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

Bac 2024, Métropole : exercice 2

11 septembre 2024 · 5 points

Les deux parties sont indépendantes.

Partie A

Un artisan crée des bonbons au chocolat dont la forme rappelle le profil de la montage locale représentée en Figure 1. La base d'un tel bonbon est modélisée par la surface grisée, définie ci-dessous dans un repère orthonormé d'unité 1 cm (Figure 2).

Figure de l'énoncé, exercice 2, Métropole 11 septembre 2024
Figure de l'énoncé, exercice 2, Métropole 11 septembre 2024
Figure 1Figure 2

Cette surface est délimitée par l'axe des abscisses et la représentation graphique notée Cf\mathcal{C}_f de la fonction ff définie sur [−1  ;  1][-1\;;\;1] par :

f(x)=(1−x2)ex.f(x) = \left(1 - x^2\right)\mathrm{e}^x.

L'objectif de cette partie est de calculer le volume de chocolat nécessaire à la fabrication d'un bonbon au chocolat.

    1. Justifier que pour tout xx appartenant à l'intervalle [−1  ;  1][-1\;;\;1] on a f(x)⩾0f(x) \geqslant 0.

    2. Montrer à l'aide d'une intégration par parties que :

      ∫−11f(x)dx=2∫−11x exdx.\int_{-1}^1 f(x) \text{d}x = 2 \int_{-1}^1 x\,\mathrm{e}^{x} \text{d}x.

  1. Le volume V\mathcal{V} de chocolat, en cm3, nécessaire à la fabrication d'un bonbon est donné par :

    V=3×S\mathcal{V} = 3 \times S

    où SS est l'aire, en cm2, de la surface colorée (Figure 2).

    En déduire que ce volume V\mathcal{V}, arrondi à 0,10,1 cm3 près, est égal à 4,44,4 cm3.

Partie B

On s'intéresse maintenant au bénéfice réalisé par l'artisan sur la vente de ces bonbons au chocolat en fonction du volume hebdomadaire des ventes.

Ce bénéfice peut être modélisé par la fonction BB définie sur l'intervalle [0,01  ;  +∞[[0,01\;;\;+\infty[ par :

B(q)=8q2[2−3 ln⁡(q)]−3.B(q) = 8q^2 [2 -3\,\ln(q)] - 3.

Le bénéfice est exprimé en dizaines d'euros et la quantité qq en centaines de bonbons.

On admet que la fonction BB est dérivable sur [0,01  ;  +∞[[0,01\;;\;+\infty[. On note B′B' sa fonction dérivée.

    1. Déterminer lim⁡q→+∞B(q)\displaystyle\lim_{q \to +\infty}B(q).

    2. Montrer que, pour tout q⩾0,01q \geqslant 0,01,  B′(q)=8q(1−6 ln⁡(q))B'(q) = 8q(1 - 6\,\ln (q)).

    3. Étudier le signe de B′(q)B'(q), et en déduire le sens de variation de BB sur [0,01  ;  +∞[[0,01\;;\;+\infty[.

      Dresser le tableau de variation complet de la fonction BB.

    4. Quel est le bénéfice maximal, à l'euro près, que peut espérer l'artisan ?

    1. Montrer que l'équation B(q)=10B(q)= 10 admet une unique solution β\beta sur l'intervalle [1,2  ;  +∞[[1,2\;;\;+\infty[.

      Donner une valeur approchée de β\beta à 10−310^{-3} près.

    2. On admet que l'équation B(q)=10B(q) = 10 admet une unique solution α\alpha sur [0,01  ;  1,2[[0,01\;;\;1,2[.

      On donne α≈0,757\alpha \approx 0,757.

      En déduire le nombre minimal et le nombre maximal de bonbons au chocolat à vendre pour réaliser un bénéfice supérieur à 100100 euros.

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Partie A

Question 1. a)

Soit x∈[−1  ;  1]x\in[-1\;;\;1]. On a −1⩽x⩽1-1\leqslant x\leqslant1, donc x2⩽1x^2\leqslant1, c'est-à-dire

1−x2⩾0.1-x^2\geqslant0.

Par ailleurs, la fonction exponentielle est strictement positive sur R\mathbb{R} : ex>0\mathrm{e}^x>0.

Le produit d'un réel positif et d'un réel strictement positif est positif :

f(x)=(1−x2)ex⩾0.f(x)=\left(1-x^2\right)\mathrm{e}^x\geqslant0.

