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

Bac 2025, Nouvelle-Calédonie : exercice 3

21 novembre 2025 · jour 2 · 5 points

On considère la fonction ff définie pour tout réel xx par :

f(x)=ln⁡(ex2+2)f(x) = \ln \left(\mathrm{e}^{\frac{x}{2}} + 2\right)

On admet que la fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R}.

On considère la suite (un)(u_{n}) définie par u0=ln⁡(9)u_{0} = \ln (9) et, pour tout entier naturel nn,

un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_{n})

  1. Montrer que la fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

  2. Montrer que f(2ln⁡(2))=2ln⁡(2)f(2\ln (2)) = 2\ln (2).

  3. Montrer que u1=ln⁡(5)u_{1} = \ln (5).

  4. Montrer par récurrence que pour tout entier naturel nn, on a :

    2ln⁡(2)⩽un+1⩽un2\ln(2) \leqslant u_{n+1} \leqslant u_{n}

  5. En déduire que la suite (un)(u_{n}) converge.

    1. Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation X2−X−2=0X^{2} - X - 2 = 0.

    2. En déduire l'ensemble des solutions sur RR de l'équation :

      ex−ex2−2=0\mathrm{e}^{x} - \mathrm{e}^{\frac{x}{2}} - 2 = 0

    3. En déduire l'ensemble des solutions sur R\mathbb{R} de l'équation f(x)=xf(x) = x.

    4. Déterminer la limite de la suite (un)(u_{n}).

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Question 1.

Pour tout réel xx, on a ex/2+2>0\mathrm{e}^{x/2}+2>0, donc la fonction ff est bien définie sur R\mathbb{R}. Elle est dérivable sur R\mathbb{R} (admis par l'énoncé).

On écrit f=ln⁡(w)f=\ln(w) avec w(x)=ex/2+2w(x)=\mathrm{e}^{x/2}+2, dérivable et strictement positive. La dérivée d'une composée donne f′=w′wf'=\dfrac{w'}{w}, avec w′(x)=12 ex/2w'(x)=\dfrac12\,\mathrm{e}^{x/2}. Donc, pour tout réel xx,

f′(x)=12 ex/2ex/2+2.f'(x)=\dfrac{\dfrac12\,\mathrm{e}^{x/2}}{\mathrm{e}^{x/2}+2}.

Pour tout réel xx, ex/2>0\mathrm{e}^{x/2}>0, donc le numérateur est strictement positif. Le dénominateur est aussi strictement positif. Donc f′(x)>0f'(x)>0 pour tout réel xx.

Donc la fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Question 2.

On a 2ln⁡22=ln⁡2\dfrac{2\ln2}{2}=\ln2, donc e2ln⁡22=eln⁡2=2\mathrm{e}^{\frac{2\ln2}{2}}=\mathrm{e}^{\ln2}=2.

Donc

f(2ln⁡2)=ln⁡(2+2)=ln⁡4=ln⁡(22)=2ln⁡2.f(2\ln2)=\ln(2+2)=\ln4=\ln\left(2^2\right)=2\ln2.

Donc f(2ln⁡2)=2ln⁡2f(2\ln2)=2\ln2.

Question 3.

On a u0=ln⁡9u_0=\ln9, donc u02=ln⁡92=2ln⁡32=ln⁡3\dfrac{u_0}{2}=\dfrac{\ln9}{2}=\dfrac{2\ln3}{2}=\ln3. Ainsi eu0/2=3\mathrm{e}^{u_0/2}=3.

Donc

u1=f(u0)=ln⁡(eu0/2+2)=ln⁡(3+2)=ln⁡5.u_1=f(u_0)=\ln\left(\mathrm{e}^{u_0/2}+2\right)=\ln(3+2)=\ln5.

Donc u1=ln⁡5u_1=\ln5.

Question 4.

Pour tout entier naturel nn, on note P(n)\mathcal{P}(n) la propriété

2ln⁡2⩽un+1⩽un.2\ln2\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n.

Initialisation. On a 2ln⁡2=ln⁡42\ln2=\ln4, u1=ln⁡5u_1=\ln5 et u0=ln⁡9u_0=\ln9.

Comme 4⩽5⩽94\leqslant5\leqslant9 et que la fonction ln⁡\ln est croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, on obtient ln⁡4⩽ln⁡5⩽ln⁡9\ln4\leqslant\ln5\leqslant\ln9, c'est-à-dire 2ln⁡2⩽u1⩽u02\ln2\leqslant u_1\leqslant u_0. Donc P(0)\mathcal{P}(0) est vraie.

Hérédité. Soit kk un entier naturel fixé tel que P(k)\mathcal{P}(k) soit vraie, c'est-à-dire

2ln⁡2⩽uk+1⩽uk(hypotheˋse de reˊcurrence).2\ln2\leqslant u_{k+1}\leqslant u_k\qquad\text{(hypothèse de récurrence).}

Montrons P(k+1)\mathcal{P}(k+1) : 2ln⁡2⩽uk+2⩽uk+12\ln2\leqslant u_{k+2}\leqslant u_{k+1}.

La fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R} (question 1), donc elle conserve l'ordre. En l'appliquant à chaque membre de l'hypothèse de récurrence :

f(2ln⁡2)⩽f(uk+1)⩽f(uk).f(2\ln2)\leqslant f(u_{k+1})\leqslant f(u_k).

