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Terminale Spé Maths / Chapitre 7 : Primitives et équations différentielles / Annales du bac

Bac 2023, Polynésie : exercice 3

13 mars 2023 · jour 1 · 5 points Vrai / FauxPython

Pour chacune des affirmations suivantes, indiquer si elle est vraie ou fausse.

Chaque réponse doit être justifiée.

Une réponse non justifiée ne rapporte aucun point.

  1. Affirmation : La fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ex−xf(x) = \text{e}^x - x est convexe.

  2. Affirmation : L'équation (2ex−6)(ex+2)=0\left(2\text{e}^x - 6\right)\left(\text{e}^x + 2\right) = 0 admet ln⁡(3)\ln (3) comme unique solution dans R\mathbb{R}.

  3. Affirmation :

    lim⁡x→+∞e2x−1ex−x=0.\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\text{e}^{2x} - 1}{\text{e}^x - x} = 0.

  4. Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=(6x+5)e3xf(x) = (6x + 5)\text{e}^{3x} et FF la fonction définie sur R\mathbb{R} par :

    F(x)=(2x+1)e3x+4F(x) = (2x + 1)\text{e}^{3x} + 4.

    Affirmation : FF est la primitive de ff sur R\mathbb{R} qui prend la valeur 5 quand x=0x = 0.

  5. On considère la fonction mystere définie ci-dessous qui prend une liste L de nombres en paramètre.

    On rappelle que len(L) représente la longueur de la liste L.

    def mystere(L) :
          S = 0
         for i in range(len(L)) :
                  S = S + L[i]
         return S / len(L)

    Affirmation : L'exécution de mystere([1, 9, 9, 5, 0, 3, 6, 12, 0, 5]) renvoie 5050.

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Question 1.

La fonction ff est définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ex−xf(x)=\mathrm{e}^{x}-x.

Elle est dérivable deux fois sur R\mathbb{R}, comme somme de fonctions dérivables sur R\mathbb{R}.

Pour tout réel xx :

f′(x)=ex−1.f'(x)=\mathrm{e}^{x}-1.

Puis, en dérivant à nouveau :

f′′(x)=ex.f''(x)=\mathrm{e}^{x}.

La fonction exponentielle est strictement positive sur R\mathbb{R}, donc f′′(x)>0f''(x)>0 pour tout réel xx.

Or une fonction deux fois dérivable est convexe sur un intervalle si et seulement si sa dérivée seconde est positive sur cet intervalle.

Donc ff est convexe sur R\mathbb{R}.

Réponse : l'affirmation est vraie.

Question 2.

On résout (2ex−6)(ex+2)=0\left(2\mathrm{e}^{x}-6\right)\left(\mathrm{e}^{x}+2\right)=0 dans R\mathbb{R}.

Un produit de facteurs est nul si et seulement si l'un au moins de ses facteurs est nul.

Premier facteur : pour tout réel xx, ex>0\mathrm{e}^{x}>0 donc ex+2>2>0\mathrm{e}^{x}+2>2>0.

Ce facteur ne s'annule jamais.

Il reste donc à résoudre 2ex−6=02\mathrm{e}^{x}-6=0 :

2ex−6=0  ⟺  ex=3.2\mathrm{e}^{x}-6=0\iff \mathrm{e}^{x}=3.

La fonction ln⁡\ln est la bijection réciproque de la fonction exponentielle de R\mathbb{R} dans ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, et 3>03>0, donc

ex=3  ⟺  x=ln⁡(3).\mathrm{e}^{x}=3\iff x=\ln(3).

Donc l'équation admet ln⁡(3)\ln(3) pour unique solution dans R\mathbb{R}.

Réponse : l'affirmation est vraie.

Question 3.

Pour x>0x>0, on met en facteur les termes dominants au numérateur et au dénominateur :

e2x−1=e2x(1−e−2x)etex−x=ex(1−xe−x).\mathrm{e}^{2x}-1=\mathrm{e}^{2x}\left(1-\mathrm{e}^{-2x}\right) \qquad\text{et}\qquad \mathrm{e}^{x}-x=\mathrm{e}^{x}\left(1-x\mathrm{e}^{-x}\right).

Le dénominateur est non nul pour xx grand (voir la limite ci-dessous), et

e2x−1ex−x=e2xex×1−e−2x1−xe−x=ex×1−e−2x1−xe−x.\dfrac{\mathrm{e}^{2x}-1}{\mathrm{e}^{x}-x}=\dfrac{\mathrm{e}^{2x}}{\mathrm{e}^{x}}\times\dfrac{1-\mathrm{e}^{-2x}}{1-x\mathrm{e}^{-x}}=\mathrm{e}^{x}\times\dfrac{1-\mathrm{e}^{-2x}}{1-x\mathrm{e}^{-x}}.

