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

Bac 2024, Asie : exercice 1

10 juin 2024 · jour 1 · 5 points

Partie A

On considère une fonction ff définie sur [0  ;  +∞[[0\;;\; +\infty[, représentée par la courbe C\mathcal{C} ci-dessous.

La droite TT est tangente à la courbe C\mathcal{C} au point A d'abscisse 52\dfrac52.

Figure de l'énoncé, exercice 1, Asie 10 juin 2024
  1. Dresser, par lecture graphique, le tableau des variations de la fonction ff sur l'intervalle [0   5].

  2. Que semble présenter la courbe C\mathcal{C} au point A ?

  3. La dérivée f′f' et la dérivée seconde f′′f'' de la fonction ff sont représentées par les courbes ci-dessous.

    Associer à chacune de ces deux fonctions la courbe qui la représente.

    Ce choix sera justifié.

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Asie 10 juin 2024
    Figure de l'énoncé, exercice 1, Asie 10 juin 2024
    Courbe C1\mathcal{C}_1Courbe C2\mathcal{C}_2
  4. La courbe C3\mathcal{C}_3 ci-contre peut-elle être la représentation graphique sur [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[ d'une primitive de la fonction ff ?
    Justifier.

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Asie 10 juin 2024

Partie B

Dans cette partie, on considère que la fonction ff, définie et deux fois dérivable sur [0  ;  +∞[[0\;; \;+\infty[, est définie par

f(x)=(4x−2)e−x+1.f(x) = (4x - 2)\mathrm{e}^{-x+1}.

On notera respectivement f′f' et f′′f'' la dérivée et la dérivée seconde de la fonction ff.

  1. Étude de la fonction ff

    1. Montrer que f′(x)=(−4x+6)e−x+1f'(x) = (-4x + 6)\mathrm{e}^{-x+1}.

    2. Utiliser ce résultat pour déterminer le tableau complet des variations de la fonction ff sur [0  ;  +∞[[0\;; \;+\infty[. On admet que lim⁡x→+∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x \to + \infty}f(x) = 0.

    3. Étudier la convexité de la fonction ff et préciser l'abscisse d'un éventuel point d'inflexion de la courbe représentative de ff.

  2. On considère une fonction FF définie sur [0  ;  +∞[[0\;; \;+\infty[ par F(x)=(ax+b)e−x+1F(x) = (ax + b)\mathrm{e}^{-x+1}, où aa et bb sont deux nombres réels.

    1. Déterminer les valeurs des réels aa et bb telles que la fonction FF soit une primitive de la fonction ff sur [0  ;  +∞[[0\;; \;+\infty[.

    2. On admet que F(x)=(−4x−2)e−x+1F(x) = (-4x - 2)\mathrm{e}^{-x + 1} est une primitive de la fonction ff sur [0  ;  +∞[[0\;; \;+\infty[.

      En déduire la valeur exacte, puis une valeur approchée à 10−210^{-2} près, de l'intégrale

      I=∫328f(x) dx.I = \displaystyle\int_{\frac32}^8 f(x)\,\text{d}x.

  3. Une municipalité a décidé de construire une piste de trottinette freestyle.

    Le profil de cette piste est donné par la courbe représentative de la fonction ff sur l'intervalle [32  ;  8]\left[\frac32\;;\; 8\right].

    L'unité de longueur est le mètre.

    Figure de l'énoncé, exercice 1, Asie 10 juin 2024
    1. Donner une valeur approchée au cm près de la hauteur du point de départ D.

    2. La municipalité a organisé un concours de graffiti pour orner le mur de profil de la piste. L'artiste retenue prévoit de couvrir environ 75 % de la surface du mur.

      Sachant qu'une bombe aérosol de 150150 mL permet de couvrir une surface de 0,80,8 m2^2, déterminer le nombre de bombes qu'elle devra utiliser pour réaliser cette œuvre.

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Partie A

Question 1. On lit sur la courbe C\mathcal{C} les variations de ff sur [0 ;5][0\,;5].

La courbe monte de x=0x=0 jusqu'à un maximum atteint en x=1,5x=1{,}5, puis descend jusqu'en x=5x=5.

Donc ff est strictement croissante sur [0 ;1,5][0\,;1{,}5] puis strictement décroissante sur [1,5 ;5][1{,}5\,;5].

Valeurs lues : f(0)≈−5,4f(0)\approx-5{,}4, f(1,5)≈2,4f(1{,}5)\approx2{,}4 (maximum) et f(5)≈0,3f(5)\approx0{,}3.

