Terminale Spé Maths / Chapitre 4 : Dérivation et convexité / Annales du bac
Bac 2023, Amérique du Sud : exercice 4
Soit la fonction définie sur par
On note la courbe représentative de la fonction dans un repère orthonormé du plan.
Partie A
Déterminer la limite de en .
On admet que la fonction est dérivable sur et on note sa fonction dérivée.
Montrer que, pour tout réel .
En déduire les variations de la fonction sur .
Montrer que l'équation admet une unique solution dans l'intervalle [2 5].
Partie B
On admettra que la fonction est dérivable sur et pour tout réel ,
On note la tangente à la courbe au point d'abscisse .
Dans le graphique ci-dessous, on a représenté la courbe la tangente et le quadrilatère MNPQ tel que M et N sont les deux points de la courbe d'abscisses respectives et , et Q et P sont les deux points de la droite d'abscisses respectives et .

Justifier le signe de pour .
En déduire que la portion de la courbe sur l'intervalle , est inscrite dans le quadrilatère MNPQ.
Montrer que .
Démontrer que le quadrilatère MNPQ est un parallélogramme.
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Partie A
Question 1.
On étudie séparément les deux termes de .
On a et , donc par composition :
Donc .
La fonction est continue en et , donc par composition :
Par ailleurs :
Par somme de limites, on obtient :
Donc la limite de en est .
Réponse : .
Question 2. a)
La fonction est dérivable sur (admis). On dérive avec , de dérivée , la fonction étant strictement positive sur :
Pour tout réel :
On multiplie le numérateur et le dénominateur de la première fraction par (non nul) :
On réduit au même dénominateur :
Donc, pour tout réel , .
Question 2. b)
Pour tout réel , , donc le dénominateur est strictement positif.
Donc a le signe de .
On résout, la fonction étant strictement croissante sur :
On en déduit :
pour : est strictement décroissante sur
pour : est strictement croissante sur .
Le minimum de est atteint en :
Donc est strictement décroissante sur , strictement croissante sur , et admet pour minimum .
Question 2. c)
On applique le théorème des valeurs intermédiaires (cas d'une fonction strictement monotone) à sur l'intervalle .
Vérification des hypothèses :
est dérivable sur , donc continue sur
, donc et est strictement croissante sur
et , donc .
Donc, d'après le théorème des valeurs intermédiaires, l'équation admet une solution dans , et cette solution est unique car est strictement monotone sur cet intervalle.
Donc l'équation admet une unique solution dans .
Partie B
Question 1. a)
Pour tout réel , et (carré d'un nombre strictement positif).
Donc pour tout réel .
Question 1. b)
Comme sur , la fonction est convexe sur .
Une fonction convexe a une courbe située au-dessus de chacune de ses tangentes. Donc est au-dessus de la tangente sur , en particulier sur .
Une fonction convexe a aussi une courbe située en dessous de chacune de ses cordes entre les deux extrémités de la corde. Donc, sur , est en dessous de la corde , portée par la droite (MN).
Ainsi, pour tout , le point de d'abscisse est au-dessus de (droite (PQ)) et en dessous de (MN), dans la bande délimitée par les droites verticales d'abscisses (côté ) et (côté ).
Donc la portion de sur est inscrite dans le quadrilatère MNPQ.
Question 2. a)
On part de .
On factorise dans le logarithme, car , avec :
Donc .
Question 2. b)
On détermine d'abord l'équation de . On a :
La tangente à au point d'abscisse a pour équation , soit :
Les points M et N sont sur et les points Q et P sont sur :
On calcule les coordonnées de (première coordonnée nulle, M et Q ayant la même abscisse) :
On calcule de même les coordonnées de , avec la question 2. a) :
Les deux ordonnées sont égales, et les deux abscisses sont nulles :
L'égalité équivaut à . Le quadrilatère MNPQ a donc deux côtés opposés et de même direction, même sens et même longueur.
Ces côtés ne sont pas confondus car M est au-dessus de Q : est strictement au-dessus de en dehors de (convexité stricte, ), donc .
Donc le quadrilatère MNPQ est un parallélogramme.
Points clés attendus
Limite : composition ( puis continue en ), puis somme avec .
Dérivée de sous la forme , puis simplification en multipliant par et réduction au même dénominateur.
Signe de : justifier que le dénominateur est strictement positif, puis résoudre .
Théorème des valeurs intermédiaires : citer continuité, stricte monotonie sur (car ) et signes aux bornes, puis conclure à l'unicité.
Convexité : signe de , courbe au-dessus de ses tangentes et sous ses cordes.
Parallélogramme : calculer la tangente, puis montrer avec la formule de la question 2. a).
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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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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Amérique du Sud, 27 septembre 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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