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

Bac 2026, Antilles-Guyane : exercice 4

17 juin 2026 · jour 2 · 5 points Python

On considère la fonction fkf_{k} définie sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[ par :

fk(x)=1−x+k(1+ln⁡x)xf_{k}(x)=1-x+\dfrac{k(1+\ln x)}{x}
où kk est un réel strictement positif et ln désigne la fonction logarithme népérien.

On désigne par Ck\mathcal{C}_{k} la représentation graphique de la fonction fkf_{k} dans un repère orthonormé.

On admet que la fonction fkf_{k} est deux fois dérivable sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[.

On note fk′f_{k}' sa dérivée première et fk′′f_{k}'' sa dérivée seconde.

Partie A : étude d'un premier cas particulier

Dans cette partie, on se place dans le cas k=2k=2.

La courbe C2\mathcal{C}_{2} est représentée sur le graphique ci-dessous.

On précise que :

  • Le point A est un point d'inflexion de la courbe C2\mathcal{C}_{2}

  • T2T_{2} est la tangente à la courbe C2\mathcal{C}_{2} au point A.

    Figure de l'énoncé, exercice 4, Antilles-Guyane 17 juin 2026
  1. On considère une primitive F2F_{2} de la fonction f2f_{2} sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[.

    Avec la précision permise par le graphique, donner les variations de la fonction F2F_{2} sur l'intervalle ]0;3]]0 ; 3].

  2. Parmi les trois courbes ci-dessous, indiquer celle qui représente f2′f_{2}' et celle qui représente f2′′f_{2}''.

    Justifier.

Figure de l'énoncé, exercice 4, Antilles-Guyane 17 juin 2026
Figure de l'énoncé, exercice 4, Antilles-Guyane 17 juin 2026
Figure de l'énoncé, exercice 4, Antilles-Guyane 17 juin 2026
Courbe 1Courbe 2Courbe 3

Partie B : étude d'un second cas particulier

Dans cette partie on se place dans le cas k=1k=1.

On considère la fonction f1f_{1} définie sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[ par :

f1(x)=1−x+1+ln⁡xxf_{1}(x)=1-x+\dfrac{1+\ln x}{x}

    1. Montrer que pour tout réel x>0x>0 :

      f1′(x)=−1−ln⁡xx2.f_{1}'(x)=-1-\dfrac{\ln x}{x^{2}}.

    2. Déterminer la limite de f1′(x)f_{1}'(x) lorsque xx tend vers +∞+\infty.

  1. On admet que :

    • l'axe des ordonnées est une asymptote de la courbe de f1′f_{1}'

    • pour tout réel x>0x>0,   f1′′(x)=2ln⁡x−1x3f_{1}''(x)=\dfrac{2 \ln x-1}{x^{3}}.

    On donne ci-dessous le tableau de variations de f1′f_{1}' sur l'intervalle ]0;+∞[] 0 ;+\infty[.

    Figure de l'énoncé, exercice 4, Antilles-Guyane 17 juin 2026
    1. Justifier les variations de la fonction f1′f_{1}' sur l'intervalle ]0;+∞[]0 ;+\infty[ et la valeur de l'extremum.

    2. Justifier la limite de la fonction f1′f_{1}' en 0.

    3. Montrer qu'il existe une unique solution α\alpha à l'équation   f1′(x)=0f_{1}'(x)=0   sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[.

      En déduire que f1f_{1} admet un maximum sur l'intervalle ]0;+∞[] 0 ;+\infty[.

    4. Recopier et compléter les pointillés du programme écrit en langage Python ci-dessous, afin qu'il renvoie une valeur approchée à 10−210^{-2} près de la solution α\alpha de l'équation   f1′(x)=0f_{1}'(x)=0   sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[.

      def d(x) :
        return -1-ln(x)/x**2
      def alpha() :
        u = 0.5
        while d(u) ... 0 :
          u = ...
        return u

      On rappelle que x**2 désigne x2x^{2}.

Partie C: k\boldsymbol{k} quelconque

On considère la fonction hh définie sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[ par   h(x)=1+ln⁡xxh(x)=\dfrac{1+\ln x}{x},

et la fonction HH définie sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[ par   H(x)=12(1+ln⁡x)2H(x)=\dfrac{1}{2}(1+\ln x)^{2}.

On admet que HH est dérivable sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[.