Le tableau de variations de ff sur [0 ;5][0\,;5] est donc : flèche montante de f(0)≈−5,4f(0)\approx-5{,}4 à f(1,5)≈2,4f(1{,}5)\approx2{,}4, puis flèche descendante de 2,42{,}4 à f(5)≈0,3f(5)\approx0{,}3.

Question 2. La tangente TT à C\mathcal{C} au point A traverse la courbe : à gauche de A, la courbe est en dessous de TT   à droite de A, la courbe est au-dessus de TT.

Une courbe située sous ses tangentes est concave, une courbe située au-dessus de ses tangentes est convexe. La fonction ff semble donc passer de concave à convexe en x=52x=\dfrac52.

Donc la courbe C\mathcal{C} semble présenter un point d'inflexion au point A.

Réponse : un point d'inflexion en A.

Question 3. On associe f′f' et f′′f'' à leurs courbes en utilisant les variations et la convexité de ff.

Courbe de f′f'. La fonction ff est croissante sur [0 ;1,5][0\,;1{,}5] et décroissante sur [1,5 ;5][1{,}5\,;5], donc f′f' est positive sur [0 ;1,5[[0\,;1{,}5[, s'annule en 1,51{,}5, puis est négative sur ]1,5 ;5]]1{,}5\,;5].

La courbe C2\mathcal{C}_2 est au-dessus de l'axe des abscisses sur [0 ;1,5[[0\,;1{,}5[, coupe l'axe en 1,51{,}5, puis est en dessous. Donc C2\mathcal{C}_2 représente f′f'.

Courbe de f′′f''. Le point A d'abscisse 52\dfrac52 semble être un point d'inflexion : ff est concave avant, convexe après, donc f′′f'' est négative sur [0 ;52[\left[0\,;\dfrac52\right[, s'annule en 52\dfrac52, puis est positive.

La courbe C1\mathcal{C}_1 est en dessous de l'axe des abscisses avant 2,52{,}5 et au-dessus après. Donc C1\mathcal{C}_1 représente f′′f''.

Vérification avec la partie B : f′(0)=6e≈16,3f'(0)=6\mathrm{e}\approx16{,}3, ce qui correspond à l'ordonnée à l'origine de C2\mathcal{C}_2 (environ 1616), et f′′(0)=−10e≈−27,2f''(0)=-10\mathrm{e}\approx-27{,}2, qui correspond à l'ordonnée à l'origine de C1\mathcal{C}_1 (environ −27-27).

Donc C2\mathcal{C}_2 représente f′f' et C1\mathcal{C}_1 représente f′′f''.

Réponse : f′f' correspond à C2\mathcal{C}_2 et f′′f'' correspond à C1\mathcal{C}_1.

Question 4. Si la courbe C3\mathcal{C}_3 représentait une primitive FF de ff, on aurait F′=fF'=f : les variations de FF seraient données par le signe de ff.

Sur la courbe C\mathcal{C}, ff est strictement négative sur [0 ;0,5[[0\,;0{,}5[ (la courbe coupe l'axe des abscisses en x=0,5x=0{,}5), puis strictement positive sur ]0,5 ;5]]0{,}5\,;5].

Donc FF serait strictement décroissante sur [0 ;0,5][0\,;0{,}5] puis strictement croissante sur [0,5 ;5][0{,}5\,;5].

Or la courbe C3\mathcal{C}_3 est croissante sur [0 ;0,5][0\,;0{,}5] puis décroissante sur [0,5 ;5][0{,}5\,;5] : ses variations sont l'inverse de celles attendues.

Donc la courbe C3\mathcal{C}_3 ne peut pas représenter une primitive de ff.

Réponse : non.

Partie B

Question 1. a) La fonction ff est dérivable sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ comme produit de fonctions dérivables.

On pose u(x)=4x−2u(x)=4x-2 et v(x)=e−x+1v(x)=\mathrm{e}^{-x+1}. Alors u′(x)=4u'(x)=4 et, d'après la dérivée d'une composée, v′(x)=−e−x+1v'(x)=-\mathrm{e}^{-x+1}.

Avec la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv', pour tout x⩾0x\geqslant0 :

f′(x)=4 e−x+1+(4x−2)×(−e−x+1)=(4−4x+2)e−x+1=(−4x+6) e−x+1.\begin{aligned} f'(x)&=4\,\mathrm{e}^{-x+1}+(4x-2)\times\left(-\mathrm{e}^{-x+1}\right)\\ &=\left(4-4x+2\right)\mathrm{e}^{-x+1}\\ &=(-4x+6)\,\mathrm{e}^{-x+1}. \end{aligned}

Donc, pour tout x⩾0x\geqslant0, f′(x)=(−4x+6) e−x+1f'(x)=(-4x+6)\,\mathrm{e}^{-x+1}.

