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

Bac 2023, Métropole : exercice 2

21 mars 2023 · jour 2 · 5 points Python

Des biologistes étudient l'évolution d'une population d'insectes dans un jardin botanique.

Au début de l'étude la population est de 100000 insectes.

Pour préserver l'équilibre du milieu naturelle nombre d'insectes ne doit pas dépasser 400000.

Partie A : Étude d'un premier modèle en laboratoire

L'observation de l'évolution de ces populations d'insectes en laboratoire, en l'absence de tout prédateur, montre que le nombre d'insectes augmente de 60 % chaque mois.

En tenant compte de cette observation, les biologistes modélisent l'évolution de la population d'insectes à l'aide d'une suite (un)\left(u_n\right) où, pour tout entier naturel nn,   unu_n modélise le nombre d'insectes, exprimé en millions, au bout de nn mois.

On a donc u0=0,1u_0 = 0,1.

  1. Justifier que pour tout entier naturel nn :  un=0,1×1,6nu_n = 0,1 \times 1,6^n.

  2. Déterminer la limite de la suite (un)\left(u_n\right).

  3. En résolvant une inéquation, déterminer le plus petit entier naturel nn à partir duquel un>0,4u_n > 0,4.

  4. Selon ce modèle, l'équilibre du milieu naturel serait-il préservé ? Justifier la réponse.

Partie B : Étude d'un second modèle

En tenant compte des contraintes du milieu naturel dans lequel évoluent les insectes, les biologistes choisissent une nouvelle modélisation.

Ils modélisent le nombre d'insectes à l'aide de la suite (vn)\left(v_n\right), définie par :

v0=0,1v_0 = 0,1   et, pour tout entier naturel n, vn+1=1,6vn−1,6vn2n,\, v_{n+1} = 1,6v_n - 1,6v_n^2,

où, pour tout entier naturel n, vnn,\, v_n est le nombre d'insectes, exprimé en millions, au bout de nn mois.

  1. Déterminer le nombre d'insectes au bout d'un mois.

  2. On considère la fonction ff définie sur l'intervalle [0  ;  12]\left[0\;;\;\dfrac12\right] par

    f(x)=1,6x−1,6x2.f(x) = 1,6x - 1,6x^2.

    1. Résoudre l'équation f(x)=xf(x) = x.

    2. Montrer que la fonction ff est croissante sur l'intervalle [0  ;  12]\left[0\;;\;\dfrac12\right].

    1. Montrer par récurrence que, pour tout entier naturel n, 0⩽vn⩽vn+1⩽12n,\, 0 \leqslant v_n \leqslant v_{n+1} \leqslant \dfrac12.

    2. Montrer que la suite (vn)\left(v_n\right) est convergente.

      On note ℓ\ell la valeur de sa limite. On admet que ℓ\ell est solution de l'équation f(x)=xf(x) = x.

    3. Déterminer la valeur de ℓ\ell.

      Selon ce modèle, l'équilibre du milieu naturel sera-t-il préservé ? Justifier la réponse.

  1. On donne ci-contre la fonction seuil, écrite en langage Python.

    1. Qu'observe-t-on si on saisit seuil(0.4) ?

    2. Déterminer la valeur renvoyée par la saisie de seuil(0.35).

      Interpréter cette valeur dans le contexte de l'exercice.

def seuil(a) :
         v=0.1
         n=0
         while v<a :
                  v=1.6*v-1.6*v*v
                  n=n+1
         return n
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Partie A

Question 1.

Augmenter une quantité de 60 %60\,\% revient à la multiplier par

1+60100=1,6.1+\dfrac{60}{100}=1{,}6.

Donc, pour tout entier naturel nn, le nombre d'insectes au bout de n+1n+1 mois s'obtient à partir de celui au bout de nn mois par

un+1=1,6 un.u_{n+1}=1{,}6\,u_n.

La suite (un)(u_n) est donc géométrique de raison q=1,6q=1{,}6 et de premier terme u0=0,1u_0=0{,}1.

