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

Bac 2023, Centres étrangers : exercice 2

14 mars 2023 · jour 2 · 6 points

On considère la fonction ff définie sur ]−1,5  ;  +∞[]-1,5\;;\;+ \infty[ par

f(x)=ln⁡(2x+3)−1.f(x) = \ln (2x + 3) - 1.

Le but de cet exercice est d'étudier la convergence de la suite (un)\left(u_n\right) définie par :

u0=0u_0 = 0 et un+1=f(un)u_{n+1} = f\left(u_n\right) pour tout entier naturel nn.

Partie A : Étude d'une fonction auxiliaire

On considère la fonction gg définie sur ]−1,5  ;  +∞[]-1,5\;;\; +\infty[ par g(x)=f(x)−xg(x) = f(x) - x.

  1. Déterminer la limite de la fonction gg en −1,5-1,5.

    On admet que la limite de la fonction gg en +∞+ \infty est −∞-\infty.

  2. Étudier les variations de la fonction gg sur ]−1,5  ;  +∞[]-1,5\;;\; +\infty[.

    1. Démontrer que, dans l'intervalle ]−0,5  ;  +∞[]-0,5\;;\; +\infty[, l'équation g(x)=0g(x) = 0 admet une unique solution α\alpha.

    2. Déterminer un encadrement de α\alpha d'amplitude 10−210^{-2}.

Partie B : Étude de la suite (un)\left(u_n\right)

On admet que la fonction ff est strictement croissante sur ]−1,5  ;  +∞[]-1,5\;;\; +\infty[.

  1. Soit xx un nombre réel. Montrer que si x∈[−1  ;  α]x \in [-1\;;\;\alpha] alors f(x)∈[−1  ;  α]f(x) \in [-1\;;\;\alpha].

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

      −1⩽un⩽un+1⩽α.-1 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant \alpha.

    2. En déduire que la suite (un)\left(u_n\right) converge.

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Partie A

Question 1.

La fonction gg est définie sur ]−1,5 ;+∞[]-1{,}5\,;+\infty[ par g(x)=ln⁡(2x+3)−1−xg(x)=\ln(2x+3)-1-x.

Quand xx tend vers −1,5-1{,}5 par valeurs supérieures, 2x+32x+3 tend vers 00 par valeurs strictement positives.

Comme lim⁡X→0+ln⁡(X)=−∞\lim\limits_{X\to0^+}\ln(X)=-\infty, par composition :

lim⁡x→−1,5+ln⁡(2x+3)=−∞.\lim\limits_{x\to-1{,}5^+}\ln(2x+3)=-\infty.

De plus lim⁡x→−1,5(−1−x)=−1+1,5=0,5\lim\limits_{x\to-1{,}5}(-1-x)=-1+1{,}5=0{,}5.

Par somme :

lim⁡x→−1,5g(x)=−∞.\lim\limits_{x\to-1{,}5}g(x)=-\infty.

Donc la limite de gg en −1,5-1{,}5 est −∞-\infty.

Réponse : lim⁡x→−1,5g(x)=−∞\lim\limits_{x\to-1{,}5}g(x)=-\infty.

Question 2.

La fonction gg est dérivable sur ]−1,5 ;+∞[]-1{,}5\,;+\infty[ comme somme et composée de fonctions dérivables (pour x>−1,5x>-1{,}5, on a 2x+3>02x+3>0).

On utilise (ln⁡u)′=u′u\left(\ln u\right)'=\dfrac{u'}{u} avec u(x)=2x+3u(x)=2x+3 et u′(x)=2u'(x)=2.

Pour tout x>−1,5x>-1{,}5 :

g′(x)=22x+3−1=2−(2x+3)2x+3=−2x−12x+3.g'(x)=\dfrac{2}{2x+3}-1=\dfrac{2-(2x+3)}{2x+3}=\dfrac{-2x-1}{2x+3}.

Signe de g′(x)g'(x) : sur ]−1,5 ;+∞[]-1{,}5\,;+\infty[, 2x+3>02x+3>0, donc g′(x)g'(x) est du signe de −2x−1-2x-1.

