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

Bac 2023, Amérique du Nord : exercice 2

28 mars 2023 · jour 2 · 5 points Python

On étudie un groupe de 3000 sportifs qui pratiquent soit l'athlétisme dans le club A, soit le basketball dans le club B.

En 2023, le club A compte 1700 membres et le club B en compte 1300.

On décide de modéliser le nombre de membres du club A et du club B respectivement par deux suites (an)\left(a_{n}\right) et (bn)\left(b_{n}\right), où nn désigne le rang de l'année à partir de 2023.

L'année 2023 correspond au rang 0. On a alors a0=1700a_{0}= 1700 et b0=1300b_{0} = 1300.

Pour notre étude, on fait les hypothèses suivantes :

  • durant l'étude, aucun sportif ne quitte le groupe

  • chaque année, 15 %15\,\% des sportifs du club A quittent ce club et adhèrent au club B

  • chaque année, 10 %10\,\% des sportifs du club B quittent ce club et adhèrent au club AA.

  1. Calculer les nombres de membres de chaque club en 2024.

  2. Pour tout entier naturel nn, déterminer une relation liant ana_{n} et bnb_{n}.

  3. Montrer que la suite (an)\left(a_{n}\right) vérifie la relation suivante pour tout entier naturel nn, on a :

    an+1=0,75an+300.a_{n+1}= 0,75 a_{n} + 300.

    1. Démontrer par récurrence que pour tout entier naturel nn, on a :

      1200⩽an+1⩽an⩽1700.1200 \leqslant a_{n+1} \leqslant a_{n} \leqslant 1700.

    2. En déduire que la suite (an)\left(a_{n}\right) converge.

  4. Soit (vn)\left(v_{n}\right) la suite définie pour tout entier naturel nn par vn=an−1200v_{n}=a_{n}- 1200.

    1. Démontrer que la suite (vn)\left(v_{n}\right) est géométrique.

    2. Exprimer vnv_{n} en fonction de nn.

    3. En déduire que pour tout entier naturel n,an=500×0,75n+1200n, a_{n}= 500 \times 0,75^{n}+ 1200.

    1. Déterminer la limite de la suite (an)\left(a_{n}\right).

    2. Interpréter le résultat de la question précédente dans le contexte de l'exercice.

    1. Recopier et compléter le programme Python ci-dessous afin qu'il renvoie la plus petite valeur de n à partir de laquelle le nombre de membres du club A est strictement inférieur à 1280.

      defseuil() :
      n = 0
      A = 1700
      while ... :
        n=n+1
        A = …
      return…
    2. Déterminer la valeur renvoyée lorsqu'on appelle la fonction seuil.

Voir le corrigé

Question 1.

Chaque année, 15 %15\,\% des membres du club A passent au club B et 10 %10\,\% des membres du club B passent au club A, donc 85 %85\,\% des membres de A restent en A et 90 %90\,\% des membres de B restent en B.

Le nombre de membres du club A en 2024 est donc

a1=0,85×1700+0,10×1300=1445+130=1575.a_1=0{,}85\times1700+0{,}10\times1300=1445+130=1575.

Le nombre de membres du club B en 2024 est

b1=0,15×1700+0,90×1300=255+1170=1425.b_1=0{,}15\times1700+0{,}90\times1300=255+1170=1425.

Contrôle : a1+b1=1575+1425=3000a_1+b_1=1575+1425=3000.

Donc, en 2024, le club A compte 15751575 membres et le club B en compte 14251425.

Réponse : a1=1575a_1=1575 et b1=1425b_1=1425.

Question 2.

Aucun sportif ne quitte le groupe et aucun n'y entre, et chaque sportif appartient à exactement un des deux clubs. Donc le nombre total de sportifs reste égal à 30003000.

Donc, pour tout entier naturel nn, an+bn=3000a_n+b_n=3000.

Question 3.

Pour tout entier naturel nn, les membres du club A l'année n+1n+1 sont les 85 %85\,\% des membres de A qui restent, auxquels s'ajoutent les 10 %10\,\% des membres de B qui arrivent :

an+1=0,85 an+0,10 bn.a_{n+1}=0{,}85\,a_n+0{,}10\,b_n.

