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

Bac 2024, Métropole : exercice 4

20 juin 2024 · jour 2 · sujet dévoilé · 6 points

Soit ff une fonction définie et deux fois dérivable sur R\mathbb{R}. On note f′f' sa fonction dérivée et f′′f'' sa dérivée seconde.

  • la courbe représentative Cf\mathcal{C}_f de la fonction ff

  • la tangente TT à Cf\mathcal{C}_f en son point N(0   2)

  • le point M(−2  ;  0)(-2\;;\;0) appartenant à Cf\mathcal{C}_f et P(2   0) appartenant à la tangente TT.

On précise que la fonction ff est strictement positive sur l'intervalle [0  ;  +∞[[0\;;\;+\infty[ et qu'elle est strictement croissante sur l'intervalle ]−∞  ;  −1]]- \infty\;;\;-1].

Figure de l'énoncé, exercice 4, Métropole 20 juin 2024

Partie A : étude graphique

On répondra aux questions suivantes en utilisant le graphique.

    1. Donner f(0)f(0).

    2. Déterminer f′(0)f'(0).

  1. Résoudre l'équation f(x)=0f(x) = 0.

  2. La fonction ff est-elle convexe sur R\mathbb{R} ? Justifier.

  3. Parmi les courbes suivantes, indiquer laquelle peut représenter une primitive de la fonction ff sur R\mathbb{R}. Justifier.

    Courbe 1Courbe 2Courbe 3
    Figure de l'énoncé, exercice 4, Métropole 20 juin 2024

Partie B : recherche d'une expression algébrique

On admet que la fonction ff est de la forme

f(x)=(ax+b)eλx,f(x)= (ax + b)\mathrm{e}^{\lambda x},
où a,ba, b et λ\lambda sont des constantes réelles.

Pour répondre aux questions suivantes, on utilisera les résultats de la partie A.

  1. Justifier que b=2b = 2.

  2. Justifier que −2a+b=0-2a + b = 0 puis en déduire la valeur de aa.

  3. Déterminer une expression algébrique de ff. Justifier.

Partie C : étude algébrique

On admet que la fonction ff est définie sur R\mathbb{R} par

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

  1. Déterminer la limite de ff en −∞-\infty.

  2. On admet que f′(x)=(−x−1)e−xf'(x) =(- x - 1)\mathrm{e}^{-x}. Dresser le tableau de variations complet de ff.

    Justifier.

    1. Étudier la convexité de ff.

    2. Préciser les coordonnées des éventuels points d'inflexion de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

  3. Pour tout nombre réel t⩾0t \geqslant 0, on pose:

    I(t)=∫−2tf(x) dx.I(t) = \displaystyle\int_{-2}^t f(x)\,\text{d}x.

    1. En utilisant une intégration par parties, montrer que:

      I(t)=(−t−3)e−t+e2.I(t) = (- t - 3)\mathrm{e}^{-t} + \mathrm{e}^2.

    2. En déduire un exemple de surface non limitée dont l'aire est finie.

Voir le corrigé

Partie A

Question 1. a)

Le point N(0 ;2)(0\,;2) appartient à la courbe Cf\mathcal{C}_f, donc f(0)=2f(0)=2.

Réponse : f(0)=2f(0)=2.

Question 1. b)

Le nombre dérivé f′(0)f'(0) est le coefficient directeur de la tangente TT à Cf\mathcal{C}_f au point N d'abscisse 00.

La tangente TT passe par N(0 ;2)(0\,;2) et P(2 ;0)(2\,;0), donc

f′(0)=yP−yNxP−xN=0−22−0=−1.f'(0)=\dfrac{y_P-y_N}{x_P-x_N}=\dfrac{0-2}{2-0}=-1.

Réponse : f′(0)=−1f'(0)=-1.

Question 2.

Le point M(−2 ;0)(-2\,;0) appartient à Cf\mathcal{C}_f, donc f(−2)=0f(-2)=0 : −2-2 est solution de l'équation f(x)=0f(x)=0.

Montrons que c'est la seule solution.

  • Sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1], la fonction ff est strictement croissante (énoncé) et f(−2)=0f(-2)=0. Donc f(x)<0f(x)<0 pour x<−2x<-2 et f(x)>0f(x)>0 pour −2<x⩽−1-2<x\leqslant -1. Dans cet intervalle, −2-2 est la seule solution.

  • Sur [−1 ;0][-1\,;0], la courbe se situe au-dessus de l'axe des abscisses (lecture graphique), donc ff ne s'annule pas.

  • Sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, ff est strictement positive (énoncé), donc ff ne s'annule pas.

Donc l'ensemble des solutions de l'équation f(x)=0f(x)=0 est {−2}\{-2\}.

Réponse : S={−2}S=\{-2\}.

Question 3.

Une fonction est convexe sur R\mathbb{R} si sa courbe est située en dessous de chacune de ses cordes.

Considérons la corde [MN], où M(−2 ;0)(-2\,;0) et N(0 ;2)(0\,;2) sont deux points de Cf\mathcal{C}_f. Elle est portée par la droite d'équation y=x+2y=x+2. Au point d'abscisse −1-1, cette droite a pour ordonnée −1+2=1-1+2=1.

Or, d'après le graphique, le point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse −1-1 a une ordonnée supérieure à 22 : il est strictement au-dessus de la corde [MN].

Donc la courbe n'est pas située sous toutes ses cordes : la fonction ff n'est pas convexe sur R\mathbb{R}.

Réponse : ff n'est pas convexe sur R\mathbb{R}.

Question 4.

Soit FF une primitive de ff sur R\mathbb{R}. On a F′=fF'=f.

D'après la question 2 et la croissance de ff sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1] :

  • f(x)<0f(x)<0 pour x<−2x<-2, donc FF est strictement décroissante sur ]−∞ ;−2]]-\infty\,;-2]

  • f(x)>0f(x)>0 pour x>−2x>-2, donc FF est strictement croissante sur [−2 ;+∞[[-2\,;+\infty[.

La fonction FF admet donc un minimum en x=−2x=-2, et c'est son seul changement de sens de variation : un extremum de FF ne peut avoir lieu qu'en un réel où F′=fF'=f s'annule, c'est-à-dire en −2-2.

Parmi les trois courbes :

  • la courbe 1 a son minimum en x=0x=0 : ce n'est pas possible, car f(0)=2≠0f(0)=2\neq 0

  • la courbe 3 est décroissante jusqu'à une abscisse voisine de 22 : ce n'est pas possible non plus, car ff est strictement positive sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[, donc FF est croissante sur cet intervalle

  • la courbe 2 est décroissante jusqu'à x=−2x=-2 environ, puis croissante : elle convient.

Donc la courbe qui peut représenter une primitive de ff est la courbe 2.

Réponse : courbe 2.

Partie B

Question 1.

On a f(0)=(a×0+b) eλ×0=b×1=bf(0)=(a\times 0+b)\,\mathrm{e}^{\lambda\times 0}=b\times 1=b.

D'après la partie A, f(0)=2f(0)=2. Donc b=2b=2.

Question 2.

D'après la partie A, f(−2)=0f(-2)=0. Or

f(−2)=(−2a+b) e−2λ.f(-2)=(-2a+b)\,\mathrm{e}^{-2\lambda}.

Comme e−2λ>0\mathrm{e}^{-2\lambda}>0, le produit est nul si et seulement si −2a+b=0-2a+b=0.

Donc −2a+b=0-2a+b=0. Avec b=2b=2, on obtient −2a+2=0-2a+2=0, donc a=1a=1.

Question 3.

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme produit de fonctions dérivables. Avec u(x)=ax+bu(x)=ax+b et v(x)=eλxv(x)=\mathrm{e}^{\lambda x}, on a u′(x)=au'(x)=a et v′(x)=λ eλxv'(x)=\lambda\,\mathrm{e}^{\lambda x}. D'après la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv',

f′(x)=a eλx+(ax+b)λ eλx=(a+λ(ax+b))eλx.f'(x)=a\,\mathrm{e}^{\lambda x}+(ax+b)\lambda\,\mathrm{e}^{\lambda x}=\left(a+\lambda(ax+b)\right)\mathrm{e}^{\lambda x}.

En x=0x=0 : f′(0)=a+λb=1+2λf'(0)=a+\lambda b=1+2\lambda.

D'après la partie A, f′(0)=−1f'(0)=-1. Donc 1+2λ=−11+2\lambda=-1, soit λ=−1\lambda=-1.

Avec a=1a=1, b=2b=2 et λ=−1\lambda=-1 :

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

Partie C

Question 1.

On a lim⁡x→−∞(x+2)=−∞\lim\limits_{x\to-\infty}(x+2)=-\infty et lim⁡x→−∞(−x)=+∞\lim\limits_{x\to-\infty}(-x)=+\infty, donc lim⁡x→−∞e−x=+∞\lim\limits_{x\to-\infty}\mathrm{e}^{-x}=+\infty.

