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Terminale Spé Maths / Chapitre 8 : Calcul intégral / Annales du bac

Bac 2024, Amérique du Nord : exercice 4

21 mai 2024 · jour 1 · 6 points Python

Pour tout entier naturel nn, on considère les intégrales suivantes :

In=∫0πe−nxsin⁡(x) dx,Jn=∫0πe−nxcos⁡(x) dx.I_n = \displaystyle\int_0^{\pi} \text{e}^{- nx}\sin (x)\,\text{d}x, \quad J_n = \displaystyle\int_0^{\pi} \text{e}^{-nx}\cos (x)\,\text{d}x.

  1. Calculer I0I_0.

    1. Justifier que, pour tout entier naturel nn , on a In⩾0I_n \geqslant 0.

    2. Montrer que, pour tout entier naturel nn , on a In+1−In⩽0I_{n+1} - I_n \leqslant 0.

    3. Déduire des deux questions précédentes que la suite (In)\left(I_n\right) converge.

    1. Montrer que, pour tout entier naturel nn , on a :

      In⩽∫0πe−nx dx.I_n \leqslant \displaystyle\int_0^{\pi} \text{e}^{- nx}\,\text{d}x.

    2. Montrer que, pour tout entier naturel n⩾1n \geqslant 1, on a :

      ∫0πe−nx dx=1−e−nπn.\displaystyle\int_0^{\pi} \text{e}^{- nx}\,\text{d}x = \dfrac{1 - \mathrm{e}^{-n \pi}}{n}.

    3. Déduire des deux questions précédentes la limite de la suite (In)\left(I_n\right).

    1. En intégrant par parties l'intégrale InI_n de deux façons différentes, établir les deux relations suivantes, pour tout entier naturel n⩾1n \geqslant 1 :

      In=1+e−nπ−nJnI_n = 1 + \mathrm{e}^{-n\pi} - nJ_n   et  In=1nJnI_n = \dfrac 1n J_n

    2. En déduire que, pour tout entier naturel n⩾1n \geqslant 1, on a

      In=1+e−nπn2+1I_n = \dfrac{1 + \mathrm{e}^{-n \pi}}{n^2 + 1}

  2. On souhaite obtenir le rang nn à partir duquel la suite (In)\left(I_n\right) devient inférieure à 0,1.

    Recopier et compléter la cinquième ligne du script Python ci-dessous avec la commande appropriée.

    1from math import *
    2def seuil() :
    3  n = 0
    4  I = 2
    5  …
    6    n = n+1
    7    I = (1+exp(-n*pi))/(n*n+1)
    8  return n
Voir le corrigé

Question 1.

Pour n=0n=0, on a e0=1\mathrm{e}^{0}=1, donc

I0=∫0πsin⁡x dx.I_0=\int_0^{\pi}\sin x\,\mathrm{d}x.

Une primitive de sin⁡\sin est −cos⁡-\cos, donc

I0=[−cos⁡x]0π=−cos⁡π−(−cos⁡0)=1+1=2.I_0=\Big[-\cos x\Big]_0^{\pi}=-\cos\pi-(-\cos0)=1+1=2.

Donc I0=2I_0=2.

Réponse : I0=2I_0=2.

Question 2. a)

Soit nn un entier naturel. Pour tout x∈[0 ;π]x\in[0\,;\pi] :

  • e−nx>0\mathrm{e}^{-nx}>0, car une exponentielle est strictement positive

  • sin⁡x⩾0\sin x\geqslant0, car x∈[0 ;π]x\in[0\,;\pi].

Donc e−nxsin⁡x⩾0\mathrm{e}^{-nx}\sin x\geqslant0 sur [0 ;π][0\,;\pi].

Par positivité de l'intégrale (la fonction est positive et les bornes 0⩽π0\leqslant\pi sont dans l'ordre croissant), on obtient

In=∫0πe−nxsin⁡x dx⩾0.I_n=\int_0^{\pi}\mathrm{e}^{-nx}\sin x\,\mathrm{d}x\geqslant0.

