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Terminale Spé Maths / Chapitre 5 : Fonction logarithme / Annales du bac

Bac 2024, Asie : exercice 1

11 juin 2024 · jour 2 · 5,5 points

On considère la fonction ff définie sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[ par

f(x)=x2−xln⁡(x).f(x) = x^2 - x \ln (x).

On admet que ff est deux fois dérivable sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[.

On note f′f' la fonction dérivée de la fonction ff et f′′f'' la fonction dérivée de la fonction f′f'.

Partie A : Étude de la fonction ff

  1. Déterminer les limites de la fonction ff en 00 et en +∞+\infty.

  2. Pour tout réel xx strictement positif, calculer f′(x)f'(x).

  3. Montrer que pour tout réel xx strictement positif:

    f′′(x)=2x−1x.f''(x) = \dfrac{2x - 1}{x}.

  4. Étudier les variations de la fonction f′f' sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[, puis dresser le tableau des variations de la fonction f′f' sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[.

    On veillera à faire apparaître la valeur exacte de l'extremum de la fonction f′f' sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[.

    Les limites de la fonction f′f' aux bornes de l'intervalle de définition ne sont pas attendues.

  5. Montrer que la fonction ff est strictement croissante sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[.

Partie B : Étude d'une fonction auxiliaire pour la résolution de l'équation f(x)=xf(x) = x

On considère dans cette partie la fonction gg définie sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[ par

g(x)=x−ln⁡(x).g(x) = x - \ln (x).

On admet que la fonction gg est dérivable sur ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[, on note g′g' sa dérivée.

  1. Pour tout réel strictement positif, calculer g′(x)g'(x), puis dresser le tableau des variations de la fonction gg.

    Les limites de la fonction gg aux bornes de l'intervalle de définition ne sont pas attendues.

  2. On admet que 1 est l'unique solution de l'équation g(x)=1g(x) = 1.

    Résoudre, sur l'intervalle ]0  ;  +∞[]0 \;;\;+ \infty[, l'équation f(x)=xf(x) = x.

Partie C : Étude d'une suite récurrente

On considère la suite (un)\left(u_n\right) définie par u0=12u_0 = \dfrac12 et pour tout entier naturel nn,

un+1=f(un)=un2−unln⁡(un).u_{n+1} = f\left(u_n\right) = u_n^2 - u_n \ln \left(u_n\right).

  1. Montrer par récurrence que pour tout entier naturel nn:

    12⩽un⩽un+1⩽1.\dfrac12 \leqslant u_n \leqslant u_{n+1} \leqslant 1.

  2. Justifier que la suite (un)\left(u_n\right) converge.

    On appelle ℓ\ell la limite de la suite (un)\left(u_n\right) et on admet que ℓ\ell vérifie l'égalité f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell.

  3. Déterminer la valeur de ℓ\ell.

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Partie A

Question 1. Limite en 00.

Pour tout x>0x>0, on a

f(x)=x2−xln⁡x.f(x)=x^2-x\ln x.

On a lim⁡x→0+x2=0\lim\limits_{x\to0^+}x^2=0.

Par croissances comparées, lim⁡x→0+xln⁡x=0\lim\limits_{x\to0^+}x\ln x=0.

Par différence, lim⁡x→0+f(x)=0\lim\limits_{x\to0^+}f(x)=0.

Limite en +∞+\infty.

La limite de x2−xln⁡xx^2-x\ln x en +∞+\infty est une forme indéterminée du type +∞−∞+\infty-\infty. On factorise par le terme dominant : pour tout x>0x>0,

f(x)=x2(1−ln⁡xx).f(x)=x^2\left(1-\dfrac{\ln x}{x}\right).

Par croissances comparées, lim⁡x→+∞ln⁡xx=0\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\ln x}{x}=0.

Donc lim⁡x→+∞(1−ln⁡xx)=1\lim\limits_{x\to+\infty}\left(1-\dfrac{\ln x}{x}\right)=1.

Or lim⁡x→+∞x2=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}x^2=+\infty.

Par produit, lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=+\infty.

Donc lim⁡x→0f(x)=0\lim\limits_{x\to0}f(x)=0 et lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=+\infty.

Réponse : lim⁡x→0+f(x)=0\lim\limits_{x\to0^+}f(x)=0 et lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=+\infty.

Question 2. La fonction ff est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

La fonction x↦xln⁡xx\mapsto x\ln x est de la forme uvuv avec u(x)=xu(x)=x et v(x)=ln⁡xv(x)=\ln x, donc de dérivée u′v+uv′u'v+uv', où u′(x)=1u'(x)=1 et v′(x)=1xv'(x)=\dfrac1x.