Par produit, lim⁡x→−∞(x+2) e−x=−∞\lim\limits_{x\to-\infty}(x+2)\,\mathrm{e}^{-x}=-\infty.

Réponse : lim⁡x→−∞f(x)=−∞\lim\limits_{x\to-\infty}f(x)=-\infty.

Question 2.

Pour tout réel xx, e−x>0\mathrm{e}^{-x}>0. Donc f′(x)=(−x−1) e−xf'(x)=(-x-1)\,\mathrm{e}^{-x} est du signe de −x−1-x-1.

On a −x−1>0  ⟺  x<−1-x-1>0\iff x<-1, et −x−1=0  ⟺  x=−1-x-1=0\iff x=-1. Donc :

  • f′(x)>0f'(x)>0 sur ]−∞ ;−1[]-\infty\,;-1[ : ff est strictement croissante sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1]

  • f′(−1)=0f'(-1)=0

  • f′(x)<0f'(x)<0 sur ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[ : ff est strictement décroissante sur [−1 ;+∞[[-1\,;+\infty[.

Valeur au maximum : f(−1)=(−1+2) e1=ef(-1)=(-1+2)\,\mathrm{e}^{1}=\mathrm{e}.

Limite en −∞-\infty : −∞-\infty (question 1).

Limite en +∞+\infty : pour tout réel xx, f(x)=x e−x+2 e−xf(x)=x\,\mathrm{e}^{-x}+2\,\mathrm{e}^{-x}. D'après le théorème des croissances comparées, lim⁡x→+∞x e−x=0\lim\limits_{x\to+\infty}x\,\mathrm{e}^{-x}=0. De plus lim⁡x→+∞e−x=0\lim\limits_{x\to+\infty}\mathrm{e}^{-x}=0. Donc

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

Tableau de variations : ff croît de −∞-\infty (en −∞-\infty) jusqu'à f(−1)=ef(-1)=\mathrm{e}, puis décroît de e\mathrm{e} jusqu'à la limite 00 en +∞+\infty.

Donc ff est strictement croissante sur ]−∞ ;−1]]-\infty\,;-1], strictement décroissante sur [−1 ;+∞[[-1\,;+\infty[, et admet un maximum f(−1)=ef(-1)=\mathrm{e} en x=−1x=-1.

Question 3. a)

La fonction f′f' est dérivable sur R\mathbb{R}. Avec u(x)=−x−1u(x)=-x-1, u′(x)=−1u'(x)=-1, v(x)=e−xv(x)=\mathrm{e}^{-x} et v′(x)=−e−xv'(x)=-\mathrm{e}^{-x}, la formule (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv' donne

f′′(x)=−e−x+(−x−1)(−e−x)=(−1+x+1)e−x=x e−x.f''(x)=-\mathrm{e}^{-x}+(-x-1)\left(-\mathrm{e}^{-x}\right)=\left(-1+x+1\right)\mathrm{e}^{-x}=x\,\mathrm{e}^{-x}.

Comme e−x>0\mathrm{e}^{-x}>0, f′′(x)f''(x) est du signe de xx :

  • f′′(x)<0f''(x)<0 pour x<0x<0 : ff est concave sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0]

  • f′′(x)>0f''(x)>0 pour x>0x>0 : ff est convexe sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

Donc ff est concave sur ]−∞ ;0]]-\infty\,;0] et convexe sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

Question 3. b)

Un point d'inflexion est un point où la courbe traverse sa tangente, c'est-à-dire où f′′f'' s'annule en changeant de signe. Ici f′′f'' s'annule en 00 en passant du négatif au positif, et en aucun autre réel.

On a f(0)=(0+2) e0=2f(0)=(0+2)\,\mathrm{e}^{0}=2.

Donc la courbe Cf\mathcal{C}_f admet un unique point d'inflexion, le point de coordonnées (0 ;2)(0\,;2), c'est-à-dire le point N.

Réponse : point d'inflexion (0 ;2)(0\,;2).

Question 4. a)

Les fonctions u(x)=x+2u(x)=x+2 et v(x)=−e−xv(x)=-\mathrm{e}^{-x} sont dérivables sur R\mathbb{R}, de dérivées continues : u′(x)=1u'(x)=1 et v′(x)=e−xv'(x)=\mathrm{e}^{-x}. On pose donc

f(x)=u(x) v′(x)avecu(x)=x+2,v(x)=−e−x.f(x)=u(x)\,v'(x)\quad\text{avec}\quad u(x)=x+2,\quad v(x)=-\mathrm{e}^{-x}.