Donc, pour tout entier naturel nn, In⩾0I_n\geqslant0.

Question 2. b)

Soit nn un entier naturel. Par linéarité de l'intégrale :

In+1−In=∫0π(e−(n+1)x−e−nx)sin⁡x dx.I_{n+1}-I_n=\int_0^{\pi}\left(\mathrm{e}^{-(n+1)x}-\mathrm{e}^{-nx}\right)\sin x\,\mathrm{d}x.

Comme e−(n+1)x=e−nx e−x\mathrm{e}^{-(n+1)x}=\mathrm{e}^{-nx}\,\mathrm{e}^{-x}, on factorise :

In+1−In=∫0πe−nx(e−x−1)sin⁡x dx.I_{n+1}-I_n=\int_0^{\pi}\mathrm{e}^{-nx}\left(\mathrm{e}^{-x}-1\right)\sin x\,\mathrm{d}x.

Pour tout x∈[0 ;π]x\in[0\,;\pi] :

  • e−nx>0\mathrm{e}^{-nx}>0

  • −x⩽0-x\leqslant0 et la fonction exponentielle est croissante, donc e−x⩽e0=1\mathrm{e}^{-x}\leqslant\mathrm{e}^{0}=1, soit e−x−1⩽0\mathrm{e}^{-x}-1\leqslant0

  • sin⁡x⩾0\sin x\geqslant0.

L'intégrande est donc négatif ou nul sur [0 ;π][0\,;\pi]. Par positivité de l'intégrale (bornes dans l'ordre croissant), In+1−In⩽0I_{n+1}-I_n\leqslant0.

Donc, pour tout entier naturel nn, In+1−In⩽0I_{n+1}-I_n\leqslant0.

Question 2. c)

D'après la question 2. b), la suite (In)(I_n) est décroissante.

D'après la question 2. a), elle est minorée par 00.

D'après le théorème de la limite monotone (toute suite décroissante et minorée converge), la suite (In)(I_n) converge.

Question 3. a)

Soit nn un entier naturel. Pour tout x∈[0 ;π]x\in[0\,;\pi] :

sin⁡x⩽1.\sin x\leqslant1.

On multiplie par e−nx>0\mathrm{e}^{-nx}>0, ce qui conserve le sens de l'inégalité :

e−nxsin⁡x⩽e−nx.\mathrm{e}^{-nx}\sin x\leqslant\mathrm{e}^{-nx}.

Par croissance de l'intégrale (bornes dans l'ordre croissant), on obtient

In⩽∫0πe−nx dx.I_n\leqslant\int_0^{\pi}\mathrm{e}^{-nx}\,\mathrm{d}x.

Question 3. b)

Soit n⩾1n\geqslant1. La fonction x↦e−nxx\mapsto\mathrm{e}^{-nx} admet pour primitive x↦−e−nxnx\mapsto-\dfrac{\mathrm{e}^{-nx}}{n} (dérivée d'une composée : (e−nx)′=−n e−nx\left(\mathrm{e}^{-nx}\right)'=-n\,\mathrm{e}^{-nx}). Donc

∫0πe−nx dx=[−e−nxn]0π=−e−nπn+1n=1−e−nπn.\int_0^{\pi}\mathrm{e}^{-nx}\,\mathrm{d}x=\left[-\dfrac{\mathrm{e}^{-nx}}{n}\right]_0^{\pi}=-\dfrac{\mathrm{e}^{-n\pi}}{n}+\dfrac{1}{n}=\dfrac{1-\mathrm{e}^{-n\pi}}{n}.

Question 3. c)

D'après les questions 2. a), 3. a) et 3. b), pour tout entier n⩾1n\geqslant1 :

0⩽In⩽1−e−nπn.0\leqslant I_n\leqslant\dfrac{1-\mathrm{e}^{-n\pi}}{n}.

