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Terminale Spé Maths / Chapitre 1 : Suites / Annales du bac

Bac 2024, Polynésie : exercice 3

20 juin 2024 · jour 2 · 6 points Python

On considère la suite (un)\left(u_n\right) définie par :

u0=8u_0 = 8   et pour tout entier naturel   n,    un+1=un−ln⁡(un4)n,\,\,\;u_{n+1} = u_n -\ln\left(\dfrac{u_n}{4}\right).

    1. Donner les valeurs arrondies au centième de u1u_1 et u2u_2.

    2. On considère la fonction mystere définie ci-dessous en Python. On admet que, pour tout réel strictement positif a, log(a) renvoie la valeur du logarithme népérien de a.

      def mystere(k) :
               u = 8
               S = 0
               for i in range(k) :
                        S = S + u
                        u = u - log( u / 4 )
               return S

      L'exécution de mystere(10) renvoie 58.44045206721732. Que représente ce résultat ?

    3. Modifier la fonction précédente afin qu'elle renvoie la moyenne des kk premiers termes de la suite (un)\left(u_n\right).

  1. On considère la fonction ff définie et dérivable sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[ par :

    f(x)=x−ln⁡(x4).f(x) = x - \ln\left(\dfrac{x}{4}\right).

    On donne ci-dessous une représentation graphique Cf\mathcal{C}_f de la fonction ff pour les valeurs de xx comprises entre 0 et 6.

    Figure de l'énoncé, exercice 3, Polynésie 20 juin 2024

    Étudier les variations de ff sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[ et dresser son tableau de variations.

    On précisera la valeur exacte du minimum de ff sur ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[. Les limites ne sont pas demandées.

Dans la suite de l'exercice, on remarquera que pour tout entier naturel nn,  un+1=f(un)u_{n+1} = f\left(u_n\right).

    1. Démontrer, par récurrence, que pour tout entier naturel nn, on a :

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

    2. En déduire que la suite (un)\left(u_n\right) converge vers une limite réelle.

      On note ℓ\ell la valeur de cette limite

    3. Résoudre l'équation f(x)=xf(x) = x.

    4. En déduire la valeur de ℓ\ell.

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Question 1.

a) On a u0=8u_0=8.

Pour n=0n=0 : u1=u0−ln⁡(u04)=8−ln⁡2≈7,31u_1=u_0-\ln\left(\dfrac{u_0}{4}\right)=8-\ln 2\approx 7{,}31.

Pour n=1n=1 : u2=u1−ln⁡(u14)≈7,3069−ln⁡(1,8267)≈6,70u_2=u_1-\ln\left(\dfrac{u_1}{4}\right)\approx 7{,}3069-\ln(1{,}8267)\approx 6{,}70.

Donc, arrondis au centième, u1≈7,31u_1\approx 7{,}31 et u2≈6,70u_2\approx 6{,}70.

Réponse : u1≈7,31u_1\approx 7{,}31 et u2≈6,70u_2\approx 6{,}70.

b) Avant la boucle, u vaut u0=8u_0=8 et S vaut 00.

À chaque passage dans la boucle, on exécute d'abord S = S + u, qui ajoute à S la valeur courante de u, puis u = u - log(u / 4), qui remplace u par le terme suivant de la suite.

Au passage numéro i+1i+1 (pour ii allant de 00 à k−1k-1), S reçoit donc uiu_i.

Après k=10k=10 passages, S contient donc u0+u1+⋯+u9u_0+u_1+\cdots+u_9.

Donc le résultat 58.44045206721732 est la somme des dix premiers termes de la suite (un)\left(u_n\right), de u0u_0 à u9u_9 :

u0+u1+⋯+u9≈58,44.u_0+u_1+\cdots+u_9\approx 58{,}44.

c) La moyenne des kk premiers termes u0,…,uk−1u_0,\ldots,u_{k-1} est la somme de ces termes divisée par kk. Il suffit donc de renvoyer S / k au lieu de S :

def mystere(k) :
    u = 8
    S = 0
    for i in range(k) :
        S = S + u
        u = u - log(u / 4)
    return S / k

Donc l'instruction return S / k permet de renvoyer la moyenne des kk premiers termes. Pour k=10k=10, la fonction renverrait 5,844…5{,}844\ldots

Question 2.

La fonction ff est définie et dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ par f(x)=x−ln⁡(x4)f(x)=x-\ln\left(\dfrac x4\right).

Pour x>0x>0, on a f(x)=x−ln⁡x+ln⁡4f(x)=x-\ln x+\ln 4, donc, en dérivant (la dérivée de ln⁡\ln est x↦1xx\mapsto\dfrac1x et ln⁡4\ln 4 est constant) :

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

Étudions le signe de f′(x)f'(x). Pour tout x>0x>0, le dénominateur xx est strictement positif : f′(x)f'(x) est donc du signe de x−1x-1.

  • Si 0<x<10<x<1, alors x−1<0x-1<0 donc f′(x)<0f'(x)<0.

  • Si x=1x=1, alors f′(1)=0f'(1)=0.

  • Si x>1x>1, alors x−1>0x-1>0 donc f′(x)>0f'(x)>0.