D'après la question 2, bn=3000−anb_n=3000-a_n, donc

an+1=0,85 an+0,10 (3000−an)=0,85 an+300−0,10 an=0,75 an+300.\begin{aligned} a_{n+1}&=0{,}85\,a_n+0{,}10\,(3000-a_n)\\ &=0{,}85\,a_n+300-0{,}10\,a_n\\ &=0{,}75\,a_n+300. \end{aligned}

Donc, pour tout entier naturel nn, an+1=0,75 an+300a_{n+1}=0{,}75\,a_n+300.

Question 4. a)

Pour tout entier naturel nn, on note P(n)\mathcal{P}(n) la propriété : 1200⩽an+1⩽an⩽17001200\leqslant a_{n+1}\leqslant a_n\leqslant1700.

Initialisation. On a a0=1700a_0=1700 et a1=1575a_1=1575 (question 1), donc 1200⩽1575⩽1700⩽17001200\leqslant1575\leqslant1700\leqslant1700 : P(0)\mathcal{P}(0) est vraie.

Hérédité. Soit kk un entier naturel fixé tel que P(k)\mathcal{P}(k) soit vraie, c'est-à-dire 1200⩽ak+1⩽ak⩽17001200\leqslant a_{k+1}\leqslant a_k\leqslant1700 (hypothèse de récurrence). Montrons P(k+1)\mathcal{P}(k+1) : 1200⩽ak+2⩽ak+1⩽17001200\leqslant a_{k+2}\leqslant a_{k+1}\leqslant1700.

La fonction g : x↦0,75x+300g\,:\,x\mapsto0{,}75x+300 est strictement croissante sur R\mathbb{R} (fonction affine de coefficient directeur 0,75>00{,}75>0), donc elle conserve l'ordre. On l'applique à chaque membre de l'hypothèse de récurrence, en rappelant que ak+2=g(ak+1)a_{k+2}=g(a_{k+1}) et ak+1=g(ak)a_{k+1}=g(a_k) (question 3) :

g(1200)⩽g(ak+1)⩽g(ak)⩽g(1700).g(1200)\leqslant g(a_{k+1})\leqslant g(a_k)\leqslant g(1700).

On calcule g(1200)=0,75×1200+300=1200g(1200)=0{,}75\times1200+300=1200 et g(1700)=0,75×1700+300=1575g(1700)=0{,}75\times1700+300=1575. Donc

1200⩽ak+2⩽ak+1⩽1575.1200\leqslant a_{k+2}\leqslant a_{k+1}\leqslant1575.

Comme 1575⩽17001575\leqslant1700, on en déduit 1200⩽ak+2⩽ak+1⩽17001200\leqslant a_{k+2}\leqslant a_{k+1}\leqslant1700 : P(k+1)\mathcal{P}(k+1) est vraie.

Conclusion. P(0)\mathcal{P}(0) est vraie et P\mathcal{P} est héréditaire : d'après le principe de récurrence, pour tout entier naturel nn, 1200⩽an+1⩽an⩽17001200\leqslant a_{n+1}\leqslant a_n\leqslant1700.

Question 4. b)

D'après la question 4. a), pour tout entier nn, an+1⩽ana_{n+1}\leqslant a_n : la suite (an)(a_n) est décroissante.

Toujours d'après la question 4. a), pour tout entier nn, an+1⩾1200a_{n+1}\geqslant1200 et a0=1700⩾1200a_0=1700\geqslant1200 : la suite (an)(a_n) est minorée par 12001200.

D'après le théorème de la limite monotone (toute suite décroissante et minorée converge), la suite (an)(a_n) converge.

Question 5. a)

Pour tout entier naturel nn, vn=an−1200v_n=a_n-1200. On exprime vn+1v_{n+1} en fonction de vnv_n :

vn+1=an+1−1200=0,75 an+300−1200=0,75 an−900=0,75(an−1200)=0,75 vn.\begin{aligned} v_{n+1}&=a_{n+1}-1200\\ &=0{,}75\,a_n+300-1200\\ &=0{,}75\,a_n-900\\ &=0{,}75\left(a_n-1200\right)\\ &=0{,}75\,v_n. \end{aligned}

Donc la suite (vn)(v_n) est géométrique de raison 0,750{,}75, de premier terme v0=a0−1200=1700−1200=500v_0=a_0-1200=1700-1200=500.