D'après l'expression du terme général d'une suite géométrique, pour tout entier naturel nn :

un=u0×qn=0,1×1,6n.u_n=u_0\times q^n=0{,}1\times 1{,}6^n.

Donc, pour tout entier naturel nn, un=0,1×1,6nu_n=0{,}1\times 1{,}6^n.

Question 2.

La suite (1,6n)\left(1{,}6^n\right) est une suite géométrique de raison 1,61{,}6.

Comme 1,6>11{,}6>1, on a

lim⁡n→+∞1,6n=+∞.\lim\limits_{n\to+\infty}1{,}6^n=+\infty.

Par produit par la constante strictement positive 0,10{,}1, on obtient

lim⁡n→+∞un=+∞.\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=+\infty.

Donc la suite (un)(u_n) tend vers +∞+\infty.

Réponse : lim⁡n→+∞un=+∞\lim\limits_{n\to+\infty}u_n=+\infty.

Question 3.

On résout l'inéquation un>0,4u_n>0{,}4 d'inconnue n∈Nn\in\mathbb{N}.

0,1×1,6n>0,4  ⟺  1,6n>4  ⟺  ln⁡(1,6n)>ln⁡4  ⟺  nln⁡(1,6)>ln⁡4.\begin{aligned} 0{,}1\times1{,}6^n>0{,}4&\iff 1{,}6^n>4\\ &\iff \ln\left(1{,}6^n\right)>\ln 4\\ &\iff n\ln(1{,}6)>\ln 4. \end{aligned}

La première équivalence s'obtient en multipliant par 10>010>0. La deuxième utilise la stricte croissance de la fonction ln⁡\ln sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Comme 1,6>11{,}6>1, on a ln⁡(1,6)>0\ln(1{,}6)>0. On peut donc diviser par ln⁡(1,6)\ln(1{,}6) sans changer le sens de l'inégalité :

n>ln⁡4ln⁡1,6≈2,95.n>\dfrac{\ln 4}{\ln 1{,}6}\approx 2{,}95.

Le plus petit entier naturel strictement supérieur à 2,952{,}95 est 33.

Vérification : u2=0,1×1,62=0,256⩽0,4u_2=0{,}1\times1{,}6^2=0{,}256\leqslant0{,}4 et u3=0,1×1,63=0,4096>0,4u_3=0{,}1\times1{,}6^3=0{,}4096>0{,}4.

Donc le plus petit entier nn à partir duquel un>0,4u_n>0{,}4 est n=3n=3.

Réponse : n=3n=3.

Question 4.

Le nombre 0,40{,}4 million correspond à 400 000400\,000 insectes, seuil à ne pas dépasser.

D'après la question 3, u3>0,4u_3>0{,}4. De plus, la suite (un)(u_n) est strictement croissante puisque sa raison est 1,6>11{,}6>1 et que u0>0u_0>0. Donc un>0,4u_n>0{,}4 pour tout n⩾3n\geqslant3.

D'après la question 2, la suite tend même vers +∞+\infty.

Donc, selon ce premier modèle, le nombre d'insectes dépasse 400 000400\,000 dès le troisième mois et ne cesse de croître : l'équilibre du milieu naturel ne serait pas préservé.

Partie B

Question 1.

On a v0=0,1v_0=0{,}1 et v1=1,6 v0−1,6 v02v_1=1{,}6\,v_0-1{,}6\,v_0^2. Donc

v1=1,6×0,1−1,6×0,12=0,16−0,016=0,144.v_1=1{,}6\times0{,}1-1{,}6\times0{,}1^2=0{,}16-0{,}016=0{,}144.

Donc, au bout d'un mois, il y a 0,1440{,}144 million d'insectes, soit 144 000144\,000 insectes.

Réponse : v1=0,144v_1=0{,}144.

