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

Bac 2023, La Réunion : exercice 4

29 mars 2023 · jour 2 · 5 points QCM

Cet exercice est un questionnaire à choix multiples.
Pour chacune des questions suivantes, une seule des quatre réponses proposées est exacte.
Pour répondre, indiquer sur la copie le numéro de la question et la lettre de la réponse choisie.
Aucune justification n'est demandée.
Une réponse fausse, une absence de réponse, ou une réponse multiple, ne rapporte ni n'enlève de point.

  1. On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=2xexf(x) = 2x\mathrm{e}^x.

    Le nombre de solutions sur R\mathbb{R} de l'équation f(x)=−73100f(x) = - \dfrac{73}{100} est égal à :

    a.   0b.   1c.  2d.  une infinité.
  2. On considère la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par :

    g(x)=x+1ex.g(x) = \dfrac{x+ 1}{\mathrm{e}^x}.

    La limite de la fonction gg en −∞- \infty est égale à :

    a.   −∞-\inftyb.   +∞+\inftyc.   0delle n'existe pas.
  3. On considère la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par:

    h(x)=(4x−16)e2x.h(x) = (4x - 16)\mathrm{e}^{2x}.

    On note Ch\mathcal{C}_h la courbe représentative de hh dans un repère orthogonal.

    On peut affirmer que:

    a.   hh est convexe sur R\mathbb{R}.b.   Ch\mathcal{C}_h possède un point d'inflexion en x=3x = 3.
    c.   hh est concave sur R\mathbb{R}.d.   Ch\mathcal{C}_h possède un point d'inflexio

    en x=3,5x = 3,5.

  4. On considère la fonction kk définie sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\; +\infty[ par :

    k(x)=3ln⁡(x)−x.k(x) = 3 \ln (x) - x.

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

    On note TT la tangente à la courbe C\mathcal{C} au point d'abscisse x=ex = \text{e}.

    Une équation de TT est:

    a.   y=(3−e)xy = (3 - \text{e})xb.   y=(3−ee)xy = \left(\dfrac{3 - \text{e}}{\text{e}}\right)x
    c.   y=(3e−1)x+1y = \left(\dfrac{3}{\text{e} }- 1\right)x + 1d.  y=(e−1)x+1y = (\text{e} - 1)x + 1
  5. On considère l'équation [ln⁡(x)]2+10ln⁡(x)+21=0[\ln (x)]^2 + 10 \ln (x) + 21 = 0, avec x∈]0  ;  +∞[x \in ]0\;;\;+\infty[.

    Le nombre de solutions de cette équation est égal à :

    a.   0b.   1c.   2d.   une infinité.
Voir le corrigé

Question 1. Réponse c.

La fonction ff est définie et dérivable sur R\mathbb{R}. On dérive avec la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv', où u(x)=2xu(x)=2x et v(x)=exv(x)=\mathrm{e}^x :

f′(x)=2ex+2xex=2(x+1)ex.f'(x)=2\mathrm{e}^x+2x\mathrm{e}^x=2(x+1)\mathrm{e}^x.

Comme 2ex>02\mathrm{e}^x>0, le signe de f′(x)f'(x) est celui de x+1x+1 :

  • f′(x)<0f'(x)<0 sur ]−∞ ;−1[]-\infty\,;-1[, donc ff est strictement décroissante sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1]

  • f′(x)>0f'(x)>0 sur ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[, donc ff est strictement croissante sur [−1 ;+∞[[-1\,;+\infty[.

Le minimum de ff est

f(−1)=−2e−1=−2e≈−0,7358.f(-1)=-2\mathrm{e}^{-1}=-\dfrac2{\mathrm{e}}\approx-0{,}7358.

Limites : par croissances comparées, lim⁡x→−∞xex=0\lim\limits_{x\to-\infty}x\mathrm{e}^x=0, donc lim⁡x→−∞f(x)=0\lim\limits_{x\to-\infty}f(x)=0. De plus f(x)<0f(x)<0 pour x<0x<0. En +∞+\infty, lim⁡x→+∞2x=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}2x=+\infty et lim⁡x→+∞ex=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^x=+\infty, donc lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=+\infty.