On a −2x−1>0  ⟺  x<−0,5-2x-1>0\iff x<-0{,}5, et −2x−1=0  ⟺  x=−0,5-2x-1=0\iff x=-0{,}5.

Donc :

  • g′(x)>0g'(x)>0 sur ]−1,5 ;−0,5[]-1{,}5\,;-0{,}5[ : gg est strictement croissante sur ]−1,5 ;−0,5]]-1{,}5\,;-0{,}5]

  • g′(−0,5)=0g'(-0{,}5)=0

  • g′(x)<0g'(x)<0 sur ]−0,5 ;+∞[]-0{,}5\,;+\infty[ : gg est strictement décroissante sur [−0,5 ;+∞[[-0{,}5\,;+\infty[.

La fonction gg admet donc un maximum en −0,5-0{,}5 :

g(−0,5)=ln⁡(2×(−0,5)+3)−1+0,5=ln⁡(2)−0,5≈0,193.g(-0{,}5)=\ln(2\times(-0{,}5)+3)-1+0{,}5=\ln(2)-0{,}5\approx0{,}193.

Donc gg est strictement croissante sur ]−1,5 ;−0,5]]-1{,}5\,;-0{,}5], puis strictement décroissante sur [−0,5 ;+∞[[-0{,}5\,;+\infty[, avec pour maximum g(−0,5)=ln⁡2−0,5>0g(-0{,}5)=\ln2-0{,}5>0.

Question 3. a)

Sur l'intervalle ]−0,5 ;+∞[]-0{,}5\,;+\infty[ :

  • gg est continue, car dérivable

  • gg est strictement décroissante (question 2)

  • gg est de limite −∞-\infty en +∞+\infty (admis), et g(−0,5)=ln⁡2−0,5>0g(-0{,}5)=\ln2-0{,}5>0, donc gg prend des valeurs strictement positives (au voisinage de −0,5-0{,}5) puis des valeurs strictement négatives.

Ainsi 00 est compris entre lim⁡x→+∞g(x)=−∞\lim\limits_{x\to+\infty}g(x)=-\infty et g(−0,5)>0g(-0{,}5)>0.

D'après le théorème des valeurs intermédiaires (corollaire pour les fonctions continues strictement monotones), l'équation g(x)=0g(x)=0 admet une unique solution α\alpha dans ]−0,5 ;+∞[]-0{,}5\,;+\infty[.

Donc l'équation g(x)=0g(x)=0 admet une unique solution α\alpha dans ]−0,5 ;+∞[]-0{,}5\,;+\infty[.

3. b)

À la calculatrice :

g(0,25)≈0,0028>0etg(0,26)≈−0,0015<0.g(0{,}25)\approx0{,}0028>0\qquad\text{et}\qquad g(0{,}26)\approx-0{,}0015<0.

Donc g(0,26)<0=g(α)<g(0,25)g(0{,}26)<0=g(\alpha)<g(0{,}25).

Comme gg est strictement décroissante sur ]−0,5 ;+∞[]-0{,}5\,;+\infty[, l'ordre des antécédents est inversé :

0,25<α<0,26.0{,}25<\alpha<0{,}26.

Donc un encadrement de α\alpha d'amplitude 10−210^{-2} est 0,25<α<0,260{,}25<\alpha<0{,}26.

Réponse : 0,25<α<0,260{,}25<\alpha<0{,}26.

Partie B

Question 1.

Soit x∈[−1 ;α]x\in[-1\,;\alpha], c'est-à-dire −1⩽x⩽α-1\leqslant x\leqslant\alpha.

La fonction ff est strictement croissante sur ]−1,5 ;+∞[]-1{,}5\,;+\infty[ (admis), et [−1 ;α]⊂]−1,5 ;+∞[[-1\,;\alpha]\subset]-1{,}5\,;+\infty[.

Donc elle conserve l'ordre :

f(−1)⩽f(x)⩽f(α).f(-1)\leqslant f(x)\leqslant f(\alpha).