Question 2. a)

On résout l'équation f(x)=xf(x)=x sur [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right].

f(x)=x  ⟺  1,6x−1,6x2=x  ⟺  0,6x−1,6x2=0  ⟺  x(0,6−1,6x)=0.\begin{aligned} f(x)=x&\iff 1{,}6x-1{,}6x^2=x\\ &\iff 0{,}6x-1{,}6x^2=0\\ &\iff x\left(0{,}6-1{,}6x\right)=0. \end{aligned}

Un produit de facteurs est nul si et seulement si l'un des facteurs est nul. Donc

x=0ou0,6−1,6x=0  ⟺  x=0,61,6=38.x=0\quad\text{ou}\quad 0{,}6-1{,}6x=0\iff x=\dfrac{0{,}6}{1{,}6}=\dfrac38.

Les deux nombres 00 et 38=0,375\dfrac38=0{,}375 appartiennent bien à l'intervalle [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right].

Donc l'équation f(x)=xf(x)=x a pour ensemble de solutions {0 ;38}\left\{0\,;\dfrac38\right\}.

Réponse : x=0x=0 ou x=38x=\dfrac38.

Question 2. b)

La fonction ff est une fonction polynôme, donc dérivable sur [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right].

Pour tout x∈[0 ;12]x\in\left[0\,;\dfrac12\right] :

f′(x)=1,6−1,6×2x=1,6−3,2x=3,2(12−x).f'(x)=1{,}6-1{,}6\times2x=1{,}6-3{,}2x=3{,}2\left(\dfrac12-x\right).

Pour tout x∈[0 ;12]x\in\left[0\,;\dfrac12\right], on a x⩽12x\leqslant\dfrac12, donc 12−x⩾0\dfrac12-x\geqslant0. Comme 3,2>03{,}2>0, on en déduit f′(x)⩾0f'(x)\geqslant0.

La dérivée est positive sur l'intervalle, et ne s'annule qu'en 12\dfrac12. Donc ff est croissante sur [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right].

Question 3. a)

Pour tout entier naturel nn, on note P(n)\mathcal{P}(n) la propriété

0⩽vn⩽vn+1⩽12.0\leqslant v_n\leqslant v_{n+1}\leqslant\dfrac12.

Initialisation.

On a v0=0,1v_0=0{,}1 et, d'après la question 1, v1=0,144v_1=0{,}144. Donc

0⩽0,1⩽0,144⩽12,0\leqslant 0{,}1\leqslant 0{,}144\leqslant\dfrac12,
c'est-à-dire 0⩽v0⩽v1⩽120\leqslant v_0\leqslant v_1\leqslant\dfrac12 : 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

0⩽vk⩽vk+1⩽120\leqslant v_k\leqslant v_{k+1}\leqslant\dfrac12
(hypothèse de récurrence). Montrons que P(k+1)\mathcal{P}(k+1) est vraie.

Les quatre nombres 00, vkv_k, vk+1v_{k+1} et 12\dfrac12 appartiennent à l'intervalle [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right], sur lequel ff est croissante d'après la question 2. b). On applique ff à chaque membre en conservant le sens des inégalités :

f(0)⩽f(vk)⩽f(vk+1)⩽f(12).f(0)\leqslant f(v_k)\leqslant f(v_{k+1})\leqslant f\left(\dfrac12\right).

Or :

  • f(0)=0f(0)=0

  • f(vk)=vk+1f(v_k)=v_{k+1} et f(vk+1)=vk+2f(v_{k+1})=v_{k+2} par définition de la suite

  • f(12)=1,6×12−1,6×14=0,8−0,4=0,4⩽12f\left(\dfrac12\right)=1{,}6\times\dfrac12-1{,}6\times\dfrac14=0{,}8-0{,}4=0{,}4\leqslant\dfrac12.

On obtient donc

0⩽vk+1⩽vk+2⩽0,4⩽12,0\leqslant v_{k+1}\leqslant v_{k+2}\leqslant0{,}4\leqslant\dfrac12,
c'est-à-dire 0⩽vk+1⩽vk+2⩽120\leqslant v_{k+1}\leqslant v_{k+2}\leqslant\dfrac12 : 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, P(n)\mathcal{P}(n) est vraie pour tout entier naturel nn.

Donc, pour tout entier naturel nn, 0⩽vn⩽vn+1⩽120\leqslant v_n\leqslant v_{n+1}\leqslant\dfrac12.

