+ qu'un profMon espace

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

Bac 2023, Polynésie : exercice 3

7 septembre 2023 · 5 points Python

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

f(x)=34x2−2x+3.f(x) = \dfrac34 x^2 - 2x + 3.

  1. Dresser le tableau de variations de ff sur R\mathbb{R}.

  2. En déduire, que pour tout xx appartenant à l'intervalle [43  ;  2]\left[\dfrac43\;;\;2\right],  f(x)f(x) appartient à l'intervalle [43  ;  2]\left[\dfrac43\;;\;2\right].

  3. Démontrer que pour tout xx réel, x⩽f(x)x \leqslant f(x).

    Pour cela, on pourra démontrer que pour tout réel xx :

    f(x)−x=34(x−2)2.f(x) - x = \dfrac34(x - 2)^2.

    On considère la suite (un)\left(u_n\right) définie par un réel u0u_0 et pour tout entier naturel nn :

    un+1=f(un).u_{n+1} = f\left(u_n\right).

    On a donc, pour tout entier naturel nn,

    un+1=34un2−2un+3.u_{n+1} = \dfrac34 u_n^2 - 2u_n + 3.

  4. Étude du cas: 43⩽u0⩽2\dfrac43 \leqslant u_0 \leqslant 2.

    1. Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel nn,

      un⩽un+1⩽2.u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 2.

    2. En déduire que la suite (un)\left(u_n\right) est convergente.

    3. Prouver que la limite de la suite est égale à 2.

  5. Étude du cas particulier : u0=3u_0 = 3.

    On admet que dans ce cas la suite (un)\left(u_n\right) tend vers +∞+\infty.

    Recopier et compléter la fonction « seuil » suivante écrite en Python, afin qu'elle renvoie la plus petite valeur de nn telle que unu_n soit supérieur ou égal à 100.

    def seuil() :
          u = 3
          n = 0
         while \ldots
                  u = \ldots
                  n = \ldots
         return n

  6. Étude du cas : u0>2u_0 > 2.

    À l'aide d'un raisonnement par l'absurde, montrer que (un)\left(u_n\right) n'est pas convergente.

Voir le corrigé

Question 1.

La fonction ff est un polynôme du second degré, dérivable sur R\mathbb{R}, et

f′(x)=34×2x−2=32x−2.f'(x)=\dfrac34\times2x-2=\dfrac32x-2.

On résout f′(x)⩾0f'(x)\geqslant0 :

32x−2⩾0  ⟺  x⩾43.\dfrac32x-2\geqslant0\iff x\geqslant\dfrac43.

Donc f′(x)<0f'(x)<0 pour x<43x<\dfrac43, f′(43)=0f'\left(\dfrac43\right)=0 et f′(x)>0f'(x)>0 pour x>43x>\dfrac43.

La fonction ff est donc strictement décroissante sur ]−∞;43]\left]-\infty;\dfrac43\right] et strictement croissante sur [43;+∞[\left[\dfrac43;+\infty\right[.

Son minimum est atteint en 43\dfrac43 :

f(43)=34×169−2×43+3=43−83+3=53.f\left(\dfrac43\right)=\dfrac34\times\dfrac{16}{9}-2\times\dfrac43+3=\dfrac43-\dfrac83+3=\dfrac53.

Réponse : ff décroît sur ]−∞;43]\left]-\infty;\dfrac43\right], croît sur [43;+∞[\left[\dfrac43;+\infty\right[, minimum f(43)=53f\left(\dfrac43\right)=\dfrac53.

Question 2.

Soit x∈[43;2]x\in\left[\dfrac43;2\right]. D'après la question 1, ff est croissante sur [43;+∞[\left[\dfrac43;+\infty\right[, donc sur [43;2]\left[\dfrac43;2\right], d'où

f(43)⩽f(x)⩽f(2).f\left(\dfrac43\right)\leqslant f(x)\leqslant f(2).

