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

Bac 2023, Amérique du Nord : exercice 1

28 mars 2023 · jour 2 · 5 points

Partie A

Le plan est muni d'un repère orthogonal.

On considère une fonction ff définie et dérivable sur R\mathbb{R}. On note f′f' sa fonction dérivée. On donne ci-dessous la courbe représentative de la fonction dérivée f′f'.

Figure de l'énoncé, exercice 1, Amérique du Nord 28 mars 2023

Dans cette partie, les résultats seront obtenus par lecture graphique de la courbe représentative de la fonction dérivée f′f'. Aucune justification n'est demandée.

  1. Donner le sens de variation de la fonction ff sur R\mathbb{R}. On utilisera des valeurs approchées si besoin.

  2. Donner les intervalles sur lesquels la fonction ff semble être convexe.

Partie B

On admet que la fonction ff de la partie A\mathbf{A} est définie sur R\mathbb{R} par

f(x)=(x2−5x+6)ex.f(x)=\left(x^{2}- 5 x + 6\right) \mathrm{e}^{x}.

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

    1. Déterminer la limite de la fonction ff en +∞+\infty.

    2. Déterminer la limite de la fonction ff en −∞-\infty.

  1. Montrer que, pour tout réel xx, on a f′(x)=(x2−3x+1)exf'(x)=\left(x^{2}-3 x+1\right) \mathrm{e}^{x}.

  2. En déduire le sens de variation de la fonction ff.

  3. Déterminer l'équation réduite de la tangente (T)(\mathcal{T}) à la courbe C\mathcal{C} au point d'abscisse 0.

On admet que la fonction ff est deux fois dérivable sur R\mathbb{R}. On note f′′f'' la fonction dérivée seconde de la fonction ff. On admet que, pour tout réel xx, on a f′′(x)=(x+1)(x−2)exf''(x) = (x + 1)(x - 2) \mathrm{e}^{x}.

    1. Étudier la convexité de la fonction ff sur R\mathbb{R}.

    2. Montrer que, pour tout xx appartenant à l'intervalle [−1  ;  2][-1\;;\;2], on a f(x)⩽x+6f(x) \leqslant x + 6.

Voir le corrigé

Partie A

Question 1.

Le sens de variation de ff se lit sur le signe de f′f' : ff est croissante là où f′⩾0f'\geqslant0 et décroissante là où f′⩽0f'\leqslant0.

Sur la courbe de f′f' : la courbe est au-dessus de l'axe des abscisses pour xx inférieur à environ 0,40{,}4, en dessous entre environ 0,40{,}4 et environ 2,62{,}6, puis de nouveau au-dessus au-delà de 2,62{,}6.

Donc, avec des valeurs approchées, ff est croissante sur ]−∞ ;0,4]]-\infty\,;0{,}4], décroissante sur [0,4 ;2,6][0{,}4\,;2{,}6] et croissante sur [2,6 ;+∞[[2{,}6\,;+\infty[.

Question 2.

La fonction ff est convexe sur un intervalle si et seulement si sa dérivée f′f' est croissante sur cet intervalle.

Sur la courbe de f′f' : elle est croissante jusqu'à x=−1x=-1 environ (maximum), décroissante entre −1-1 et 22 (minimum), puis croissante pour x⩾2x\geqslant2.

Donc ff semble convexe sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1] et sur [2 ;+∞[[2\,;+\infty[.

Partie B

Question 1. a)

Pour tout x≠0x\neq0, x2−5x+6=x2(1−5x+6x2)x^2-5x+6=x^2\left(1-\dfrac5x+\dfrac6{x^2}\right).

On a lim⁡x→+∞5x=lim⁡x→+∞6x2=0\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac5x=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac6{x^2}=0, donc lim⁡x→+∞(1−5x+6x2)=1\lim\limits_{x\to+\infty}\left(1-\dfrac5x+\dfrac6{x^2}\right)=1, puis, par produit avec x2x^2, lim⁡x→+∞(x2−5x+6)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\left(x^2-5x+6\right)=+\infty.

De plus lim⁡x→+∞ex=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{x}=+\infty.

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 1. b)

En −∞-\infty, le produit (x2−5x+6)ex\left(x^2-5x+6\right)\mathrm{e}^{x} présente une forme indéterminée « +∞×0+\infty\times0 ». On développe : pour tout réel xx,

f(x)=x2ex−5xex+6ex.f(x)=x^2\mathrm{e}^{x}-5x\mathrm{e}^{x}+6\mathrm{e}^{x}.

Par croissances comparées, lim⁡x→−∞x2ex=0\lim\limits_{x\to-\infty}x^2\mathrm{e}^{x}=0 et lim⁡x→−∞xex=0\lim\limits_{x\to-\infty}x\mathrm{e}^{x}=0.

De plus lim⁡x→−∞ex=0\lim\limits_{x\to-\infty}\mathrm{e}^{x}=0.

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

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

Question 2.

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme produit de deux fonctions dérivables sur R\mathbb{R}.

On applique (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' avec u(x)=x2−5x+6u(x)=x^2-5x+6, u′(x)=2x−5u'(x)=2x-5, v(x)=exv(x)=\mathrm{e}^{x} et v′(x)=exv'(x)=\mathrm{e}^{x}.