Question 1. b) Pour tout réel xx, e−x+1>0\mathrm{e}^{-x+1}>0. Donc f′(x)f'(x) a le même signe que −4x+6-4x+6.

On a −4x+6=0  ⟺  x=32-4x+6=0\iff x=\dfrac32, et −4x+6>0  ⟺  x<32-4x+6>0\iff x<\dfrac32.

Donc :

  • f′(x)>0f'(x)>0 pour x∈[0 ;32[x\in\left[0\,;\dfrac32\right[

  • f′(32)=0f'\left(\dfrac32\right)=0

  • f′(x)<0f'(x)<0 pour x∈]32 ;+∞[x\in\left]\dfrac32\,;+\infty\right[.

On en déduit le tableau de variations de ff sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ :

  • ff est strictement croissante sur [0 ;32]\left[0\,;\dfrac32\right], de f(0)=−2e≈−5,44f(0)=-2\mathrm{e}\approx-5{,}44 à f(32)=4 e−1/2≈2,43f\left(\dfrac32\right)=4\,\mathrm{e}^{-1/2}\approx2{,}43

  • ff est strictement décroissante sur [32 ;+∞[\left[\dfrac32\,;+\infty\right[, de f(32)=4 e−1/2f\left(\dfrac32\right)=4\,\mathrm{e}^{-1/2} vers la limite lim⁡x→+∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=0 (admise).

Le maximum de ff est f(32)=4 e−1/2≈2,43f\left(\dfrac32\right)=4\,\mathrm{e}^{-1/2}\approx2{,}43, atteint en x=32x=\dfrac32.

Question 1. c) La fonction f′f' est dérivable sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ comme produit de fonctions dérivables. On pose u(x)=−4x+6u(x)=-4x+6 et v(x)=e−x+1v(x)=\mathrm{e}^{-x+1}, donc u′(x)=−4u'(x)=-4 et v′(x)=−e−x+1v'(x)=-\mathrm{e}^{-x+1}.

Avec la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' :

f′′(x)=−4 e−x+1+(−4x+6)×(−e−x+1)=(−4+4x−6)e−x+1=(4x−10) e−x+1.\begin{aligned} f''(x)&=-4\,\mathrm{e}^{-x+1}+(-4x+6)\times\left(-\mathrm{e}^{-x+1}\right)\\ &=\left(-4+4x-6\right)\mathrm{e}^{-x+1}\\ &=(4x-10)\,\mathrm{e}^{-x+1}. \end{aligned}

Pour tout réel xx, e−x+1>0\mathrm{e}^{-x+1}>0. Donc f′′(x)f''(x) a le même signe que 4x−104x-10, qui s'annule en x=52x=\dfrac52.

Donc :

  • f′′(x)<0f''(x)<0 sur [0 ;52[\left[0\,;\dfrac52\right[ : ff est concave sur [0 ;52]\left[0\,;\dfrac52\right]

  • f′′(x)>0f''(x)>0 sur ]52 ;+∞[\left]\dfrac52\,;+\infty\right[ : ff est convexe sur [52 ;+∞[\left[\dfrac52\,;+\infty\right[.

La dérivée seconde f′′f'' s'annule en changeant de signe en 52\dfrac52. Donc la courbe représentative de ff admet un unique point d'inflexion, d'abscisse 52\dfrac52 (c'est le point A de la partie A).

Question 2. a) La fonction F(x)=(ax+b) e−x+1F(x)=(ax+b)\,\mathrm{e}^{-x+1} est dérivable sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[. Avec la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv', où u(x)=ax+bu(x)=ax+b et v(x)=e−x+1v(x)=\mathrm{e}^{-x+1} :

F′(x)=a e−x+1−(ax+b) e−x+1=(−ax+a−b) e−x+1.\begin{aligned} F'(x)&=a\,\mathrm{e}^{-x+1}-(ax+b)\,\mathrm{e}^{-x+1}\\ &=(-ax+a-b)\,\mathrm{e}^{-x+1}. \end{aligned}

La fonction FF est une primitive de ff sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ si et seulement si F′(x)=f(x)F'(x)=f(x) pour tout x⩾0x\geqslant0, c'est-à-dire

(−ax+a−b) e−x+1=(4x−2) e−x+1.(-ax+a-b)\,\mathrm{e}^{-x+1}=(4x-2)\,\mathrm{e}^{-x+1}.