Donc pour tout x∈[−1  ;  1]x\in[-1\;;\;1], f(x)⩾0f(x)\geqslant0.

1. b)

La fonction ff est continue sur [−1  ;  1][-1\;;\;1], donc l'intégrale existe. On intègre par parties en posant, pour x∈[−1  ;  1]x\in[-1\;;\;1],

u(x)=1−x2,v′(x)=ex,u(x)=1-x^2,\qquad v'(x)=\mathrm{e}^x,
d'où
u′(x)=−2x,v(x)=ex.u'(x)=-2x,\qquad v(x)=\mathrm{e}^x.

Les fonctions uu et vv sont dérivables sur [−1  ;  1][-1\;;\;1] et leurs dérivées u′u' et v′v' sont continues. La formule d'intégration par parties donne

∫−11u(x)v′(x) dx=[u(x)v(x)]−11−∫−11u′(x)v(x) dx,\int_{-1}^{1}u(x)v'(x)\,\mathrm{d}x=\Big[u(x)v(x)\Big]_{-1}^{1}-\int_{-1}^{1}u'(x)v(x)\,\mathrm{d}x,
soit
∫−11f(x) dx=[(1−x2)ex]−11+∫−112x ex dx.\int_{-1}^{1}f(x)\,\mathrm{d}x=\Big[\left(1-x^2\right)\mathrm{e}^x\Big]_{-1}^{1}+\int_{-1}^{1}2x\,\mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x.

On calcule le crochet :

[(1−x2)ex]−11=(1−1)e1−(1−1)e−1=0−0=0.\Big[\left(1-x^2\right)\mathrm{e}^x\Big]_{-1}^{1}=\left(1-1\right)\mathrm{e}^{1}-\left(1-1\right)\mathrm{e}^{-1}=0-0=0.

Par linéarité de l'intégrale, on obtient

∫−11f(x) dx=2∫−11x ex dx.\int_{-1}^{1}f(x)\,\mathrm{d}x=2\int_{-1}^{1}x\,\mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x.

Question 2.

D'après la question 1. a), la fonction ff est positive sur [−1  ;  1][-1\;;\;1], et elle est continue. L'aire SS de la surface colorée, délimitée par Cf\mathcal{C}_f, l'axe des abscisses et les droites d'équations x=−1x=-1 et x=1x=1, est donc

S=∫−11f(x) dx=2∫−11x ex dx.S=\int_{-1}^{1}f(x)\,\mathrm{d}x=2\int_{-1}^{1}x\,\mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x.

Cherchons une primitive de x↦x exx\mapsto x\,\mathrm{e}^x. Soit G(x)=(x−1)exG(x)=(x-1)\mathrm{e}^x. Elle est dérivable sur R\mathbb{R} et, avec la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv',

G′(x)=1×ex+(x−1)ex=x ex.G'(x)=1\times\mathrm{e}^x+(x-1)\mathrm{e}^x=x\,\mathrm{e}^x.

Donc GG est une primitive de x↦x exx\mapsto x\,\mathrm{e}^x, et

∫−11x ex dx=[(x−1)ex]−11=(1−1)e1−(−1−1)e−1=0+2e=2e.\int_{-1}^{1}x\,\mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x=\Big[(x-1)\mathrm{e}^x\Big]_{-1}^{1}=(1-1)\mathrm{e}^{1}-(-1-1)\mathrm{e}^{-1}=0+\dfrac{2}{\mathrm{e}}=\dfrac2{\mathrm{e}}.

On en déduit

S=2×2e=4e(en cm2).S=2\times\dfrac2{\mathrm{e}}=\dfrac4{\mathrm{e}}\quad(\text{en cm}^2).

Le volume vaut alors

V=3×S=12e≈4,4146.\mathcal{V}=3\times S=\dfrac{12}{\mathrm{e}}\approx4{,}4146.

Arrondi à 0,10{,}1 près, on obtient 4,44{,}4.

Donc le volume de chocolat nécessaire à la fabrication d'un bonbon est 12e cm3\dfrac{12}{\mathrm{e}}\ \text{cm}^3, soit 4,4 cm34{,}4\ \text{cm}^3 au dixième près.

Réponse : S=4e cm2S=\dfrac4{\mathrm{e}}\ \text{cm}^2 et V=12e≈4,4 cm3\mathcal{V}=\dfrac{12}{\mathrm{e}}\approx4{,}4\ \text{cm}^3.

