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

Bac 2023, Polynésie : exercice 3

14 mars 2023 · jour 2 · 5 points

Les parties { A} et { B} peuvent être traitées indépendamment

Partie A

Le plan est ramené à un repère orthogonal.

On a représenté ci-dessous la courbe d'une fonction ff définie et deux fois dérivable sur R\mathbb{R}, ainsi que celle de sa dérivée f′f' et de sa dérivée seconde f′′f''.

Figure de l'énoncé, exercice 3, Polynésie 14 mars 2023
  1. Déterminer, en justifiant votre choix, quelle courbe correspond à quelle fonction.

  2. Déterminer, avec la précision permise par le graphique, le coefficient directeur de la tangente à la courbe C2\mathcal{C}_2 au point d'abscisse 4.

  3. Donner avec la précision permise par le graphique, l'abscisse de chaque point d'inflexion de la courbe C1\mathcal{C}_1.

Partie B

Soit un réel kk strictement positif.

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

g(x)=41+e−kx.g(x) = \dfrac{4}{1 + \text{e}^{- kx}}.

  1. Déterminer les limites de gg en +∞+ \infty et en −∞-\infty,

  2. Prouver que g′(0)=kg'(0) = k.

  3. En admettant le résultat ci-dessous obtenu avec un logiciel de calcul formel, prouver que la courbe de gg admet un point d'inflexion au point d'abscisse 0.

    ▹\triangleright Calcul formel
    g(x) =4/(1 + e^(-kx))
    1
    →g(x)=4e−kx+1\to g(x) = \dfrac{4}{\text{e}^{-kx} + 1}
    Simplifier(g′′(x))(g''(x))
    2
    →g′′(x)=−4ekx(ekx−1)k2(ekx+1)3\to g''(x) = - 4\text{e}^{kx}\left(\text{e}^{kx} - 1\right)\dfrac{k^2}{\left(\text{e}^{kx} + 1 \right)^3}
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Partie A

Question 1.

On lit sur le graphique les propriétés suivantes, pour x∈[0 ; 8]x \in [0\,;\,8] :

  • la courbe C2\mathcal{C}_2 est croissante sur [0 ; 8][0\,;\,8]

  • la courbe C3\mathcal{C}_3 est au dessus de l'axe des abscisses, croissante sur [0 ; 4][0\,;\,4] puis décroissante sur [4 ; 8][4\,;\,8], avec un maximum en x=4x = 4

  • la courbe C1\mathcal{C}_1 est positive sur [0 ; 4[[0\,;\,4[, s'annule en x=4x = 4 en changeant de signe, puis est négative sur ]4 ; 8]]4\,;\,8].

Une fonction croissante a une dérivée positive : C2\mathcal{C}_2 étant croissante, sa dérivée est positive. La courbe C3\mathcal{C}_3 est positive et la pente de C2\mathcal{C}_2 est la plus grande en x=4x = 4, là où C3\mathcal{C}_3 est maximale.

Le signe d'une dérivée donne les variations de la fonction : C1\mathcal{C}_1 est positive sur [0 ; 4[[0\,;\,4[ et négative sur ]4 ; 8]]4\,;\,8], ce qui correspond exactement aux variations de C3\mathcal{C}_3 (croissante puis décroissante, maximum en 44). Donc C1\mathcal{C}_1 est la dérivée de C3\mathcal{C}_3.

De même, le signe de C3\mathcal{C}_3 (positif) correspond aux variations de C2\mathcal{C}_2 (croissante), donc C3\mathcal{C}_3 est la dérivée de C2\mathcal{C}_2.

La courbe C1\mathcal{C}_1, qui prend des valeurs négatives, ne peut pas être la dérivée de C2\mathcal{C}_2, qui est croissante : cela confirme l'ordre obtenu.

Donc :

  • C2\mathcal{C}_2 est la courbe de ff

  • C3\mathcal{C}_3 est la courbe de f′f'

  • C1\mathcal{C}_1 est la courbe de f′′f''.

Question 2.

Le coefficient directeur de la tangente à la courbe C2\mathcal{C}_2 de ff au point d'abscisse 44 est le nombre dérivé f′(4)f'(4).

D'après la question 1, f′f' est représentée par C3\mathcal{C}_3. Le point de C3\mathcal{C}_3 d'abscisse 44 a pour ordonnée 33 (lecture graphique, c'est le maximum de C3\mathcal{C}_3).

Donc f′(4)=3f'(4) = 3 : le coefficient directeur de la tangente à C2\mathcal{C}_2 au point d'abscisse 44 est 33.

Réponse : 33.

Question 3.

Un point d'inflexion d'une courbe est un point où la courbe traverse sa tangente, c'est-à-dire où sa concavité change.

La question porte sur la courbe C1\mathcal{C}_1 (énoncé lu littéralement). Par lecture graphique, C1\mathcal{C}_1 change de concavité trois fois :

  • elle passe de convexe à concave vers x≈3,2x \approx 3{,}2, avant son maximum

  • elle passe de concave à convexe en x=4x = 4, là où elle coupe l'axe des abscisses

  • elle passe de convexe à concave vers x≈4,8x \approx 4{,}8, après son minimum.

Donc les abscisses des points d'inflexion de C1\mathcal{C}_1 sont environ 3,23{,}2   44 et 4,84{,}8.

Remarque : si la question visait la courbe C2\mathcal{C}_2 de ff, les points d'inflexion correspondent aux changements de signe de f′′f'', représentée par C1\mathcal{C}_1. Il n'y en a alors qu'un, d'abscisse 44.

Réponse : environ 3,23{,}2   44 et 4,84{,}8 pour C1\mathcal{C}_1 (et 44 pour C2\mathcal{C}_2).

Partie B

Question 1.