Calcul de f(−1)f(-1) :

f(−1)=ln⁡(2×(−1)+3)−1=ln⁡(1)−1=−1.f(-1)=\ln(2\times(-1)+3)-1=\ln(1)-1=-1.

Calcul de f(α)f(\alpha) : on a g(α)=0g(\alpha)=0, c'est-à-dire f(α)−α=0f(\alpha)-\alpha=0, donc f(α)=αf(\alpha)=\alpha.

On obtient −1⩽f(x)⩽α-1\leqslant f(x)\leqslant\alpha.

Donc, si x∈[−1 ;α]x\in[-1\,;\alpha], alors f(x)∈[−1 ;α]f(x)\in[-1\,;\alpha].

Question 2. a)

Pour tout entier naturel nn, on note P(n)P(n) la propriété −1⩽un⩽un+1⩽α-1\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant\alpha.

Initialisation. On a u0=0u_0=0 et u1=f(0)=ln⁡(3)−1≈0,099u_1=f(0)=\ln(3)-1\approx0{,}099.

Comme α>0,25\alpha>0{,}25 (question A 3. b), on a

−1⩽0⩽ln⁡(3)−1⩽0,25<α,-1\leqslant0\leqslant\ln(3)-1\leqslant0{,}25<\alpha,
c'est-à-dire −1⩽u0⩽u1⩽α-1\leqslant u_0\leqslant u_1\leqslant\alpha.

Donc 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 −1⩽uk⩽uk+1⩽α-1\leqslant u_k\leqslant u_{k+1}\leqslant\alpha (hypothèse de récurrence).

Montrons que P(k+1)P(k+1) est vraie, c'est-à-dire −1⩽uk+1⩽uk+2⩽α-1\leqslant u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant\alpha.

La fonction ff est strictement croissante sur ]−1,5 ;+∞[]-1{,}5\,;+\infty[, qui contient [−1 ;α][-1\,;\alpha].

On applique ff à chaque membre de l'hypothèse de récurrence, en conservant le sens des inégalités :

f(−1)⩽f(uk)⩽f(uk+1)⩽f(α).f(-1)\leqslant f\left(u_k\right)\leqslant f\left(u_{k+1}\right)\leqslant f(\alpha).

Or f(−1)=−1f(-1)=-1, f(α)=αf(\alpha)=\alpha (question B 1), f(uk)=uk+1f\left(u_k\right)=u_{k+1} et f(uk+1)=uk+2f\left(u_{k+1}\right)=u_{k+2}.

On obtient −1⩽uk+1⩽uk+2⩽α-1\leqslant u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant\alpha.

Donc 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, P(n)P(n) est vraie pour tout entier naturel nn.

Donc, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, −1⩽un⩽un+1⩽α-1\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant\alpha.

2. b)

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

Toujours d'après cette question, un⩽αu_n\leqslant\alpha pour tout nn : la suite (un)\left(u_n\right) est majorée par α\alpha.

D'après le théorème de la limite monotone (toute suite croissante et majorée converge), la suite (un)\left(u_n\right) converge.

Donc la suite (un)\left(u_n\right) converge.

Points clés attendus

  • Limite en −1,5-1{,}5 : composée ln⁡(2x+3)\ln(2x+3) avec 2x+3→0+2x+3\to0^+, puis somme.

  • Étude de g′g' : forme u′u\dfrac{u'}{u}, mise au même dénominateur, signe justifié par 2x+3>02x+3>0.

  • Théorème des valeurs intermédiaires sur ]−0,5 ;+∞[]-0{,}5\,;+\infty[ : continuité, stricte monotonie, signes de gg aux bornes, d'où existence et unicité.

  • Récurrence complète, en utilisant la croissance de ff sur l'intervalle et les égalités f(−1)=−1f(-1)=-1, f(α)=αf(\alpha)=\alpha.

  • Conclure avec le théorème de la limite monotone : croissante et majorée.

Corrigé rédigé par + qu'un prof. Cherche d'abord seul, puis compare avec ta propre rédaction.

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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.

Les autres exercices de ce sujet

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Centres étrangers, 14 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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