Partie B

Question 1. a)

On écrit B(q)=8q2(2−3ln⁡q)−3B(q)=8q^2\left(2-3\ln q\right)-3 et on étudie les limites des facteurs quand q→+∞q\to+\infty.

On a lim⁡q→+∞ln⁡q=+∞\displaystyle\lim_{q\to+\infty}\ln q=+\infty, donc lim⁡q→+∞(2−3ln⁡q)=−∞\displaystyle\lim_{q\to+\infty}\left(2-3\ln q\right)=-\infty.

On a aussi lim⁡q→+∞8q2=+∞\displaystyle\lim_{q\to+\infty}8q^2=+\infty.

Par produit de limites, lim⁡q→+∞8q2(2−3ln⁡q)=−∞\displaystyle\lim_{q\to+\infty}8q^2\left(2-3\ln q\right)=-\infty. En retranchant 33, la limite reste infinie :

lim⁡q→+∞B(q)=−∞.\lim_{q\to+\infty}B(q)=-\infty.

Réponse : lim⁡q→+∞B(q)=−∞\displaystyle\lim_{q\to+\infty}B(q)=-\infty.

1. b)

La fonction BB est dérivable sur [0,01  ;  +∞[[0{,}01\;;\;+\infty[. On dérive le produit u×vu\times v avec

u(q)=8q2,u′(q)=16q,v(q)=2−3ln⁡q,v′(q)=−3q.u(q)=8q^2,\quad u'(q)=16q,\qquad v(q)=2-3\ln q,\quad v'(q)=-\dfrac3q.

D'après la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv', pour tout q⩾0,01q\geqslant0{,}01 :

B′(q)=16q(2−3ln⁡q)+8q2×(−3q)=32q−48qln⁡q−24q=8q−48qln⁡q=8q(1−6ln⁡q).\begin{aligned} B'(q)&=16q\left(2-3\ln q\right)+8q^2\times\left(-\dfrac3q\right)\\ &=32q-48q\ln q-24q\\ &=8q-48q\ln q\\ &=8q\left(1-6\ln q\right). \end{aligned}

Donc pour tout q⩾0,01q\geqslant0{,}01, B′(q)=8q(1−6ln⁡q)B'(q)=8q\left(1-6\ln q\right).

1. c)

Pour q⩾0,01q\geqslant0{,}01, on a 8q>08q>0. Donc B′(q)B'(q) est du signe de 1−6ln⁡q1-6\ln q.

On résout :

1−6ln⁡q⩾0  ⟺  ln⁡q⩽16  ⟺  q⩽e1/6,1-6\ln q\geqslant0\iff\ln q\leqslant\dfrac16\iff q\leqslant\mathrm{e}^{1/6},
car la fonction exponentielle est strictement croissante.

On a e1/6≈1,181\mathrm{e}^{1/6}\approx1{,}181, et ce nombre appartient bien à l'intervalle [0,01  ;  +∞[[0{,}01\;;\;+\infty[. Donc :

  • B′(q)>0B'(q)>0 pour q∈[0,01  ;  e1/6[q\in[0{,}01\;;\;\mathrm{e}^{1/6}[

  • B′(e1/6)=0B'\left(\mathrm{e}^{1/6}\right)=0

  • B′(q)<0B'(q)<0 pour q∈]e1/6  ;  +∞[q\in]\mathrm{e}^{1/6}\;;\;+\infty[.

La fonction BB est donc strictement croissante sur [0,01  ;  e1/6][0{,}01\;;\;\mathrm{e}^{1/6}], puis strictement décroissante sur [e1/6  ;  +∞[[\mathrm{e}^{1/6}\;;\;+\infty[.

Tableau de variation, décrit en phrases : on a B(0,01)≈−2,987B(0{,}01)\approx-2{,}987. La fonction BB croît de B(0,01)≈−2,987B(0{,}01)\approx-2{,}987 jusqu'à son maximum B(e1/6)=12 e1/3−3≈13,747B\left(\mathrm{e}^{1/6}\right)=12\,\mathrm{e}^{1/3}-3\approx13{,}747, atteint en q=e1/6≈1,181q=\mathrm{e}^{1/6}\approx1{,}181, puis décroît vers −∞-\infty (limite en +∞+\infty de la question 1. a)).