On a f(43)=53f\left(\dfrac43\right)=\dfrac53 et f(2)=34×4−4+3=2f(2)=\dfrac34\times4-4+3=2.

Comme 43⩽53\dfrac43\leqslant\dfrac53, on obtient

43⩽53⩽f(x)⩽2.\dfrac43\leqslant\dfrac53\leqslant f(x)\leqslant2.

Donc, pour tout x∈[43;2]x\in\left[\dfrac43;2\right], f(x)∈[43;2]f(x)\in\left[\dfrac43;2\right].

Question 3.

Pour tout réel xx,

f(x)−x=34x2−2x+3−x=34x2−3x+3=34(x2−4x+4)=34(x−2)2.\begin{aligned} f(x)-x&=\dfrac34x^2-2x+3-x\\ &=\dfrac34x^2-3x+3\\ &=\dfrac34\left(x^2-4x+4\right)\\ &=\dfrac34(x-2)^2. \end{aligned}

Un carré est positif ou nul, donc f(x)−x⩾0f(x)-x\geqslant0 pour tout réel xx.

Donc, pour tout réel xx, x⩽f(x)x\leqslant f(x).

Question 4. a)

On suppose 43⩽u0⩽2\dfrac43\leqslant u_0\leqslant2. Pour tout entier naturel nn, on note P(n)P(n) la propriété :

43⩽un⩽un+1⩽2.\dfrac43\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant2.

Cette propriété contient l'encadrement de unu_n dans [43;2]\left[\dfrac43;2\right], nécessaire pour appliquer la croissance de ff, et entraîne l'inégalité demandée un⩽un+1⩽2u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant2.

Initialisation. On a u0∈[43;2]u_0\in\left[\dfrac43;2\right], donc u1=f(u0)∈[43;2]u_1=f(u_0)\in\left[\dfrac43;2\right] d'après la question 2. De plus u1=f(u0)⩾u0u_1=f(u_0)\geqslant u_0 d'après la question 3. Donc 43⩽u0⩽u1⩽2\dfrac43\leqslant u_0\leqslant u_1\leqslant2 : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité. Soit kk un entier naturel fixé tel que P(k)P(k) soit vraie, c'est-à-dire

43⩽uk⩽uk+1⩽2(hypotheˋse de reˊcurrence).\dfrac43\leqslant u_k\leqslant u_{k+1}\leqslant2\qquad\text{(hypothèse de récurrence)}.

Montrons P(k+1)P(k+1).

Les réels uku_k et uk+1u_{k+1} appartiennent à [43;2]\left[\dfrac43;2\right], intervalle sur lequel ff est croissante (question 1). On applique ff à l'inégalité uk⩽uk+1u_k\leqslant u_{k+1}, sans changer le sens :

f(uk)⩽f(uk+1),soituk+1⩽uk+2.f(u_k)\leqslant f(u_{k+1}),\qquad\text{soit}\qquad u_{k+1}\leqslant u_{k+2}.

Comme uk+1∈[43;2]u_{k+1}\in\left[\dfrac43;2\right], la question 2 donne uk+2=f(uk+1)∈[43;2]u_{k+2}=f(u_{k+1})\in\left[\dfrac43;2\right], donc uk+2⩽2u_{k+2}\leqslant2.

Par l'hypothèse de récurrence, 43⩽uk⩽uk+1\dfrac43\leqslant u_k\leqslant u_{k+1}, donc 43⩽uk+1\dfrac43\leqslant u_{k+1}.

On a donc 43⩽uk+1⩽uk+2⩽2\dfrac43\leqslant u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant2 : P(k+1)P(k+1) est vraie.

Conclusion. P(0)P(0) est vraie et PP est héréditaire : d'après le principe de récurrence, P(n)P(n) est vraie pour tout entier naturel nn.

En particulier, pour tout entier naturel nn, un⩽un+1⩽2u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant2.

Question 4. b)

D'après la question 4. a), pour tout nn, un⩽un+1u_n\leqslant u_{n+1} : la suite (un)(u_n) est croissante. De plus, un⩽2u_n\leqslant2 pour tout nn : elle est majorée par 22.