Comme e−x+1>0\mathrm{e}^{-x+1}>0, cela équivaut à −ax+a−b=4x−2-ax+a-b=4x-2 pour tout x⩾0x\geqslant0. Deux fonctions polynômes de degré au plus 11 égales sur un intervalle ont les mêmes coefficients, donc

{−a=4a−b=−2.\begin{cases} -a=4\\ a-b=-2.\end{cases}

La première équation donne a=−4a=-4. La seconde donne b=a+2=−2b=a+2=-2.

Donc a=−4a=-4 et b=−2b=-2, et F(x)=(−4x−2) e−x+1F(x)=(-4x-2)\,\mathrm{e}^{-x+1}.

Réponse : a=−4a=-4 et b=−2b=-2.

Question 2. b) La fonction ff est continue sur [32 ;8]\left[\dfrac32\,;8\right] et FF est une primitive de ff. Donc

I=∫3/28f(x) dx=F(8)−F(32).I=\int_{3/2}^{8}f(x)\,\mathrm{d}x=F(8)-F\left(\dfrac32\right).

On calcule :

F(8)=(−32−2) e−8+1=−34 e−7,F(32)=(−6−2)e−3/2+1=−8 e−1/2.\begin{aligned} F(8)&=(-32-2)\,\mathrm{e}^{-8+1}=-34\,\mathrm{e}^{-7},\\ F\left(\dfrac32\right)&=\left(-6-2\right)\mathrm{e}^{-3/2+1}=-8\,\mathrm{e}^{-1/2}. \end{aligned}

Donc

I=−34 e−7−(−8 e−1/2)=8 e−1/2−34 e−7.I=-34\,\mathrm{e}^{-7}-\left(-8\,\mathrm{e}^{-1/2}\right)=8\,\mathrm{e}^{-1/2}-34\,\mathrm{e}^{-7}.

À la calculatrice, I≈4,82I\approx4{,}82 (arrondie à 10−210^{-2} près).

Réponse : I=8 e−1/2−34 e−7≈4,82I=8\,\mathrm{e}^{-1/2}-34\,\mathrm{e}^{-7}\approx4{,}82.

Question 3. a) Le point de départ D est le point de la courbe d'abscisse 32\dfrac32 : sa hauteur est f(32)f\left(\dfrac32\right).

On a f(32)=(4×32−2)e−3/2+1=4 e−1/2≈2,43f\left(\dfrac32\right)=\left(4\times\dfrac32-2\right)\mathrm{e}^{-3/2+1}=4\,\mathrm{e}^{-1/2}\approx2{,}43 m.

Donc la hauteur du point de départ D est d'environ 2,432{,}43 m, soit 243243 cm au centimètre près.

Réponse : environ 243243 cm.

Question 3. b) La fonction ff est positive sur [32 ;8]\left[\dfrac32\,;8\right] (d'après son tableau de variations, ff est décroissante de 4 e−1/24\,\mathrm{e}^{-1/2} vers 00 sur cet intervalle, et f(x)=0f(x)=0 seulement pour x=12x=\dfrac12). L'aire du mur de profil, en mètres carrés, est donc l'intégrale

I=∫3/28f(x) dx≈4,8212 m2.I=\int_{3/2}^{8}f(x)\,\mathrm{d}x\approx4{,}8212\text{ m}^2.

L'artiste couvre 75 %75\,\% de cette surface, soit

0,75×4,8212≈3,62 m2.0{,}75\times4{,}8212\approx3{,}62\text{ m}^2.

Une bombe de 150150 mL couvre 0,80{,}8 m2^2. Le nombre de bombes nécessaires est

3,61590,8≈4,52.\dfrac{3{,}6159}{0{,}8}\approx4{,}52.

Le nombre de bombes est un entier : il faut arrondir à l'entier supérieur.

Donc l'artiste devra utiliser 55 bombes.

Réponse : 55 bombes.

Points clés attendus

  • Partie A : lire les variations sur la courbe, relier le point d'inflexion au passage de la tangente d'un côté à l'autre de la courbe, et justifier l'association f′f', f′′f'' par les changements de signe.

  • Question 4 de la partie A : une primitive FF vérifie F′=fF'=f, donc ses variations se déduisent du signe de ff.

  • Dériver avec (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' et justifier le signe par e−x+1>0\mathrm{e}^{-x+1}>0.

  • Convexité : étudier le signe de f′′f'' et conclure sur l'abscisse du point d'inflexion.

  • Primitive : identifier les coefficients, puis calculer l'intégrale par F(8)−F(32)F(8)-F\left(\frac32\right).

  • Dernière question : l'aire est une intégrale (fonction positive), et le nombre de bombes est arrondi à l'entier supérieur.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Asie, 10 juin 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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