Pour tout réel xx :

f′(x)=(2x−5)ex+(x2−5x+6)ex=(2x−5+x2−5x+6)ex=(x2−3x+1)ex.\begin{aligned} f'(x)&=(2x-5)\mathrm{e}^{x}+\left(x^2-5x+6\right)\mathrm{e}^{x}\\ &=\left(2x-5+x^2-5x+6\right)\mathrm{e}^{x}\\ &=\left(x^2-3x+1\right)\mathrm{e}^{x}. \end{aligned}

Donc, pour tout réel xx, f′(x)=(x2−3x+1)exf'(x)=\left(x^2-3x+1\right)\mathrm{e}^{x}.

Question 3.

Pour tout réel xx, ex>0\mathrm{e}^{x}>0, donc f′(x)f'(x) a le même signe que le trinôme x2−3x+1x^2-3x+1.

Ce trinôme a pour discriminant Δ=(−3)2−4×1×1=5>0\Delta=(-3)^2-4\times1\times1=5>0, donc deux racines réelles :

x1=3−52≈0,38etx2=3+52≈2,62.x_1=\dfrac{3-\sqrt5}{2}\approx0{,}38\quad\text{et}\quad x_2=\dfrac{3+\sqrt5}{2}\approx2{,}62.

Le coefficient de x2x^2 est 1>01>0, donc le trinôme est strictement positif à l'extérieur des racines et strictement négatif entre elles.

Donc f′>0f'>0 sur ]−∞ ;x1[]-\infty\,;x_1[ et sur ]x2 ;+∞[]x_2\,;+\infty[, et f′<0f'<0 sur ]x1 ;x2[]x_1\,;x_2[.

Donc ff est strictement croissante sur ]−∞ ;x1]]-\infty\,;x_1], strictement décroissante sur [x1 ;x2][x_1\,;x_2] et strictement croissante sur [x2 ;+∞[[x_2\,;+\infty[, avec x1=3−52x_1=\dfrac{3-\sqrt5}{2} et x2=3+52x_2=\dfrac{3+\sqrt5}{2}. Ce résultat est cohérent avec la lecture graphique de la partie A.

Question 4.

La tangente (T)(\mathcal{T}) à C\mathcal{C} au point d'abscisse 00 a pour équation y=f′(0)(x−0)+f(0)y=f'(0)(x-0)+f(0).

On a f(0)=(0−0+6)e0=6f(0)=\left(0-0+6\right)\mathrm{e}^{0}=6 et f′(0)=(0−0+1)e0=1f'(0)=\left(0-0+1\right)\mathrm{e}^{0}=1.

Donc (T)(\mathcal{T}) a pour équation y=x+6y=x+6.

Réponse : (T) : y=x+6(\mathcal{T})\,:\ y=x+6.

Question 5. a)

Pour tout réel xx, ex>0\mathrm{e}^{x}>0, donc f′′(x)=(x+1)(x−2)exf''(x)=(x+1)(x-2)\mathrm{e}^{x} a le même signe que (x+1)(x−2)(x+1)(x-2).

Ce trinôme a pour racines −1-1 et 22 et un coefficient dominant positif : il est strictement positif sur ]−∞ ;−1[]-\infty\,;-1[ et sur ]2 ;+∞[]2\,;+\infty[, et strictement négatif sur ]−1 ;2[]-1\,;2[.

Donc f′′⩾0f''\geqslant0 sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1] et sur [2 ;+∞[[2\,;+\infty[, et f′′⩽0f''\leqslant0 sur [−1 ;2][-1\,;2].

Donc ff est convexe sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1] et sur [2 ;+∞[[2\,;+\infty[, et concave sur [−1 ;2][-1\,;2]. La dérivée seconde s'annule en changeant de signe en −1-1 et en 22 : les points de C\mathcal{C} d'abscisses −1-1 et 22 sont des points d'inflexion.

Question 5. b)

D'après la question 5. a), ff est concave sur [−1 ;2][-1\,;2], donc sur cet intervalle la courbe C\mathcal{C} est située en dessous de chacune de ses tangentes.

Le point d'abscisse 00 appartient à [−1 ;2][-1\,;2], donc la courbe C\mathcal{C} est en dessous de sa tangente (T)(\mathcal{T}) en ce point sur [−1 ;2][-1\,;2].

D'après la question 4, (T)(\mathcal{T}) a pour équation y=x+6y=x+6.

Donc, pour tout x∈[−1 ;2]x\in[-1\,;2], f(x)⩽x+6f(x)\leqslant x+6.

Points clés attendus

  • Partie A : relier le signe de f′f' aux variations de ff et la croissance de f′f' à la convexité de ff.

  • Lever la forme indéterminée en −∞-\infty en développant puis en citant les croissances comparées.

  • Justifier le signe de f′f' par ex>0\mathrm{e}^{x}>0 et le signe du trinôme (discriminant, racines, signe à l'extérieur des racines).

  • Pour la question 5. b), citer la position d'une courbe concave par rapport à ses tangentes et rappeler que 0∈[−1 ;2]0\in[-1\,;2].

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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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Amérique du Nord, 28 mars 2023 (jour 2)), 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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