  1. Montrer que la fonction HH est une primitive de hh.

On rappelle que kk est un réel strictement positif et que fkf_{k} est la fonction définie sur ]0;+∞[] 0 ;+\infty[ par :

fk(x)=1−x+k(1+ln⁡x)xf_{k}(x)=1-x+\dfrac{k(1+\ln x)}{x}

  1. Existe-t-il une valeur de kk pour laquelle la valeur moyenne de la fonction fkf_{k} sur l'intervalle [1;e][ 1 ; \mathrm{e}] est égale à 0 ?

    Justifier.

Voir le corrigé

Partie A

Question 1. La fonction F2F_2 est une primitive de f2f_2 sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, donc F2′=f2F_2'=f_2.

Les variations de F2F_2 se déduisent donc du signe de f2f_2, que l'on lit sur la courbe C2\mathcal{C}_2.

Graphiquement, la courbe C2\mathcal{C}_2 coupe l'axe des abscisses en deux points, d'abscisses environ 0,30{,}3 et 2,52{,}5.

On lit alors :

  • f2(x)<0f_2(x)<0 sur ]0 ;0,3[]0\,;0{,}3[

  • f2(x)>0f_2(x)>0 sur ]0,3 ;2,5[]0{,}3\,;2{,}5[

  • f2(x)<0f_2(x)<0 sur ]2,5 ;3]]2{,}5\,;3].

Une fonction dont la dérivée est négative est décroissante, et une fonction dont la dérivée est positive est croissante.

Donc, avec la précision permise par le graphique, la fonction F2F_2 est décroissante sur ]0 ;0,3]]0\,;0{,}3], croissante sur [0,3 ;2,5][0{,}3\,;2{,}5], puis décroissante sur [2,5 ;3][2{,}5\,;3].

Question 2. On commence par traduire graphiquement ce que représentent f2′f_2' et f2′′f_2'' : f2′f_2' donne les variations de f2f_2, et f2′′f_2'' donne les variations de f2′f_2'.

Identification de f2′f_2'.

Sur C2\mathcal{C}_2, la fonction f2f_2 est croissante sur ]0 ;0,75]]0\,;0{,}75] environ, puis décroissante sur [0,75 ;3][0{,}75\,;3].

Donc f2′f_2' est positive sur ]0 ;0,75[]0\,;0{,}75[ environ, puis négative ensuite.

La courbe 1 a exactement ce comportement : elle est au-dessus de l'axe des abscisses pour xx inférieur à 0,750{,}75 environ, puis en dessous.

La courbe 2 est positive seulement pour x>1,65x>1{,}65 environ, alors que C2\mathcal{C}_2 est décroissante en ces abscisses : elle ne peut pas représenter f2′f_2'.

La courbe 3 est négative avant x=2,5x=2{,}5 environ, alors que C2\mathcal{C}_2 est croissante sur ]0 ;0,75]]0\,;0{,}75] environ : elle ne peut pas non plus représenter f2′f_2'.

De plus, la tangente T2T_2 en A a une pente négative d'environ −1,4-1{,}4, et la courbe 1 atteint un minimum d'environ −1,4-1{,}4 pour x≈1,65x\approx 1{,}65, abscisse de A.

Donc la courbe 1 représente f2′f_2'.

Identification de f2′′f_2''.

Le point A est un point d'inflexion de C2\mathcal{C}_2 : en A, f2′′f_2'' s'annule en changeant de signe, et f2′f_2' y admet un extremum.

D'après la courbe 1, f2′f_2' est décroissante puis croissante, avec un minimum pour x≈1,65x\approx 1{,}65.

Donc f2′′f_2'' est négative avant 1,651{,}65 environ, nulle en 1,651{,}65, puis positive après.

La courbe 2 a exactement ce comportement : elle est négative, s'annule pour x≈1,65x\approx 1{,}65, puis devient positive.

La courbe 3 s'annule pour x≈2,5x\approx 2{,}5 et non pour x≈1,65x\approx 1{,}65 : elle ne convient pas pour f2′′f_2''.

Donc la courbe 2 représente f2′′f_2''.

Réponse : f2′f_2' est représentée par la courbe 1 et f2′′f_2'' par la courbe 2.

Partie B

Question 1. a) La fonction f1f_1 est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

On écrit f1(x)=1−x+u(x)v(x)f_1(x)=1-x+\dfrac{u(x)}{v(x)} avec u(x)=1+ln⁡xu(x)=1+\ln x et v(x)=xv(x)=x, soit u′(x)=1xu'(x)=\dfrac1x et v′(x)=1v'(x)=1.