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

Elle admet un minimum en x=1x=1, de valeur

f(1)=1−ln⁡(14)=1+ln⁡4≈2,39.f(1)=1-\ln\left(\dfrac14\right)=1+\ln 4\approx 2{,}39.

Tableau de variations : ff décroît de f(0+)f(0^+) jusqu'à f(1)=1+ln⁡4f(1)=1+\ln4 sur ]0 ;1]]0\,;1], puis croît de 1+ln⁡41+\ln 4 vers +∞+\infty sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[.

Donc le minimum de ff sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ est 1+ln⁡41+\ln 4, atteint en x=1x=1.

Réponse : minimum f(1)=1+ln⁡4f(1)=1+\ln 4.

Question 3.

a) Pour tout entier naturel nn, on note P(n)P(n) la propriété 1⩽un+1⩽un1\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n.

Initialisation. On a u0=8u_0=8 et u1=8−ln⁡2≈7,31u_1=8-\ln 2\approx 7{,}31. Donc 1⩽u1⩽u01\leqslant u_1\leqslant u_0 : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité. Soit kk fixé dans N\mathbb{N} tel que P(k)P(k) soit vraie, c'est-à-dire 1⩽uk+1⩽uk1\leqslant u_{k+1}\leqslant u_k (hypothèse de récurrence). Montrons P(k+1)P(k+1) : 1⩽uk+2⩽uk+11\leqslant u_{k+2}\leqslant u_{k+1}.

D'après la question 2, la fonction ff est strictement croissante sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[. Les réels uk+1u_{k+1} et uku_k appartiennent à cet intervalle : on peut appliquer ff à chaque membre de l'hypothèse de récurrence en conservant le sens des inégalités :

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

Comme un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_n\right) pour tout nn et f(1)=1+ln⁡4f(1)=1+\ln 4, on obtient

1+ln⁡4⩽uk+2⩽uk+1.1+\ln 4\leqslant u_{k+2}\leqslant u_{k+1}.

De plus ln⁡4>0\ln 4>0, donc 1⩽1+ln⁡41\leqslant 1+\ln 4. On en déduit

1⩽uk+2⩽uk+1.1\leqslant u_{k+2}\leqslant u_{k+1}.

Donc 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, pour tout entier naturel nn, 1⩽un+1⩽un1\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n.

b) D'après la question précédente, un+1⩽unu_{n+1}\leqslant u_n pour tout nn : la suite (un)\left(u_n\right) est décroissante.

Toujours d'après la question précédente, un⩾1u_n\geqslant 1 pour tout n⩾1n\geqslant 1, et u0=8⩾1u_0=8\geqslant 1 : la suite est minorée par 11.

D'après le théorème de convergence monotone (toute suite décroissante et minorée converge), la suite (un)\left(u_n\right) converge vers une limite réelle ℓ\ell.

Donc la suite (un)\left(u_n\right) converge.

c) Soit x>0x>0. On a

f(x)=x  ⟺  x−ln⁡(x4)=x  ⟺  ln⁡(x4)=0.f(x)=x\iff x-\ln\left(\dfrac x4\right)=x\iff \ln\left(\dfrac x4\right)=0.

Or ln⁡y=0  ⟺  y=1\ln y=0\iff y=1 pour y>0y>0. Donc

ln⁡(x4)=0  ⟺  x4=1  ⟺  x=4.\ln\left(\dfrac x4\right)=0\iff\dfrac x4=1\iff x=4.

Donc l'équation f(x)=xf(x)=x admet pour unique solution x=4x=4.

Réponse : x=4x=4.

d) La suite (un)\left(u_n\right) converge vers ℓ\ell, et un⩾1u_n\geqslant 1 pour tout nn, donc par passage à la limite dans une inégalité large ℓ⩾1\ell\geqslant 1 : ℓ\ell appartient à ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

La fonction ff est continue sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ (elle y est dérivable), et un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_n\right) pour tout nn.

Quand nn tend vers +∞+\infty, un+1u_{n+1} tend vers ℓ\ell et, par continuité de ff en ℓ\ell, f(un)f\left(u_n\right) tend vers f(ℓ)f(\ell). Par unicité de la limite, ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell).

Donc ℓ\ell est solution de l'équation f(x)=xf(x)=x. D'après la question précédente, ℓ=4\ell=4.

Réponse : ℓ=4\ell=4.

Points clés attendus

  • Question 1 : expliquer précisément ce que contient S après kk passages (de u0u_0 à uk−1u_{k-1}) et diviser par kk pour la moyenne.

  • Question 2 : dériver, étudier le signe de f′f' en justifiant x>0x>0, donner la valeur exacte du minimum.

  • Question 3. a) : rédiger la récurrence complète en citant la croissance de ff sur [1 ;+∞[[1\,;+\infty[ et en vérifiant que uku_k et uk+1u_{k+1} sont dans cet intervalle.

  • Question 3. b) : citer le théorème de convergence monotone avec ses deux hypothèses (décroissance, minoration).

  • Question 3. d) : justifier le passage à la limite par la continuité de ff et utiliser la résolution de f(x)=xf(x)=x.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Polynésie, 20 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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