Pour tout x>0x>0,

f′(x)=2x−(1×ln⁡x+x×1x)=2x−ln⁡x−1.f'(x)=2x-\left(1\times\ln x+x\times\dfrac1x\right)=2x-\ln x-1.

Donc, pour tout x>0x>0, f′(x)=2x−ln⁡x−1f'(x)=2x-\ln x-1.

Réponse : f′(x)=2x−ln⁡x−1f'(x)=2x-\ln x-1.

Question 3. La fonction f′f' est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ (on a admis que ff est deux fois dérivable).

Pour tout x>0x>0,

f′′(x)=2−1x−0=2−1x.f''(x)=2-\dfrac1x-0=2-\dfrac1x.

On met au même dénominateur :

f′′(x)=2xx−1x=2x−1x.f''(x)=\dfrac{2x}{x}-\dfrac1x=\dfrac{2x-1}{x}.

Donc, pour tout x>0x>0, f′′(x)=2x−1xf''(x)=\dfrac{2x-1}{x}.

Question 4. Le signe de f′′f'' donne les variations de f′f'.

Pour tout x>0x>0, on a x>0x>0, donc f′′(x)f''(x) a le signe de 2x−12x-1.

On a 2x−1<0  ⟺  x<122x-1<0\iff x<\dfrac12, et 2x−1>0  ⟺  x>122x-1>0\iff x>\dfrac12.

Donc :

  • f′′(x)<0f''(x)<0 sur ]0 ;12[\left]0\,;\dfrac12\right[

  • f′′(12)=0f''\left(\dfrac12\right)=0

  • f′′(x)>0f''(x)>0 sur ]12 ;+∞[\left]\dfrac12\,;+\infty\right[.

Par conséquent, la fonction f′f' est strictement décroissante sur ]0 ;12]\left]0\,;\dfrac12\right] puis strictement croissante sur [12 ;+∞[\left[\dfrac12\,;+\infty\right[.

Elle admet donc un minimum en 12\dfrac12, de valeur

f′(12)=2×12−ln⁡12−1=1+ln⁡2−1=ln⁡2.f'\left(\dfrac12\right)=2\times\dfrac12-\ln\dfrac12-1=1+\ln2-1=\ln2.

Tableau de variations de f′f' : f′f' décroît sur ]0 ;12]\left]0\,;\dfrac12\right] jusqu'à la valeur ln⁡2\ln2, puis croît sur [12 ;+∞[\left[\dfrac12\,;+\infty\right[ à partir de cette valeur.

Donc f′f' admet sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ un minimum égal à ln⁡2\ln2, atteint en x=12x=\dfrac12.

Réponse : minimum de f′f' : f′(12)=ln⁡2f'\left(\dfrac12\right)=\ln2.

Question 5. D'après la question 4, pour tout x>0x>0,

f′(x)⩾f′(12)=ln⁡2.f'(x)\geqslant f'\left(\dfrac12\right)=\ln2.

Or 2>12>1 et la fonction ln⁡\ln est strictement croissante, donc ln⁡2>ln⁡1=0\ln2>\ln1=0.

Donc f′(x)⩾ln⁡2>0f'(x)\geqslant\ln2>0 pour tout x>0x>0.

La dérivée de ff est strictement positive sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Donc la fonction ff est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Partie B

Question 1. La fonction gg est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Pour tout x>0x>0,

g′(x)=1−1x=x−1x.g'(x)=1-\dfrac1x=\dfrac{x-1}{x}.

Comme x>0x>0, g′(x)g'(x) a le signe de x−1x-1.

Donc g′(x)<0g'(x)<0 sur ]0 ;1[]0\,;1[, g′(1)=0g'(1)=0 et g′(x)>0g'(x)>0 sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[.

La fonction gg est donc strictement décroissante sur ]0 ;1]]0\,;1] puis strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Son minimum est atteint en 11 :

g(1)=1−ln⁡1=1.g(1)=1-\ln1=1.

Donc gg est décroissante sur ]0 ;1]]0\,;1], croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[, et son minimum est g(1)=1g(1)=1.

Réponse : g′(x)=1−1xg'(x)=1-\dfrac1x   minimum g(1)=1g(1)=1.

Question 2. Pour tout x>0x>0, on raisonne par équivalences :

f(x)=x  ⟺  x2−xln⁡x−x=0  ⟺  x(x−ln⁡x−1)=0.f(x)=x\iff x^2-x\ln x-x=0\iff x\left(x-\ln x-1\right)=0.

Un produit est nul si et seulement si l'un de ses facteurs est nul. Comme x>0x>0, on a x≠0x\neq0, donc

f(x)=x  ⟺  x−ln⁡x−1=0  ⟺  x−ln⁡x=1  ⟺  g(x)=1.f(x)=x\iff x-\ln x-1=0\iff x-\ln x=1\iff g(x)=1.

