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

Bac 2023, Centres étrangers 2 : exercice 1

22 mars 2023 · jour 2 · 5 points

On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par:

f(x)=11+e−3x.f(x) = \dfrac{1}{1 + \text{e}^{- 3x}}.

On note Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative dans un repère orthogonal du plan.

On nomme A le point de coordonnées (0  ;  12)\left(0\;;\;\dfrac12\right) et B le point de coordonnées (1  ;  54)\left(1\;;\;\dfrac54\right).

On a tracé ci-dessous la courbe Cf\mathcal{C}_f et T\mathcal{T} la tangente à la courbe Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse 00.

Figure de l'énoncé, exercice 1, Centres étrangers 2 22 mars 2023

Partie A : lectures graphiques

Dans cette partie, les résultats seront obtenus par lecture graphique. Aucune justification n'est demandée.

  1. Déterminer l'équation réduite de la tangente T\mathcal{T}.

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

Partie B : étude de la fonction

  1. On admet que la fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R}.

    Déterminer l'expression de sa fonction dérivée f′f'.

  2. Justifier que la fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

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

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

  3. Déterminer la valeur exacte de la solution α\alpha de l'équation f(x)=0,99f(x) = 0,99.

Partie C : Tangente et convexité

  1. Déterminer par le calcul une équation de la tangente T\mathcal{T} à la courbe Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse 00.

    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 f′′f'' est définie sur R\mathbb{R} par :

    f′′(x)=9e−3x(e−3x−1)(1+e−3x)3.f''(x) = \dfrac{9\text{e}^{-3x} \left(\text{e}^{-3x} - 1\right)}{\left(1 + \text{e}^{-3x} \right)^3}.

  2. Étudier le signe de la fonction f′′f'' sur R\mathbb{R}.

    1. Indiquer, en justifiant, sur quel(s) intervalle(s) la fonction ff est convexe.

    2. Que représente le point A pour la courbe Cf\mathcal{C}_f ?

    3. En déduire la position relative de la tangente T\mathcal{T} et de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

      Justifier la réponse.

Voir le corrigé

Partie A

Question 1.

La tangente T\mathcal{T} passe par le point A(0  ;  12)\left(0\;;\;\dfrac12\right) et par le point B(1  ;  54)\left(1\;;\;\dfrac54\right).

Son coefficient directeur est

m=yB−yAxB−xA=54−121−0=341=34.m=\dfrac{y_B-y_A}{x_B-x_A}=\dfrac{\frac54-\frac12}{1-0}=\dfrac{\frac34}{1}=\dfrac34.

Son ordonnée à l'origine est l'ordonnée de A, c'est-à-dire 12\dfrac12.

Donc l'équation réduite de la tangente T\mathcal{T} est y=34x+12y=\dfrac34x+\dfrac12.

Réponse : y=34x+12y=\dfrac34x+\dfrac12.

Question 2.

Par lecture graphique, la courbe Cf\mathcal{C}_f est située au-dessus de ses tangentes à gauche de l'abscisse 00 et en dessous de ses tangentes à droite de l'abscisse 00.

Donc la fonction ff semble convexe sur ]−∞  ;  0]]-\infty\;;\;0] et concave sur [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[.

Réponse : convexe sur ]−∞  ;  0]]-\infty\;;\;0], concave sur [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[.

Partie B

Question 1.

La fonction ff s'écrit f=1uf=\dfrac1u avec u(x)=1+e−3xu(x)=1+\mathrm{e}^{-3x}.

La fonction uu est dérivable sur R\mathbb{R} comme somme de la fonction constante 11 et de la composée x↦e−3xx\mapsto\mathrm{e}^{-3x}.

Elle ne s'annule pas sur R\mathbb{R}, car e−3x>0\mathrm{e}^{-3x}>0 donc u(x)>1u(x)>1.

Dérivée de x↦e−3xx\mapsto\mathrm{e}^{-3x} : c'est la composée de x↦−3xx\mapsto-3x par la fonction exponentielle, donc sa dérivée est −3e−3x-3\mathrm{e}^{-3x}.

Ainsi u′(x)=−3e−3xu'(x)=-3\mathrm{e}^{-3x}.