D'après la question 2, f(2ln⁡2)=2ln⁡2f(2\ln2)=2\ln2. Par définition de la suite, f(uk+1)=uk+2f(u_{k+1})=u_{k+2} et f(uk)=uk+1f(u_k)=u_{k+1}. On obtient

2ln⁡2⩽uk+2⩽uk+1.2\ln2\leqslant u_{k+2}\leqslant u_{k+1}.

Donc P(k+1)\mathcal{P}(k+1) est vraie.

Conclusion. P(0)\mathcal{P}(0) est vraie et P\mathcal{P} est héréditaire : d'après le principe de récurrence, pour tout entier naturel nn,

2ln⁡2⩽un+1⩽un.2\ln2\leqslant u_{n+1}\leqslant u_n.

Question 5.

D'après la question 4, pour tout entier naturel nn :

  • un+1⩽unu_{n+1}\leqslant u_n, donc la suite (un)(u_n) est décroissante

  • un+1⩾2ln⁡2u_{n+1}\geqslant2\ln2, donc la suite est minorée (à partir du rang 1) par 2ln⁡22\ln2, et on a aussi u0=ln⁡9>2ln⁡2u_0=\ln9>2\ln2, donc elle est minorée par 2ln⁡22\ln2 dès le rang 0.

D'après le théorème de convergence monotone (toute suite décroissante et minorée converge), la suite (un)(u_n) converge.

Donc la suite (un)(u_n) est convergente.

Question 6. a)

L'équation X2−X−2=0X^2-X-2=0 est du second degré. Son discriminant est

Δ=(−1)2−4×1×(−2)=1+8=9>0.\Delta=(-1)^2-4\times1\times(-2)=1+8=9>0.

Elle admet donc deux solutions réelles :

X1=1−92=1−32=−1,X2=1+92=1+32=2.X_1=\dfrac{1-\sqrt9}{2}=\dfrac{1-3}{2}=-1,\qquad X_2=\dfrac{1+\sqrt9}{2}=\dfrac{1+3}{2}=2.

Donc l'ensemble des solutions est {−1 ;2}\{-1\,;2\}.

Question 6. b)

Pour tout réel xx, ex=(ex/2)2\mathrm{e}^x=\left(\mathrm{e}^{x/2}\right)^2. On pose X=ex/2X=\mathrm{e}^{x/2}, avec X>0X>0. L'équation ex−ex/2−2=0\mathrm{e}^x-\mathrm{e}^{x/2}-2=0 s'écrit alors

X2−X−2=0.X^2-X-2=0.

D'après la question précédente, X=−1X=-1 ou X=2X=2. Or X=ex/2>0X=\mathrm{e}^{x/2}>0, donc X=−1X=-1 est impossible. Il reste X=2X=2, c'est-à-dire

ex/2=2  ⟺  x2=ln⁡2  ⟺  x=2ln⁡2.\mathrm{e}^{x/2}=2\iff\dfrac x2=\ln2\iff x=2\ln2.

Donc l'ensemble des solutions de l'équation ex−ex/2−2=0\mathrm{e}^x-\mathrm{e}^{x/2}-2=0 est {2ln⁡2}\{2\ln2\}.

Question 6. c)

Pour tout réel xx, comme les fonctions ln⁡\ln et exp⁡\exp sont réciproques l'une de l'autre :

f(x)=x  ⟺  ln⁡(ex/2+2)=x  ⟺  ex/2+2=ex  ⟺  ex−ex/2−2=0.\begin{aligned} f(x)=x&\iff\ln\left(\mathrm{e}^{x/2}+2\right)=x\\ &\iff\mathrm{e}^{x/2}+2=\mathrm{e}^x\\ &\iff\mathrm{e}^x-\mathrm{e}^{x/2}-2=0. \end{aligned}

D'après la question 6. b), l'ensemble des solutions de l'équation f(x)=xf(x)=x est {2ln⁡2}\{2\ln2\}.

Question 6. d)

D'après la question 5, la suite (un)(u_n) converge vers un réel ℓ\ell.

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R}, donc continue sur R\mathbb{R}. Comme un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_n) pour tout nn, on passe à la limite : (un+1)(u_{n+1}) tend vers ℓ\ell et f(un)f(u_n) tend vers f(ℓ)f(\ell) par continuité de ff. Donc ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell).

D'après la question 6. c), la seule solution de cette équation est 2ln⁡22\ln2. Donc ℓ=2ln⁡2\ell=2\ln2.

Donc lim⁡n→+∞un=2ln⁡2\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=2\ln2.

Réponse : lim⁡n→+∞un=2ln⁡2\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=2\ln2 (=ln⁡4≈1,386=\ln4\approx1{,}386).

Points clés attendus

  • Question 1 : dérivée de ln⁡(w)\ln(w), signe justifié par ex/2>0\mathrm{e}^{x/2}>0.

  • Récurrence : initialisation, hypothèse écrite, utilisation de la croissance de ff et de f(2ln⁡2)=2ln⁡2f(2\ln2)=2\ln2, conclusion.

  • Convergence : citer le théorème de convergence monotone (suite décroissante et minorée).

  • Équation : changement de variable X=ex/2X=\mathrm{e}^{x/2} et élimination de la solution négative car X>0X>0.

  • Limite : continuité de ff, puis ℓ=f(ℓ)\ell=f(\ell), puis résolution.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2025 (Nouvelle-Calédonie, 21 novembre 2025 (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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