On cherche le nombre de solutions de f(x)=−0,73f(x)=-0{,}73. On a −2e<−0,73<0-\dfrac2{\mathrm{e}}<-0{,}73<0.

  • Sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1], ff est continue, strictement décroissante, et prend ses valeurs dans [−2e ;0[\left[-\dfrac2{\mathrm{e}}\,;0\right[. Comme −0,73-0{,}73 appartient à cet intervalle, le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires donne une unique solution. Elle n'est pas égale à −1-1 car f(−1)≠−0,73f(-1)\neq-0{,}73.

  • Sur [−1 ;+∞[[-1\,;+\infty[, ff est continue, strictement croissante, et prend ses valeurs dans [−2e ;+∞[\left[-\dfrac2{\mathrm{e}}\,;+\infty\right[. Comme −0,73-0{,}73 appartient à cet intervalle, le même corollaire donne une unique solution.

Ces deux solutions sont distinctes car situées sur des intervalles disjoints (aucune n'est égale à −1-1).

Donc l'équation f(x)=−73100f(x)=-\dfrac{73}{100} admet exactement 22 solutions.

Les autres réponses sont à écarter : 00 et 11 solution ne correspondent pas au tableau de variations, et une infinité de solutions est impossible pour une fonction strictement monotone par morceaux.

Question 2. Réponse a.

Pour tout réel xx, g(x)=x+1ex=(x+1)e−xg(x)=\dfrac{x+1}{\mathrm{e}^x}=(x+1)\mathrm{e}^{-x}.

Quand x→−∞x\to-\infty :

  • x+1→−∞x+1\to-\infty

  • −x→+∞-x\to+\infty donc e−x→+∞\mathrm{e}^{-x}\to+\infty.

Le produit d'une quantité de limite −∞-\infty et d'une quantité de limite +∞+\infty a pour limite −∞-\infty (ce n'est pas une forme indéterminée).

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

La réponse c.c. (limite 00) correspond à la limite en +∞+\infty, non demandée ici.

Question 3. Réponse b.

La fonction hh est deux fois dérivable sur R\mathbb{R}. On dérive avec u(x)=4x−16u(x)=4x-16 et v(x)=e2xv(x)=\mathrm{e}^{2x}, de dérivées u′(x)=4u'(x)=4 et v′(x)=2e2xv'(x)=2\mathrm{e}^{2x} :

h′(x)=4e2x+(4x−16)×2e2x=(4+8x−32)e2x=(8x−28)e2x.h'(x)=4\mathrm{e}^{2x}+(4x-16)\times2\mathrm{e}^{2x}=(4+8x-32)\mathrm{e}^{2x}=(8x-28)\mathrm{e}^{2x}.

On dérive à nouveau, avec u(x)=8x−28u(x)=8x-28 :

h′′(x)=8e2x+(8x−28)×2e2x=(8+16x−56)e2x=(16x−48)e2x=16(x−3)e2x.h''(x)=8\mathrm{e}^{2x}+(8x-28)\times2\mathrm{e}^{2x}=(8+16x-56)\mathrm{e}^{2x}=(16x-48)\mathrm{e}^{2x}=16(x-3)\mathrm{e}^{2x}.

Comme 16e2x>016\mathrm{e}^{2x}>0, le signe de h′′(x)h''(x) est celui de x−3x-3 :

  • h′′(x)<0h''(x)<0 sur ]−∞ ;3[]-\infty\,;3[ : hh est concave sur ]−∞ ;3]]-\infty\,;3]

  • h′′(x)>0h''(x)>0 sur ]3 ;+∞[]3\,;+\infty[ : hh est convexe sur [3 ;+∞[[3\,;+\infty[.

Donc hh n'est ni convexe sur R\mathbb{R}, ni concave sur R\mathbb{R} : les propositions a.a. et c.c. sont fausses.

La dérivée seconde s'annule en x=3x=3 en changeant de signe : la courbe Ch\mathcal{C}_h possède un point d'inflexion d'abscisse 33, et uniquement celui-là. La proposition d.d. (x=3,5x=3{,}5) est fausse.