On applique la formule (1u)′=−u′u2\left(\dfrac1u\right)'=-\dfrac{u'}{u^2}. Pour tout réel xx :

f′(x)=−−3e−3x(1+e−3x)2=3e−3x(1+e−3x)2.f'(x)=-\dfrac{-3\mathrm{e}^{-3x}}{\left(1+\mathrm{e}^{-3x}\right)^2}=\dfrac{3\mathrm{e}^{-3x}}{\left(1+\mathrm{e}^{-3x}\right)^2}.

Réponse : f′(x)=3e−3x(1+e−3x)2f'(x)=\dfrac{3\mathrm{e}^{-3x}}{\left(1+\mathrm{e}^{-3x}\right)^2}.

Question 2.

Pour tout réel xx, on a e−3x>0\mathrm{e}^{-3x}>0, donc le numérateur 3e−3x3\mathrm{e}^{-3x} est strictement positif.

Le dénominateur (1+e−3x)2\left(1+\mathrm{e}^{-3x}\right)^2 est le carré d'un réel non nul, donc il est strictement positif.

Donc f′(x)>0f'(x)>0 pour tout réel xx.

Une fonction dérivable dont la dérivée est strictement positive sur un intervalle est strictement croissante sur cet intervalle.

Donc la fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Question 3. a)

On a lim⁡x→+∞(−3x)=−∞\lim\limits_{x\to+\infty}(-3x)=-\infty et lim⁡X→−∞eX=0\lim\limits_{X\to-\infty}\mathrm{e}^{X}=0.

Par limite d'une composée, lim⁡x→+∞e−3x=0\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{-3x}=0.

Par somme, lim⁡x→+∞(1+e−3x)=1\lim\limits_{x\to+\infty}\left(1+\mathrm{e}^{-3x}\right)=1.

Par quotient, comme cette limite est non nulle, lim⁡x→+∞f(x)=11=1\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=\dfrac11=1.

Donc la limite de ff en +∞+\infty est 11.

Réponse : lim⁡x→+∞f(x)=1\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=1.

b)

On a lim⁡x→−∞(−3x)=+∞\lim\limits_{x\to-\infty}(-3x)=+\infty et lim⁡X→+∞eX=+∞\lim\limits_{X\to+\infty}\mathrm{e}^{X}=+\infty.

Par limite d'une composée, lim⁡x→−∞e−3x=+∞\lim\limits_{x\to-\infty}\mathrm{e}^{-3x}=+\infty.

Par somme, lim⁡x→−∞(1+e−3x)=+∞\lim\limits_{x\to-\infty}\left(1+\mathrm{e}^{-3x}\right)=+\infty.

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

Donc la limite de ff en −∞-\infty est 00.

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

Question 4.

On résout l'équation f(x)=0,99f(x)=0{,}99. Pour tout réel xx :

f(x)=0,99  ⟺  11+e−3x=0,99  ⟺  1+e−3x=10,99=10099  ⟺  e−3x=10099−1=199  ⟺  −3x=ln⁡(199)=−ln⁡(99)  ⟺  x=ln⁡(99)3.\begin{aligned} f(x)=0{,}99 &\iff \dfrac{1}{1+\mathrm{e}^{-3x}}=0{,}99\\ &\iff 1+\mathrm{e}^{-3x}=\dfrac{1}{0{,}99}=\dfrac{100}{99}\\ &\iff \mathrm{e}^{-3x}=\dfrac{100}{99}-1=\dfrac{1}{99}\\ &\iff -3x=\ln\left(\dfrac{1}{99}\right)=-\ln(99)\\ &\iff x=\dfrac{\ln(99)}{3}. \end{aligned}

Les équivalences utilisent la stricte croissance de la fonction ln⁡\ln sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[ (donc la bijectivité de exp⁡\exp de R\mathbb{R} dans ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[).

Donc l'équation f(x)=0,99f(x)=0{,}99 admet une unique solution, α=ln⁡(99)3\alpha=\dfrac{\ln(99)}{3}, soit α≈1,532\alpha\approx1{,}532 à 10−310^{-3} près.

Réponse : α=ln⁡(99)3≈1,532\alpha=\dfrac{\ln(99)}{3}\approx1{,}532.

Partie C

Question 1.

L'équation de la tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse 00 est y=f′(0)(x−0)+f(0)y=f'(0)(x-0)+f(0).