Limite de e−2x\mathrm{e}^{-2x} : lim⁡x→+∞(−2x)=−∞\lim\limits_{x\to+\infty}(-2x)=-\infty et lim⁡X→−∞eX=0\lim\limits_{X\to-\infty}\mathrm{e}^{X}=0, donc par composition lim⁡x→+∞e−2x=0\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{-2x}=0.

Limite de xe−xx\mathrm{e}^{-x} : on a xe−x=xexx\mathrm{e}^{-x}=\dfrac{x}{\mathrm{e}^{x}}, et par croissances comparées lim⁡x→+∞exx=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\mathrm{e}^{x}}{x}=+\infty, donc lim⁡x→+∞xe−x=0\lim\limits_{x\to+\infty}x\mathrm{e}^{-x}=0.

Par opérations sur les limites :

lim⁡x→+∞1−e−2x1−xe−x=1−01−0=1.\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{1-\mathrm{e}^{-2x}}{1-x\mathrm{e}^{-x}}=\dfrac{1-0}{1-0}=1.

Par ailleurs lim⁡x→+∞ex=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{x}=+\infty.

Par produit :

lim⁡x→+∞e2x−1ex−x=+∞.\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\mathrm{e}^{2x}-1}{\mathrm{e}^{x}-x}=+\infty.

Donc la limite n'est pas 00.

Réponse : l'affirmation est fausse : la limite vaut +∞+\infty.

Question 4.

La fonction FF est définie sur R\mathbb{R} par F(x)=(2x+1)e3x+4F(x)=(2x+1)\mathrm{e}^{3x}+4.

Elle est dérivable sur R\mathbb{R} comme produit et somme de fonctions dérivables.

On utilise la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' avec u(x)=2x+1u(x)=2x+1 et v(x)=e3xv(x)=\mathrm{e}^{3x}, soit u′(x)=2u'(x)=2 et v′(x)=3e3xv'(x)=3\mathrm{e}^{3x} (dérivée de eax+b\mathrm{e}^{ax+b}).

Pour tout réel xx :

F′(x)=2e3x+(2x+1)×3e3x.F'(x)=2\mathrm{e}^{3x}+(2x+1)\times3\mathrm{e}^{3x}.

On factorise par e3x\mathrm{e}^{3x} :

F′(x)=(2+6x+3)e3x=(6x+5)e3x=f(x).F'(x)=\left(2+6x+3\right)\mathrm{e}^{3x}=(6x+5)\mathrm{e}^{3x}=f(x).

Donc FF est une primitive de ff sur R\mathbb{R}.

Calculons maintenant F(0)F(0) :

F(0)=(2×0+1)e0+4=1×1+4=5.F(0)=(2\times0+1)\mathrm{e}^{0}+4=1\times1+4=5.

Les primitives de ff sur R\mathbb{R} diffèrent d'une constante, donc une seule d'entre elles prend la valeur 55 en 00.

Comme FF est une primitive de ff et que F(0)=5F(0)=5, FF est cette primitive.

Réponse : l'affirmation est vraie.

Question 5.

On exécute mystere([1, 9, 9, 5, 0, 3, 6, 12, 0, 5]).

La liste contient 1010 éléments, donc len(L) vaut 1010.

La variable S est initialisée à 00, puis la boucle ajoute successivement chaque élément de la liste.

Après la boucle :

S=1+9+9+5+0+3+6+12+0+5=50.S=1+9+9+5+0+3+6+12+0+5=50.

La fonction ne renvoie pas S, mais S / len(L), c'est-à-dire

5010=5.\dfrac{50}{10}=5.

La fonction mystere calcule donc la moyenne des éléments de la liste.

La valeur renvoyée est 55 et non 5050 (5050 est la valeur de la somme).

Réponse : l'affirmation est fausse : l'exécution renvoie 55.

Points clés attendus

  • Citer le critère de convexité : signe de la dérivée seconde f′′f'' sur R\mathbb{R}.

  • Justifier qu'un facteur est toujours strictement positif (ex+2>0\mathrm{e}^{x}+2>0) avant de conclure sur l'équation produit.

  • Lever la forme indéterminée +∞+∞\frac{+\infty}{+\infty} en factorisant, et citer les croissances comparées.

  • Vérifier à la fois F′=fF'=f et la condition F(0)=5F(0)=5 pour conclure sur la primitive.

  • Distinguer la somme SS et la valeur renvoyée S/len(L)S/\texttt{len(L)} dans le programme.

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 · 4 points · Succession d'épreuves et loi binomiale
  • Exercice 2 · 5 points · Vecteurs, droites et plans de l'espace · Orthogonalité et distances dans l'espace
  • Exercice 4 · 6 points · Suites · Fonction logarithme · Continuité et TVI

Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Polynésie, 13 mars 2023 (jour 1)), 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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