Étudions la limite du majorant. On a lim⁡n→+∞−nπ=−∞\lim\limits_{n\to+\infty}-n\pi=-\infty et lim⁡X→−∞eX=0\lim\limits_{X\to-\infty}\mathrm{e}^{X}=0, donc par composition lim⁡n→+∞e−nπ=0\lim\limits_{n\to+\infty}\mathrm{e}^{-n\pi}=0. Alors lim⁡n→+∞(1−e−nπ)=1\lim\limits_{n\to+\infty}\left(1-\mathrm{e}^{-n\pi}\right)=1, et comme lim⁡n→+∞1n=0\lim\limits_{n\to+\infty}\dfrac1n=0, par produit

lim⁡n→+∞1−e−nπn=0.\lim\limits_{n\to+\infty}\dfrac{1-\mathrm{e}^{-n\pi}}{n}=0.

La suite (In)(I_n) est encadrée par deux suites de limite 00 : d'après le théorème des gendarmes,

lim⁡n→+∞In=0.\lim\limits_{n\to+\infty}I_n=0.

Donc la suite (In)(I_n) converge vers 00.

Réponse : lim⁡n→+∞In=0\lim\limits_{n\to+\infty}I_n=0.

Question 4. a)

Soit n⩾1n\geqslant1. Dans les deux intégrations par parties, les fonctions utilisées sont de classe C1\mathcal{C}^1 sur [0 ;π][0\,;\pi], ce qui valide la formule

∫0πu(x)v′(x) dx=[u(x)v(x)]0π−∫0πu′(x)v(x) dx.\int_0^{\pi}u(x)v'(x)\,\mathrm{d}x=\Big[u(x)v(x)\Big]_0^{\pi}-\int_0^{\pi}u'(x)v(x)\,\mathrm{d}x.

Première intégration par parties. On pose

u(x)=sin⁡x,u′(x)=cos⁡x,v′(x)=e−nx,v(x)=−e−nxn.u(x)=\sin x,\quad u'(x)=\cos x,\quad v'(x)=\mathrm{e}^{-nx},\quad v(x)=-\dfrac{\mathrm{e}^{-nx}}{n}.

On obtient

In=[−e−nxsin⁡xn]0π−∫0πcos⁡x×(−e−nxn)dx.I_n=\left[-\dfrac{\mathrm{e}^{-nx}\sin x}{n}\right]_0^{\pi}-\int_0^{\pi}\cos x\times\left(-\dfrac{\mathrm{e}^{-nx}}{n}\right)\mathrm{d}x.

Comme sin⁡π=sin⁡0=0\sin\pi=\sin0=0, le crochet est nul, et

In=1n∫0πe−nxcos⁡x dx=1nJn.I_n=\dfrac1n\int_0^{\pi}\mathrm{e}^{-nx}\cos x\,\mathrm{d}x=\dfrac1nJ_n.

Seconde intégration par parties. On pose

u(x)=e−nx,u′(x)=−n e−nx,v′(x)=sin⁡x,v(x)=−cos⁡x.u(x)=\mathrm{e}^{-nx},\quad u'(x)=-n\,\mathrm{e}^{-nx},\quad v'(x)=\sin x,\quad v(x)=-\cos x.

On obtient

In=[−e−nxcos⁡x]0π−∫0π(−n e−nx)(−cos⁡x)dx.I_n=\Big[-\mathrm{e}^{-nx}\cos x\Big]_0^{\pi}-\int_0^{\pi}\left(-n\,\mathrm{e}^{-nx}\right)\left(-\cos x\right)\mathrm{d}x.

Calcul du crochet : en π\pi, −e−nπcos⁡π=e−nπ-\mathrm{e}^{-n\pi}\cos\pi=\mathrm{e}^{-n\pi}   en 00, −e0cos⁡0=−1-\mathrm{e}^{0}\cos0=-1. Donc le crochet vaut e−nπ−(−1)=1+e−nπ\mathrm{e}^{-n\pi}-(-1)=1+\mathrm{e}^{-n\pi}.