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

Question 4. c)

Soit ℓ\ell la limite de (un)(u_n) (elle existe d'après la question 4. b).

La suite (un+1)(u_{n+1}) converge aussi vers ℓ\ell. La fonction ff est continue sur R\mathbb{R} (polynôme) et un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_n) : par passage à la limite, ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell).

D'après la question 3, f(ℓ)−ℓ=34(ℓ−2)2f(\ell)-\ell=\dfrac34(\ell-2)^2. L'égalité f(ℓ)=ℓf(\ell)=\ell équivaut donc à

34(ℓ−2)2=0  ⟺  ℓ=2.\dfrac34(\ell-2)^2=0\iff\ell=2.

Donc la limite de la suite (un)(u_n) est égale à 22.

Question 5.

On cherche le plus petit entier nn tel que un⩾100u_n\geqslant100. La boucle doit donc se poursuivre tant que u<100u<100   à chaque passage, on remplace uu par f(u)f(u) et on incrémente nn.

La fonction complétée est :

def seuil():
    u = 3
    n = 0
    while u < 100:
        u = 3/4 * u**2 - 2*u + 3
        n = n + 1
    return n

Trace d'exécution : on calcule les termes successifs, avec u0=3u_0=3 :

u1=3,75,u2≈6,05,u3≈18,33,u4≈218,33.u_1=3{,}75,\qquad u_2\approx6{,}05,\qquad u_3\approx18{,}33,\qquad u_4\approx218{,}33.

On a u3<100u_3<100 et u4⩾100u_4\geqslant100, donc la boucle s'arrête avec n=4n=4 et la fonction renvoie 44.

Réponse : while u < 100, u = 3/4 * u**2 - 2*u + 3, n = n + 1   la fonction renvoie 44.

Question 6.

On suppose u0>2u_0>2 et l'on raisonne par l'absurde : on suppose que la suite (un)(u_n) converge vers un réel ℓ\ell.

Comme à la question 4. c), la continuité de ff donne ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell), donc ℓ=2\ell=2.

D'autre part, d'après la question 3, pour tout nn, un+1=f(un)⩾unu_{n+1}=f(u_n)\geqslant u_n : la suite (un)(u_n) est croissante. Donc, pour tout nn, un⩾u0>2u_n\geqslant u_0>2.

Par passage à la limite dans l'inégalité un⩾u0u_n\geqslant u_0, on obtient ℓ⩾u0>2\ell\geqslant u_0>2.

Ceci contredit ℓ=2\ell=2.

L'hypothèse de convergence est donc absurde : la suite (un)(u_n) n'est pas convergente.

Points clés attendus

  • Pour la stabilité de l'intervalle [43;2]\left[\dfrac43;2\right] : utiliser les variations de ff et les valeurs f(43)=53f\left(\dfrac43\right)=\dfrac53 et f(2)=2f(2)=2.

  • Établir f(x)−x=34(x−2)2f(x)-x=\dfrac34(x-2)^2 pour en déduire un+1⩾unu_{n+1}\geqslant u_n.

  • Rédiger la récurrence avec l'hypothèse de récurrence et l'appel explicite à la croissance de ff sur l'intervalle.

  • Citer le théorème de la limite monotone, puis la continuité de ff pour justifier ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell).

  • Pour la question 6, structurer le raisonnement par l'absurde : hypothèse, conséquence ℓ=2\ell=2, contradiction avec ℓ⩾u0>2\ell\geqslant u_0>2.

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 · 6 points · Dérivation et convexité · Limites de fonctions · Continuité et TVI
  • Exercice 4 · 5 points · Vecteurs, droites et plans de l'espace · Orthogonalité et distances dans l'espace

Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Polynésie, 7 septembre 2023), 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.

Un doute sur un exercice ou sur ta méthode de rédaction ? On en parle ensemble, sans engagement.

Réserver un appel découverte