1. d)

D'après les variations de BB, le bénéfice maximal est atteint en q=e1/6q=\mathrm{e}^{1/6}. Comme ln⁡(e1/6)=16\ln\left(\mathrm{e}^{1/6}\right)=\dfrac16,

B(e1/6)=8 e1/3(2−3×16)−3=8 e1/3×32−3=12 e1/3−3≈13,747.B\left(\mathrm{e}^{1/6}\right)=8\,\mathrm{e}^{1/3}\left(2-3\times\dfrac16\right)-3=8\,\mathrm{e}^{1/3}\times\dfrac32-3=12\,\mathrm{e}^{1/3}-3\approx13{,}747.

Le bénéfice est exprimé en dizaines d'euros : le maximum est d'environ 13,74713{,}747 dizaines d'euros, soit 137,47137{,}47 euros.

Donc le bénéfice maximal que peut espérer l'artisan est de 137137 euros à l'euro près.

Réponse : Bmax⁡=12 e1/3−3≈13,747B_{\max}=12\,\mathrm{e}^{1/3}-3\approx13{,}747 dizaines d'euros, soit 137137 euros.

Question 2. a)

Sur l'intervalle [1,2  ;  +∞[[1{,}2\;;\;+\infty[ :

  • BB est dérivable, donc continue

  • 1,2>e1/6≈1,1811{,}2>\mathrm{e}^{1/6}\approx1{,}181, donc BB est strictement décroissante sur cet intervalle (question 1. c)).

On a B(1,2)≈13,739>10B(1{,}2)\approx13{,}739>10 et lim⁡q→+∞B(q)=−∞\displaystyle\lim_{q\to+\infty}B(q)=-\infty, donc BB prend sur [1,2  ;  +∞[[1{,}2\;;\;+\infty[ toutes les valeurs de ]−∞  ;  B(1,2)]]-\infty\;;\;B(1{,}2)], intervalle qui contient 1010.

D'après le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires (fonction continue et strictement monotone), l'équation B(q)=10B(q)=10 admet une unique solution β\beta dans [1,2  ;  +∞[[1{,}2\;;\;+\infty[.

À la calculatrice, on obtient β≈1,558\beta\approx1{,}558 (on a B(1,558)≈10,007>10B(1{,}558)\approx10{,}007>10 et B(1,559)<10B(1{,}559)<10).

Réponse : β≈1,558\beta\approx1{,}558.

2. b)

Un bénéfice supérieur à 100100 euros correspond à B(q)>10B(q)>10 (en dizaines d'euros).

Sur [0,01  ;  e1/6][0{,}01\;;\;\mathrm{e}^{1/6}] : BB est strictement croissante et B(α)=10B(\alpha)=10, avec α≈0,757<e1/6\alpha\approx0{,}757<\mathrm{e}^{1/6}. Donc pour qq dans cet intervalle, B(q)>10  ⟺  q>αB(q)>10\iff q>\alpha.

Sur [e1/6  ;  +∞[[\mathrm{e}^{1/6}\;;\;+\infty[ : BB est strictement décroissante et B(β)=10B(\beta)=10, avec β>1,2>e1/6\beta>1{,}2>\mathrm{e}^{1/6}. Donc pour qq dans cet intervalle, B(q)>10  ⟺  q<βB(q)>10\iff q<\beta.

En réunissant les deux cas, B(q)>10B(q)>10 si et seulement si α<q<β\alpha<q<\beta, soit

0,757<q<1,558.0{,}757<q<1{,}558.

La quantité qq est exprimée en centaines de bonbons : il faut vendre strictement plus de 75,775{,}7 bonbons et strictement moins de 155,8155{,}8 bonbons. Le nombre de bonbons est un entier.

Donc l'artisan doit vendre au minimum 7676 bonbons et au maximum 155155 bonbons pour réaliser un bénéfice supérieur à 100100 euros.

Réponse : minimum 7676 bonbons, maximum 155155 bonbons.

Points clés attendus

  • Justifier le signe de ff (carré inférieur à 11, exponentielle strictement positive) avant de relier l'intégrale à une aire.

  • Intégration par parties : poser uu et v′v', vérifier la régularité, calculer le crochet nul.

  • Pour la limite en +∞+\infty de BB : produit de limites, forme non indéterminée ici.

  • Dérivée d'un produit, signe de B′B' justifié par 8q>08q>0 et résolution de 1−6ln⁡q⩾01-6\ln q\geqslant0.

  • Théorème des valeurs intermédiaires (corollaire) : continuité, stricte monotonie, valeurs aux bornes encadrant 1010.

  • Conversion des unités (dizaines d'euros, centaines de bonbons) et arrondi aux entiers corrects.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Métropole, 11 septembre 2024), 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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