D'après la formule d'intégration par parties,

I(t)=[−(x+2) e−x]−2t−∫−2t1×(−e−x)dx=[−(x+2) e−x]−2t+∫−2te−x dx.\begin{aligned} I(t)&=\Big[-(x+2)\,\mathrm{e}^{-x}\Big]_{-2}^{t}-\int_{-2}^{t}1\times\left(-\mathrm{e}^{-x}\right)\mathrm{d}x\\ &=\Big[-(x+2)\,\mathrm{e}^{-x}\Big]_{-2}^{t}+\int_{-2}^{t}\mathrm{e}^{-x}\,\mathrm{d}x. \end{aligned}

On calcule chaque terme. D'une part,

[−(x+2) e−x]−2t=−(t+2) e−t−(−(0) e2)=−(t+2) e−t.\Big[-(x+2)\,\mathrm{e}^{-x}\Big]_{-2}^{t}=-(t+2)\,\mathrm{e}^{-t}-\left(-(0)\,\mathrm{e}^{2}\right)=-(t+2)\,\mathrm{e}^{-t}.

D'autre part,

∫−2te−x dx=[−e−x]−2t=−e−t+e2.\int_{-2}^{t}\mathrm{e}^{-x}\,\mathrm{d}x=\Big[-\mathrm{e}^{-x}\Big]_{-2}^{t}=-\mathrm{e}^{-t}+\mathrm{e}^{2}.

En additionnant,

I(t)=−(t+2) e−t−e−t+e2=(−t−3) e−t+e2.I(t)=-(t+2)\,\mathrm{e}^{-t}-\mathrm{e}^{-t}+\mathrm{e}^{2}=(-t-3)\,\mathrm{e}^{-t}+\mathrm{e}^{2}.

Donc, pour tout réel t⩾0t\geqslant 0, I(t)=(−t−3) e−t+e2I(t)=(-t-3)\,\mathrm{e}^{-t}+\mathrm{e}^{2}.

Question 4. b)

Pour x⩾−2x\geqslant -2, on a x+2⩾0x+2\geqslant 0 et e−x>0\mathrm{e}^{-x}>0, donc f(x)⩾0f(x)\geqslant 0. Pour t⩾0t\geqslant 0, I(t)I(t) est donc l'aire, en unités d'aire, du domaine délimité par la courbe Cf\mathcal{C}_f, l'axe des abscisses et les droites d'équations x=−2x=-2 et x=tx=t.

Étudions la limite de I(t)I(t) quand tt tend vers +∞+\infty. On a I(t)=−t e−t−3 e−t+e2I(t)=-t\,\mathrm{e}^{-t}-3\,\mathrm{e}^{-t}+\mathrm{e}^{2}. D'après le théorème des croissances comparées, lim⁡t→+∞t e−t=0\lim\limits_{t\to+\infty}t\,\mathrm{e}^{-t}=0, et lim⁡t→+∞e−t=0\lim\limits_{t\to+\infty}\mathrm{e}^{-t}=0. Donc

lim⁡t→+∞I(t)=e2.\lim\limits_{t\to+\infty}I(t)=\mathrm{e}^{2}.

Donc le domaine non borné situé entre la courbe Cf\mathcal{C}_f et l'axe des abscisses, pour x⩾−2x\geqslant -2, est une surface non limitée dont l'aire est finie, égale à e2\mathrm{e}^{2} unités d'aire.

Réponse : I(t)→t→+∞e2I(t)\xrightarrow[t\to+\infty]{}\mathrm{e}^{2} : la surface « x⩾−2x\geqslant -2, entre Cf\mathcal{C}_f et l'axe des abscisses » a pour aire e2\mathrm{e}^{2}.

Points clés attendus

  • Lire f(0)f(0) et f′(0)f'(0) sur le graphique, le nombre dérivé étant le coefficient directeur de la tangente.

  • Justifier la non-convexité par la position de la courbe par rapport à une corde, et le choix de la courbe 2 par le signe de f=F′f=F'.

  • Partie B : traduire chaque donnée graphique en équation sur aa, bb, λ\lambda (valeur en 00, valeur en −2-2, nombre dérivé en 00).

  • Citer les croissances comparées pour la limite en +∞+\infty, et justifier le signe de f′f' et de f′′f'' par e−x>0\mathrm{e}^{-x}>0.

  • Intégration par parties : poser uu et vv, vérifier qu'elles sont dérivables à dérivées continues, et calculer proprement les bornes.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Métropole, 20 juin 2024 (jour 2), sujet dévoilé), 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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