Donc la proposition exacte est b.b. : Ch\mathcal{C}_h possède un point d'inflexion en x=3x=3.

Question 4. Réponse b.

La fonction kk est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ et, pour tout x>0x>0 :

k′(x)=3x−1.k'(x)=\dfrac3x-1.

On calcule en x=ex=\mathrm{e} :

k(e)=3ln⁡(e)−e=3−e,k′(e)=3e−1.k(\mathrm{e})=3\ln(\mathrm{e})-\mathrm{e}=3-\mathrm{e},\qquad k'(\mathrm{e})=\dfrac3{\mathrm{e}}-1.

La tangente TT au point d'abscisse e\mathrm{e} a pour équation y=k′(e)(x−e)+k(e)y=k'(\mathrm{e})(x-\mathrm{e})+k(\mathrm{e}) :

y=(3e−1)(x−e)+3−e.y=\left(\dfrac3{\mathrm{e}}-1\right)(x-\mathrm{e})+3-\mathrm{e}.

On développe :

y=(3e−1)x−3e×e+e+3−e=(3e−1)x−3+e+3−e=(3e−1)x.y=\left(\dfrac3{\mathrm{e}}-1\right)x-\dfrac3{\mathrm{e}}\times\mathrm{e}+\mathrm{e}+3-\mathrm{e}=\left(\dfrac3{\mathrm{e}}-1\right)x-3+\mathrm{e}+3-\mathrm{e}=\left(\dfrac3{\mathrm{e}}-1\right)x.

Or 3e−1=3−ee\dfrac3{\mathrm{e}}-1=\dfrac{3-\mathrm{e}}{\mathrm{e}}.

Donc TT a pour équation y=3−ee xy=\dfrac{3-\mathrm{e}}{\mathrm{e}}\,x.

Les autres propositions sont à écarter : a.a. a un coefficient directeur 3−e≠3e−13-\mathrm{e}\neq\dfrac3{\mathrm{e}}-1   c.c. et d.d. ont une ordonnée à l'origine égale à 11, alors que celle de TT est nulle.

Question 5. Réponse c.

L'équation [ln⁡(x)]2+10ln⁡(x)+21=0[\ln(x)]^2+10\ln(x)+21=0 est définie pour x>0x>0.

On pose X=ln⁡(x)X=\ln(x). La fonction ln⁡\ln est une bijection de ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ sur R\mathbb{R} : à chaque réel XX correspond un unique x>0x>0, à savoir x=eXx=\mathrm{e}^X.

L'équation devient

X2+10X+21=0.X^2+10X+21=0.

Son discriminant est Δ=102−4×1×21=100−84=16>0\Delta=10^2-4\times1\times21=100-84=16>0. Elle admet deux racines réelles distinctes :

X1=−10−42=−7,X2=−10+42=−3.X_1=\dfrac{-10-4}{2}=-7,\qquad X_2=\dfrac{-10+4}{2}=-3.

On revient à xx : ln⁡(x)=−7\ln(x)=-7 ou ln⁡(x)=−3\ln(x)=-3, donc x=e−7x=\mathrm{e}^{-7} ou x=e−3x=\mathrm{e}^{-3}.

Donc l'équation admet exactement 22 solutions.

Points clés attendus

  • Question 1 : dresser le tableau de variations de ff avec ses limites et son minimum, puis appliquer le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires sur chaque intervalle de stricte monotonie.

  • Question 2 : écrire g(x)=(x+1)e−xg(x)=(x+1)\mathrm{e}^{-x} et déterminer les limites de chaque facteur.

  • Question 3 : calculer h′′h'' et étudier son signe   un point d'inflexion correspond à un changement de signe de h′′h''.

  • Question 4 : appliquer la formule de la tangente y=k′(a)(x−a)+k(a)y=k'(a)(x-a)+k(a) et développer soigneusement.

  • Question 5 : poser X=ln⁡(x)X=\ln(x), résoudre l'équation du second degré, puis revenir à xx avec l'exponentielle.

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.

Les autres exercices de ce sujet

  • Exercice 1 · 5 points · Succession d'épreuves et loi binomiale
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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (La Réunion, 29 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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