Question 3. b)

D'après la question précédente, pour tout entier naturel nn :

  • vn⩽vn+1v_n\leqslant v_{n+1}, donc la suite (vn)(v_n) est croissante

  • vn⩽12v_n\leqslant\dfrac12, donc la suite (vn)(v_n) est majorée par 12\dfrac12.

D'après le théorème de la limite monotone (toute suite croissante et majorée converge), la suite (vn)(v_n) est convergente.

Question 3. c)

On note ℓ\ell la limite de (vn)(v_n). On admet que ℓ\ell est solution de l'équation f(x)=xf(x)=x. D'après la question 2. a), ℓ=0\ell=0 ou ℓ=38\ell=\dfrac38.

La suite (vn)(v_n) est croissante, donc pour tout entier naturel nn, vn⩾v0=0,1v_n\geqslant v_0=0{,}1. Par passage à la limite dans une inégalité large, ℓ⩾0,1\ell\geqslant0{,}1.

Donc ℓ≠0\ell\neq0, et par conséquent

ℓ=38=0,375.\ell=\dfrac38=0{,}375.

Cette limite correspond à 375 000375\,000 insectes. Comme 375 000<400 000375\,000<400\,000, et que la suite est croissante et majorée par sa limite, le nombre d'insectes ne dépasse jamais 400 000400\,000.

Donc, selon ce second modèle, l'équilibre du milieu naturel sera préservé.

Réponse : ℓ=38=0,375\ell=\dfrac38=0{,}375   l'équilibre est préservé.

Question 4. a)

La fonction seuil(a) renvoie le plus petit entier nn tel que vn⩾av_n\geqslant a, tant que la boucle while v se termine.

Pour seuil(0.4), la condition de boucle est v<0.4.

La suite (vn)(v_n) est croissante de limite 0,3750{,}375, donc vn⩽0,375<0,4v_n\leqslant0{,}375<0{,}4 pour tout entier naturel nn. La condition v<0.4 reste donc vraie à chaque passage.

Donc, si on saisit seuil(0.4), la boucle ne s'arrête jamais : le programme ne se termine pas et ne renvoie aucune valeur.

Question 4. b)

Pour seuil(0.35), la variable v prend successivement les valeurs v0v_0, v1v_1, …, et n compte le nombre de passages dans la boucle. On calcule les termes :

v4≈0,3026<0,35,v5≈0,3377<0,35,v6≈0,3578⩾0,35.\begin{aligned} v_4&\approx0{,}3026<0{,}35,\\ v_5&\approx0{,}3377<0{,}35,\\ v_6&\approx0{,}3578\geqslant0{,}35. \end{aligned}

La boucle continue tant que v<0,35v<0{,}35, donc elle s'arrête dès que vn⩾0,35v_n\geqslant0{,}35, c'est-à-dire pour n=6n=6 (la suite étant croissante, les termes précédents sont tous inférieurs à 0,350{,}35).

Donc la saisie de seuil(0.35) renvoie 66.

Interprétation : c'est au bout de 66 mois que le nombre d'insectes dépasse 350 000350\,000 pour la première fois.

Réponse : seuil(0.35) renvoie 66.

Points clés attendus

  • Reconnaître une suite géométrique (Partie A) et résoudre l'inéquation avec le logarithme, en justifiant que ln⁡(1,6)>0\ln(1{,}6)>0.

  • Dans la récurrence, citer la croissance de ff sur [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right] et utiliser f(vk)=vk+1f(v_k)=v_{k+1} et f(12)=0,4⩽12f\left(\dfrac12\right)=0{,}4\leqslant\dfrac12.

  • Citer le théorème de la limite monotone (suite croissante et majorée) avant d'affirmer la convergence.

  • Éliminer la solution 00 en utilisant que la suite est croissante et que v0=0,1v_0=0{,}1.

  • Pour le programme Python, justifier que la boucle ne s'arrête pas pour 0,40{,}4 (limite 0,3750{,}375) et lister les termes pour 0,350{,}35.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Métropole, 21 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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