Question 5. b)

Le terme général d'une suite géométrique de premier terme v0v_0 et de raison qq est vn=v0 qnv_n=v_0\,q^{n}.

Donc, pour tout entier naturel nn, vn=500×0,75nv_n=500\times0{,}75^{n}.

Question 5. c)

Pour tout entier naturel nn, an=vn+1200a_n=v_n+1200, donc d'après la question 5. b) :

an=500×0,75n+1200.a_n=500\times0{,}75^{n}+1200.

Question 6. a)

On a −1<0,75<1-1<0{,}75<1, donc lim⁡n→+∞0,75n=0\lim\limits_{n\to+\infty}0{,}75^{n}=0.

Par produit par 500500 puis somme avec 12001200, lim⁡n→+∞(500×0,75n+1200)=1200\lim\limits_{n\to+\infty}\left(500\times0{,}75^{n}+1200\right)=1200.

Donc lim⁡n→+∞an=1200\lim\limits_{n\to+\infty}a_n=1200.

Réponse : lim⁡n→+∞an=1200\lim\limits_{n\to+\infty}a_n=1200.

Question 6. b)

À long terme, le nombre de membres du club A se rapproche de 12001200.

Comme an+bn=3000a_n+b_n=3000, le nombre de membres du club B se rapproche alors de 3000−1200=18003000-1200=1800.

Question 7. a)

Le programme doit répéter le calcul de an+1a_{n+1} à partir de ana_n tant que le nombre de membres du club A n'est pas strictement inférieur à 12801280, c'est-à-dire tant que A⩾1280A\geqslant1280. À chaque passage, n augmente de 11 et A est remplacé par 0,75A+3000{,}75A+300. À la sortie de la boucle, n est le plus petit rang cherché, et la fonction le renvoie.

def seuil() :
    n = 0
    A = 1700
    while A >= 1280 :
        n = n + 1
        A = 0.75 * A + 300
    return n

Question 7. b)

On cherche le plus petit entier nn tel que an<1280a_n<1280 :

500×0,75n+1200<1280  ⟺  0,75n<0,16.500\times0{,}75^{n}+1200<1280\iff0{,}75^{n}<0{,}16.

La fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, donc

0,75n<0,16  ⟺  nln⁡(0,75)<ln⁡(0,16).0{,}75^{n}<0{,}16\iff n\ln(0{,}75)<\ln(0{,}16).

Comme 0<0,75<10<0{,}75<1, ln⁡(0,75)<0\ln(0{,}75)<0 : on divise par ln⁡(0,75)\ln(0{,}75) en changeant le sens de l'inégalité :

n>ln⁡(0,16)ln⁡(0,75)≈6,37.n>\dfrac{\ln(0{,}16)}{\ln(0{,}75)}\approx6{,}37.

Le plus petit entier vérifiant cette inégalité est 77.

Contrôle : a6=500×0,756+1200≈1289,0⩾1280a_6=500\times0{,}75^{6}+1200\approx1289{,}0\geqslant1280 et a7=500×0,757+1200≈1266,8<1280a_7=500\times0{,}75^{7}+1200\approx1266{,}8<1280.

Donc la fonction seuil renvoie 77.

Réponse : 77.

Points clés attendus

  • Traduire les pourcentages en coefficients de reste et de transfert, puis utiliser an+bn=3000a_n+b_n=3000 pour obtenir une relation de récurrence en ana_n seul.

  • Récurrence rédigée (Initialisation, Hérédité avec hypothèse énoncée, Conclusion) en justifiant la croissance de la fonction affine x↦0,75x+300x\mapsto0{,}75x+300.

  • Citer le théorème de la limite monotone : suite décroissante et minorée.

  • Prouver que (vn)(v_n) est géométrique en factorisant 0,75(an−1200)0{,}75\left(a_n-1200\right), puis donner vnv_n et ana_n.

  • Seuil : condition de boucle while A >= 1280 et changement de sens de l'inégalité avec ln⁡(0,75)<0\ln(0{,}75)<0.

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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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