D'après l'énoncé, 11 est l'unique solution de g(x)=1g(x)=1 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Donc l'ensemble des solutions de l'équation f(x)=xf(x)=x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ est {1}\{1\}.

Réponse : S={1}S=\{1\}.

Partie C

Question 1. Pour tout entier naturel nn, on note P(n)P(n) la propriété

12⩽un⩽un+1⩽1.\dfrac12\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant1.

Initialisation. On a u0=12u_0=\dfrac12 et

u1=f(12)=14−12ln⁡12=14+ln⁡22≈0,597.u_1=f\left(\dfrac12\right)=\dfrac14-\dfrac12\ln\dfrac12=\dfrac14+\dfrac{\ln2}{2}\approx0{,}597.

Donc 12⩽u0⩽u1⩽1\dfrac12\leqslant u_0\leqslant u_1\leqslant1 : P(0)P(0) est vraie.

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

12⩽uk⩽uk+1⩽1(hypotheˋse de reˊcurrence).\dfrac12\leqslant u_k\leqslant u_{k+1}\leqslant1\quad\text{(hypothèse de récurrence).}

Montrons que P(k+1)P(k+1) est vraie, c'est-à-dire 12⩽uk+1⩽uk+2⩽1\dfrac12\leqslant u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant1.

Tous les termes considérés sont dans [12 ;1]⊂]0 ;+∞[\left[\dfrac12\,;1\right]\subset]0\,;+\infty[, intervalle sur lequel ff est définie et strictement croissante (question A.5).

On applique ff aux deux inégalités uk⩽uk+1⩽1u_k\leqslant u_{k+1}\leqslant1, en conservant leur sens :

f(uk)⩽f(uk+1)⩽f(1).f(u_k)\leqslant f(u_{k+1})\leqslant f(1).

Or f(uk)=uk+1f(u_k)=u_{k+1}, f(uk+1)=uk+2f(u_{k+1})=u_{k+2} et f(1)=12−1×ln⁡1=1f(1)=1^2-1\times\ln1=1.

Donc

uk+1⩽uk+2⩽1.u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant1.

D'autre part, l'hypothèse de récurrence donne 12⩽uk⩽uk+1\dfrac12\leqslant u_k\leqslant u_{k+1}, donc 12⩽uk+1\dfrac12\leqslant u_{k+1}.

On obtient 12⩽uk+1⩽uk+2⩽1\dfrac12\leqslant u_{k+1}\leqslant u_{k+2}\leqslant1 : 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.

Donc, pour tout entier naturel nn, 12⩽un⩽un+1⩽1\dfrac12\leqslant u_n\leqslant u_{n+1}\leqslant1.

Question 2. D'après la question précédente, pour tout nn, un⩽un+1u_n\leqslant u_{n+1} : la suite (un)(u_n) est croissante.

Toujours d'après la question précédente, un⩽1u_n\leqslant1 pour tout nn : la suite (un)(u_n) est majorée par 11.

D'après le théorème de la limite monotone, toute suite croissante et majorée converge.

Donc la suite (un)(u_n) converge.

Question 3. Pour tout nn, 12⩽un⩽1\dfrac12\leqslant u_n\leqslant1.

Par passage à la limite dans les inégalités, 12⩽ℓ⩽1\dfrac12\leqslant\ell\leqslant1. En particulier ℓ>0\ell>0.

On admet que f(ℓ)=ℓf(\ell)=\ell, avec ℓ∈]0 ;+∞[\ell\in]0\,;+\infty[.

D'après la question B.2, la seule solution de f(x)=xf(x)=x sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ est 11.

Donc ℓ=1\ell=1.

Réponse : ℓ=1\ell=1.

Points clés attendus

  • Lever la forme indéterminée en +∞+\infty en factorisant par x2x^2, puis citer les croissances comparées.

  • Justifier le signe de f′′f'' (dénominateur x>0x>0) et donner la valeur exacte du minimum de f′f', ln⁡2>0\ln2>0, pour conclure que ff est strictement croissante.

  • Dans la récurrence : énoncer l'hypothèse avec « soit kk fixé », appliquer ff strictement croissante, et utiliser f(1)=1f(1)=1.

  • Citer le théorème de la limite monotone (suite croissante et majorée) pour la convergence.

  • Pour ℓ\ell : vérifier ℓ>0\ell>0 avant d'utiliser l'équivalence f(x)=x  ⟺  g(x)=1f(x)=x\iff g(x)=1.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Asie, 11 juin 2024 (jour 2)), 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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