La formule de dérivation d'un quotient (uv)′=u′v−uv′v2\left(\dfrac uv\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2} donne, pour tout x>0x>0 :

f1′(x)=−1+1x×x−(1+ln⁡x)×1x2=−1+1−1−ln⁡xx2=−1−ln⁡xx2.\begin{aligned} f_1'(x)&=-1+\dfrac{\dfrac1x\times x-(1+\ln x)\times 1}{x^2}\\ &=-1+\dfrac{1-1-\ln x}{x^2}\\ &=-1-\dfrac{\ln x}{x^2}. \end{aligned}

Donc, pour tout réel x>0x>0 : f1′(x)=−1−ln⁡xx2f_1'(x)=-1-\dfrac{\ln x}{x^2}.

Question 1. b) On a ln⁡xx2=ln⁡xx×1x\dfrac{\ln x}{x^2}=\dfrac{\ln x}{x}\times\dfrac1x.

Par croissances comparées, lim⁡x→+∞ln⁡xx=0\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\ln x}{x}=0, et lim⁡x→+∞1x=0\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac1x=0.

Par produit, lim⁡x→+∞ln⁡xx2=0\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\ln x}{x^2}=0.

Par somme, on obtient :

lim⁡x→+∞f1′(x)=−1.\lim\limits_{x\to+\infty}f_1'(x)=-1.

Donc f1′(x)f_1'(x) tend vers −1-1 lorsque xx tend vers +∞+\infty.

Réponse : lim⁡x→+∞f1′(x)=−1\lim\limits_{x\to+\infty}f_1'(x)=-1.

Question 2. a) On admet que, pour tout x>0x>0, f1′′(x)=2ln⁡x−1x3f_1''(x)=\dfrac{2\ln x-1}{x^3}.

Comme x3>0x^3>0 pour x>0x>0, le signe de f1′′(x)f_1''(x) est celui de 2ln⁡x−12\ln x-1.

On résout :

2ln⁡x−1>0  ⟺  ln⁡x>12  ⟺  x>e1/2,2\ln x-1>0\iff\ln x>\dfrac12\iff x>\mathrm{e}^{1/2},
car la fonction exponentielle est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Donc :

  • f1′′(x)<0f_1''(x)<0 sur ]0 ;e1/2[]0\,;\mathrm{e}^{1/2}[ : la fonction f1′f_1' est strictement décroissante sur ]0 ;e1/2]]0\,;\mathrm{e}^{1/2}]

  • f1′′(x)>0f_1''(x)>0 sur ]e1/2 ;+∞[]\mathrm{e}^{1/2}\,;+\infty[ : la fonction f1′f_1' est strictement croissante sur [e1/2 ;+∞[[\mathrm{e}^{1/2}\,;+\infty[.

La fonction f1′f_1' admet donc un minimum en e1/2\mathrm{e}^{1/2}. On calcule sa valeur, avec ln⁡(e1/2)=12\ln\left(\mathrm{e}^{1/2}\right)=\dfrac12 et (e1/2)2=e\left(\mathrm{e}^{1/2}\right)^2=\mathrm{e} :

f1′(e1/2)=−1−ln⁡(e1/2)(e1/2)2=−1−1/2e=−1−12e.f_1'\left(\mathrm{e}^{1/2}\right)=-1-\dfrac{\ln\left(\mathrm{e}^{1/2}\right)}{\left(\mathrm{e}^{1/2}\right)^2}=-1-\dfrac{1/2}{\mathrm{e}}=-1-\dfrac{1}{2\mathrm{e}}.

Donc f1′f_1' est strictement décroissante sur ]0 ;e1/2]]0\,;\mathrm{e}^{1/2}], puis strictement croissante sur [e1/2 ;+∞[[\mathrm{e}^{1/2}\,;+\infty[, et son minimum vaut −1−12e-1-\dfrac{1}{2\mathrm{e}}.

Question 2. b) Lorsque x→0+x\to 0^+, on a ln⁡x→−∞\ln x\to-\infty et x2→0+x^2\to 0^+.

Par quotient, ln⁡xx2→−∞\dfrac{\ln x}{x^2}\to-\infty.