On calcule

f(0)=11+e0=12etf′(0)=3e0(1+e0)2=34.f(0)=\dfrac{1}{1+\mathrm{e}^{0}}=\dfrac12\qquad\text{et}\qquad f'(0)=\dfrac{3\mathrm{e}^{0}}{\left(1+\mathrm{e}^{0}\right)^2}=\dfrac{3}{4}.

Donc T\mathcal{T} a pour équation y=34x+12y=\dfrac34x+\dfrac12, ce qui est cohérent avec la lecture graphique de la partie A.

Réponse : y=34x+12y=\dfrac34x+\dfrac12.

Question 2.

Pour tout réel xx, on a 9e−3x>09\mathrm{e}^{-3x}>0 et (1+e−3x)3>0\left(1+\mathrm{e}^{-3x}\right)^3>0.

Donc f′′(x)f''(x) est du signe de e−3x−1\mathrm{e}^{-3x}-1.

La fonction x↦e−3xx\mapsto\mathrm{e}^{-3x} est strictement décroissante sur R\mathbb{R}, et e0=1\mathrm{e}^{0}=1.

Donc :

  • e−3x−1>0  ⟺  e−3x>e0  ⟺  −3x>0  ⟺  x<0\mathrm{e}^{-3x}-1>0\iff\mathrm{e}^{-3x}>\mathrm{e}^{0}\iff-3x>0\iff x<0

  • e−3x−1=0  ⟺  x=0\mathrm{e}^{-3x}-1=0\iff x=0

  • e−3x−1<0  ⟺  x>0\mathrm{e}^{-3x}-1<0\iff x>0.

Donc f′′(x)>0f''(x)>0 sur ]−∞  ;  0[]-\infty\;;\;0[, f′′(0)=0f''(0)=0 et f′′(x)<0f''(x)<0 sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[.

Question 3. a)

La fonction ff est deux fois dérivable sur R\mathbb{R}. Elle est convexe sur un intervalle II si et seulement si f′′⩾0f''\geqslant0 sur II.

D'après la question précédente, f′′⩾0f''\geqslant0 sur ]−∞  ;  0]]-\infty\;;\;0].

Donc la fonction ff est convexe sur ]−∞  ;  0]]-\infty\;;\;0].

De plus, f′′⩽0f''\leqslant0 sur [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[, donc ff est concave sur [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[.

Réponse : ff est convexe sur ]−∞  ;  0]]-\infty\;;\;0].

b)

La dérivée seconde f′′f'' s'annule en 00 en changeant de signe (positive avant 00, négative après).

Donc la convexité de ff change en 00 : le point A(0  ;  12)\left(0\;;\;\dfrac12\right) est un point d'inflexion de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

c)

Sur ]−∞  ;  0]]-\infty\;;\;0], la fonction ff est convexe, donc la courbe Cf\mathcal{C}_f est au-dessus de chacune de ses tangentes, en particulier de T\mathcal{T}.

Sur [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[, la fonction ff est concave, donc la courbe Cf\mathcal{C}_f est en dessous de chacune de ses tangentes, en particulier de T\mathcal{T}.

Donc Cf\mathcal{C}_f est au-dessus de T\mathcal{T} sur ]−∞  ;  0]]-\infty\;;\;0], en dessous de T\mathcal{T} sur [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[, et la courbe traverse sa tangente au point A, seul point commun d'abscisse 00.

Points clés attendus

  • Dérivée de 1u\dfrac1u et de x↦e−3xx\mapsto\mathrm{e}^{-3x} (dérivée d'une composée), avec le signe de f′f' justifié par la positivité de l'exponentielle.

  • Limites par composition (eX\mathrm{e}^{X} avec X=−3xX=-3x), puis somme et quotient.

  • Résolution de f(x)=0,99f(x)=0{,}99 avec le logarithme népérien, valeur exacte puis valeur approchée.

  • Signe de f′′f'' ramené au signe de e−3x−1\mathrm{e}^{-3x}-1, puis lien entre signe de f′′f'' et convexité.

  • Point d'inflexion et position de la courbe par rapport à sa tangente.

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Comment t'entraîner

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Les autres exercices de ce sujet

  • Exercice 2 · 5 points · Suites · Fonction logarithme · Limites de fonctions
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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Centres étrangers 2, 22 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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