\iff2a=a+\dfrac{11}{a}\\ &\iff a=\dfrac{11}{a}\\ &\iff a^2=11. \end{aligned}

Comme a>0a>0, on obtient a=11a=\sqrt{11}.

Donc la suite (un)(u_n) converge vers 11\sqrt{11}.

Réponse : a=11a=\sqrt{11}.

Partie B - Application géométrique

Question 1. a)

L'aire du rectangle R0R_0 est égale au produit de sa longueur par sa largeur, et vaut 1111 :

L0×ℓ0=11.L_0\times\ell_0=11.

Comme L0=5L_0=5, on a ℓ0=115=2,2\ell_0=\dfrac{11}{5}=2{,}2.

1. b)

Pour tout entier naturel nn, l'aire de RnR_n est 1111, donc Ln×ℓn=11L_n\times\ell_n=11.

La longueur LnL_n est non nulle (c'est une longueur), donc

ℓn=11Ln.\ell_n=\dfrac{11}{L_n}.

Question 2.

On a L0=5=u0L_0=5=u_0.

Pour tout entier naturel nn, avec ℓn=11Ln\ell_n=\dfrac{11}{L_n},

Ln+1=Ln+ℓn2=12(Ln+11Ln)=f(Ln).L_{n+1}=\dfrac{L_n+\ell_n}{2}=\dfrac12\left(L_n+\dfrac{11}{L_n}\right)=f(L_n).

La suite (Ln)(L_n) a le même premier terme que (un)(u_n) et vérifie la même relation de récurrence Ln+1=f(Ln)L_{n+1}=f(L_n). Par une récurrence immédiate, Ln=unL_n=u_n pour tout entier naturel nn.

Donc la suite (Ln)(L_n) correspond bien à la suite (un)(u_n) de la partie A.

Question 3.

D'après la partie A, pour tout nn, Ln=un⩾11L_n=u_n\geqslant\sqrt{11}.

La fonction inverse est décroissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et Ln⩾11>0L_n\geqslant\sqrt{11}>0, donc

1Ln⩽111,puisℓn=11Ln⩽1111=11.\dfrac{1}{L_n}\leqslant\dfrac{1}{\sqrt{11}},\quad\text{puis}\quad\ell_n=\dfrac{11}{L_n}\leqslant\dfrac{11}{\sqrt{11}}=\sqrt{11}.

Donc, pour tout entier naturel nn, ℓn⩽11⩽Ln\ell_n\leqslant\sqrt{11}\leqslant L_n.

Question 4.

Les suites (Ln)(L_n) et (ℓn)(\ell_n) convergent toutes deux vers 11\sqrt{11} : la longueur et la largeur des rectangles RnR_n se rapprochent de la même valeur 11\sqrt{11}, tout en gardant l'aire égale à 1111.

Donc les rectangles RnR_n se rapprochent d'un carré de côté 11\sqrt{11}, d'aire 1111.

Question 5. a)

La fonction heron(n) part de L=L0=5L=L_0=5 et ℓ=ℓ0=2,2\ell=\ell_0=2{,}2. À chaque passage dans la boucle, elle calcule d'abord Li+1=Li+ℓi2L_{i+1}=\dfrac{L_i+\ell_i}{2}, puis ℓi+1=11Li+1\ell_{i+1}=\dfrac{11}{L_{i+1}}.

Après 33 passages, les variables contiennent donc L3L_3 et ℓ3\ell_3. Les calculs donnent :

L1=185=3,6,ℓ1=113,6=5518≈3,0556,L2=599180≈3,327778,ℓ2=1980599≈3,305509,L3=715201215640≈3,316643,ℓ3=11L3≈3,316606.\begin{aligned} L_1&=\dfrac{18}{5}=3{,}6,\quad\ell_1=\dfrac{11}{3{,}6}=\dfrac{55}{18}\approx3{,}0556,\\ L_2&=\dfrac{599}{180}\approx3{,}327778,\quad\ell_2=\dfrac{1980}{599}\approx3{,}305509,\\ L_3&=\dfrac{715201}{215640}\approx3{,}316643,\quad\ell_3=\dfrac{11}{L_3}\approx3{,}316606. \end{aligned}

La fonction renvoie d'abord round(l,6) puis round(L,6). La commande heron(3) affiche donc (3.316606, 3.316643).

Réponse : ℓ≈3,316606\ell\approx3{,}316606 et L≈3,316643L\approx3{,}316643.

5. b)

D'après la question 3, ℓ3⩽11⩽L3\ell_3\leqslant\sqrt{11}\leqslant L_3, donc

3,316606⩽11⩽3,316643.3{,}316606\leqslant\sqrt{11}\leqslant3{,}316643.

Ces deux valeurs sont des valeurs approchées de 11\sqrt{11}, par défaut pour ℓ3\ell_3 et par excès pour L3L_3, qui l'encadrent avec une amplitude inférieure à 4×10−54\times10^{-5}.

Ce sont aussi la largeur et la longueur du rectangle R3R_3, d'aire 1111, déjà très proche d'un carré de côté 11\sqrt{11}.

Points clés attendus

  • Dériver ff, justifier le signe de f′f' sur [11 ;+∞[[\sqrt{11}\,;+\infty[ par x2⩾11x^2\geqslant11, et en déduire la croissance de ff.

  • Rédiger la récurrence complète : initialisation, hérédité avec la croissance de ff sur [11 ;+∞[[\sqrt{11}\,;+\infty[ et le calcul f(11)=11f(\sqrt{11})=\sqrt{11}, conclusion.

  • Citer le théorème de la limite monotone (décroissante et minorée) pour la convergence.

  • Justifier le passage à la limite dans a=f(a)a=f(a) par continuité de ff, puis choisir la racine positive.

  • Relier l'aire constante 1111 à ℓn=11Ln\ell_n=\dfrac{11}{L_n} et reconnaître la même récurrence que la suite (un)(u_n).

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Comment t'entraîner

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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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