On a k>0k > 0.

Limite en +∞+\infty. On a lim⁡x→+∞(−kx)=−∞\lim\limits_{x \to +\infty} (-kx) = -\infty car k>0k > 0. Par limite d'une composée avec lim⁡X→−∞eX=0\lim\limits_{X \to -\infty} \mathrm{e}^{X} = 0, on obtient lim⁡x→+∞e−kx=0\lim\limits_{x \to +\infty} \mathrm{e}^{-kx} = 0.

Donc lim⁡x→+∞(1+e−kx)=1\lim\limits_{x \to +\infty} \left(1 + \mathrm{e}^{-kx}\right) = 1, puis par quotient

lim⁡x→+∞g(x)=41=4.\lim\limits_{x \to +\infty} g(x) = \dfrac{4}{1} = 4.

Limite en −∞-\infty. On a lim⁡x→−∞(−kx)=+∞\lim\limits_{x \to -\infty} (-kx) = +\infty car k>0k > 0. Par limite d'une composée avec lim⁡X→+∞eX=+∞\lim\limits_{X \to +\infty} \mathrm{e}^{X} = +\infty, on obtient lim⁡x→−∞e−kx=+∞\lim\limits_{x \to -\infty} \mathrm{e}^{-kx} = +\infty.

Donc lim⁡x→−∞(1+e−kx)=+∞\lim\limits_{x \to -\infty} \left(1 + \mathrm{e}^{-kx}\right) = +\infty, puis par quotient

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

Donc gg admet pour limite 44 en +∞+\infty et 00 en −∞-\infty.

Réponse : lim⁡x→+∞g(x)=4\lim\limits_{x \to +\infty} g(x) = 4 et lim⁡x→−∞g(x)=0\lim\limits_{x \to -\infty} g(x) = 0.

Question 2.

La fonction gg est de la forme 4v\dfrac{4}{v} avec v(x)=1+e−kxv(x) = 1 + \mathrm{e}^{-kx}. La fonction vv est dérivable sur R\mathbb{R} (somme et composée de fonctions dérivables) et ne s'annule pas, car v(x)>1>0v(x) > 1 > 0. Donc gg est dérivable sur R\mathbb{R}.

On a v′(x)=−k e−kxv'(x) = -k\,\mathrm{e}^{-kx}. D'après la formule de dérivation d'un quotient (4v)′=−4v′v2\left(\dfrac{4}{v}\right)' = -\dfrac{4v'}{v^2} :

g′(x)=−4×(−k e−kx)(1+e−kx)2=4k e−kx(1+e−kx)2.g'(x) = -\dfrac{4 \times \left(-k\,\mathrm{e}^{-kx}\right)}{\left(1 + \mathrm{e}^{-kx}\right)^2} = \dfrac{4k\,\mathrm{e}^{-kx}}{\left(1 + \mathrm{e}^{-kx}\right)^2}.

En x=0x = 0, on a e0=1\mathrm{e}^{0} = 1, donc

g′(0)=4k×1(1+1)2=4k4=k.g'(0) = \dfrac{4k \times 1}{(1 + 1)^2} = \dfrac{4k}{4} = k.

Donc g′(0)=kg'(0) = k.

Question 3.

D'après le calcul formel, pour tout réel xx :

g′′(x)=−4k2 ekx(ekx−1)(ekx+1)3.g''(x) = -\dfrac{4k^2\,\mathrm{e}^{kx}\left(\mathrm{e}^{kx} - 1\right)}{\left(\mathrm{e}^{kx} + 1\right)^3}.

On étudie le signe de g′′(x)g''(x).

On a 4k2 ekx>04k^2\,\mathrm{e}^{kx} > 0 (car k>0k > 0 et une exponentielle est strictement positive) et (ekx+1)3>0\left(\mathrm{e}^{kx} + 1\right)^3 > 0. Donc g′′(x)g''(x) est du signe de −(ekx−1)-\left(\mathrm{e}^{kx} - 1\right).

La fonction exponentielle est strictement croissante et e0=1\mathrm{e}^{0} = 1, donc

ekx−1>0  ⟺  kx>0  ⟺  x>0(car k>0).\mathrm{e}^{kx} - 1 > 0 \iff kx > 0 \iff x > 0 \quad (\text{car } k > 0).

On en déduit :

  • pour x<0x < 0 : ekx−1<0\mathrm{e}^{kx} - 1 < 0, donc g′′(x)>0g''(x) > 0

  • g′′(0)=0g''(0) = 0

  • pour x>0x > 0 : ekx−1>0\mathrm{e}^{kx} - 1 > 0, donc g′′(x)<0g''(x) < 0.

La dérivée seconde g′′g'' s'annule en 00 en changeant de signe : la fonction gg est convexe sur ]−∞ ; 0]]-\infty\,;\,0] et concave sur [0 ; +∞[[0\,;\,+\infty[. Donc la courbe de gg admet un point d'inflexion au point d'abscisse 00.

Points clés attendus

  • Justifier l'identification des courbes par le lien entre signe d'une fonction et variations de sa primitive, et non par une simple lecture.

  • Lire f′(4)f'(4) sur la courbe de f′f' et non sur celle de ff.

  • Citer la limite d'une composée pour les limites de gg, en utilisant l'hypothèse k>0k > 0.

  • Dériver 4v\dfrac{4}{v} avec la formule du quotient et évaluer en 00.

  • Un point d'inflexion exige que g′′g'' s'annule et change de signe, ce qu'il faut étudier explicitement.

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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 · Suites · Succession d'épreuves et loi binomiale
  • Exercice 2 · 5 points · Vecteurs, droites et plans de l'espace
  • Exercice 4 · 5 points · Suites · Dérivation et convexité

Revoir le cours

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