Calcul de l'intégrale : (−n e−nx)(−cos⁡x)=n e−nxcos⁡x\left(-n\,\mathrm{e}^{-nx}\right)\left(-\cos x\right)=n\,\mathrm{e}^{-nx}\cos x, donc l'intégrale vaut nJnnJ_n.

On en déduit

In=1+e−nπ−nJn.I_n=1+\mathrm{e}^{-n\pi}-nJ_n.

Donc, pour tout entier n⩾1n\geqslant1, In=1+e−nπ−nJnI_n=1+\mathrm{e}^{-n\pi}-nJ_n et In=1nJnI_n=\dfrac1nJ_n.

Question 4. b)

Soit n⩾1n\geqslant1. De la relation In=1nJnI_n=\dfrac1nJ_n, on tire Jn=nInJ_n=nI_n.

On reporte dans l'autre relation :

In=1+e−nπ−n×nIn=1+e−nπ−n2In.I_n=1+\mathrm{e}^{-n\pi}-n\times nI_n=1+\mathrm{e}^{-n\pi}-n^2I_n.

On regroupe les termes en InI_n :

(n2+1)In=1+e−nπ.\left(n^2+1\right)I_n=1+\mathrm{e}^{-n\pi}.

Comme n2+1≠0n^2+1\neq0, on divise :

In=1+e−nπn2+1.I_n=\dfrac{1+\mathrm{e}^{-n\pi}}{n^2+1}.

Donc, pour tout entier n⩾1n\geqslant1, In=1+e−nπn2+1I_n=\dfrac{1+\mathrm{e}^{-n\pi}}{n^2+1}.

Question 5.

On cherche le premier rang nn pour lequel In<0,1I_n<0{,}1. La suite (In)(I_n) est décroissante, donc il suffit de continuer à incrémenter nn tant que la valeur courante de II est supérieure ou égale à 0,10{,}1.

À l'entrée de la boucle, n=0n=0 et I=I0=2I=I_0=2. La ligne 5 est donc :

while I >= 0.1 :

Trace de l'exécution (valeurs de II arrondies) :

  • n=0n=0 : I=2⩾0,1I=2\geqslant0{,}1, on entre dans la boucle

  • n=1n=1 : I=I1≈0,5216⩾0,1I=I_1\approx0{,}5216\geqslant0{,}1

  • n=2n=2 : I=I2≈0,2004⩾0,1I=I_2\approx0{,}2004\geqslant0{,}1

  • n=3n=3 : I=I3≈0,10001⩾0,1I=I_3\approx0{,}10001\geqslant0{,}1

  • n=4n=4 : I=I4≈0,0588<0,1I=I_4\approx0{,}0588<0{,}1, la boucle s'arrête.

Donc la fonction seuil renvoie n=4n=4 : la suite (In)(I_n) devient inférieure à 0,10{,}1 à partir du rang 44.

Réponse : la ligne 5 est l'instruction while ci-dessus, et la fonction renvoie 44.

Points clés attendus

  • Justifier le signe de l'intégrande (trois facteurs de signe connu) avant d'invoquer la positivité de l'intégrale, bornes dans l'ordre croissant.

  • Question 2. c) : citer le théorème de la limite monotone en précisant décroissante et minorée.

  • Question 3. c) : encadrer InI_n puis citer le théorème des gendarmes, après avoir justifié la limite du majorant.

  • Intégrations par parties : poser clairement uu, u′u', vv, v′v' et calculer soigneusement les crochets (valeurs de cos⁡π\cos\pi et sin⁡π\sin\pi).

  • Question 5 : la condition de la boucle while est la condition de poursuite, c'est-à-dire I⩾0,1I\geqslant0{,}1, et non la condition d'arrêt.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Amérique du Nord, 21 mai 2024 (jour 1)), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès et François Hache) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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