Donc −ln⁡xx2→+∞-\dfrac{\ln x}{x^2}\to+\infty, et par somme :

lim⁡x→0+f1′(x)=+∞.\lim\limits_{x\to 0^+}f_1'(x)=+\infty.

Cette limite est cohérente avec l'asymptote verticale (l'axe des ordonnées) admise pour la courbe de f1′f_1'.

Réponse : lim⁡x→0+f1′(x)=+∞\lim\limits_{x\to 0^+}f_1'(x)=+\infty.

Question 2. c) Existence. Sur l'intervalle ]0 ;e1/2]]0\,;\mathrm{e}^{1/2}], la fonction f1′f_1' est :

  • continue (elle est dérivable puisque f1f_1 est deux fois dérivable)

  • strictement décroissante, d'après la question 2. a)

  • de limite +∞+\infty en 00 et de valeur −1−12e<0-1-\dfrac{1}{2\mathrm{e}}<0 en e1/2\mathrm{e}^{1/2}, donc elle prend des valeurs strictement positives puis une valeur strictement négative, et 00 est compris entre ces deux valeurs.

D'après le théorème des valeurs intermédiaires (version pour une fonction continue et strictement monotone), l'équation f1′(x)=0f_1'(x)=0 admet une unique solution α\alpha dans ]0 ;e1/2]]0\,;\mathrm{e}^{1/2}].

Pas d'autre solution. Sur [e1/2 ;+∞[[\mathrm{e}^{1/2}\,;+\infty[, la fonction f1′f_1' est strictement croissante et tend vers −1-1 en +∞+\infty.

Elle reste donc strictement inférieure à sa limite : f1′(x)<−1<0f_1'(x)<-1<0 pour tout x⩾e1/2x\geqslant\mathrm{e}^{1/2}.

L'équation f1′(x)=0f_1'(x)=0 n'a donc aucune solution sur [e1/2 ;+∞[[\mathrm{e}^{1/2}\,;+\infty[.

Donc l'équation f1′(x)=0f_1'(x)=0 admet une unique solution α\alpha sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Maximum de f1f_1. Comme f1′f_1' est strictement décroissante sur ]0 ;e1/2]]0\,;\mathrm{e}^{1/2}] et s'annule en α\alpha, on a f1′(x)>0f_1'(x)>0 sur ]0 ;α[]0\,;\alpha[ et f1′(x)<0f_1'(x)<0 sur ]α ;e1/2]]\alpha\,;\mathrm{e}^{1/2}].

Sur [e1/2 ;+∞[[\mathrm{e}^{1/2}\,;+\infty[, on a f1′(x)<0f_1'(x)<0.

Ainsi f1′>0f_1'>0 sur ]0 ;α[]0\,;\alpha[ et f1′<0f_1'<0 sur ]α ;+∞[]\alpha\,;+\infty[.

La fonction f1f_1 est donc strictement croissante sur ]0 ;α]]0\,;\alpha], puis strictement décroissante sur [α ;+∞[[\alpha\,;+\infty[.

Donc f1f_1 admet un maximum sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, atteint en α\alpha.

Question 2. d) La fonction d représente f1′f_1'. On part de u=0,5u=0{,}5, valeur pour laquelle d(0,5)>0d(0{,}5)>0, donc u<αu<\alpha.

Tant que d(u)>0d(u)>0, on a u<αu<\alpha (puisque f1′>0f_1'>0 sur ]0 ;α[]0\,;\alpha[) : on avance d'un pas de 0,010{,}01 pour obtenir la précision demandée.

Le programme complété est :

def d(x) :
    return -1-ln(x)/x**2

def alpha() :
    u = 0.5
    while d(u) > 0 :
        u = u + 0.01
    return u

La boucle s'arrête dès que d(u)⩽0d(u)\leqslant 0, c'est-à-dire pour le premier uu de la suite 0,5 ;0,51 ;0,52 ;…0{,}5\,;0{,}51\,;0{,}52\,;\dots tel que u⩾αu\geqslant\alpha.

Le programme renvoie donc un réel uu vérifiant α⩽u<α+0,01\alpha\leqslant u<\alpha+0{,}01.

Ici, d(0,65)≈0,020>0d(0{,}65)\approx 0{,}020>0 et d(0,66)≈−0,046<0d(0{,}66)\approx-0{,}046<0, donc la fonction renvoie 0,660{,}66, valeur approchée de α\alpha à 10−210^{-2} près (on a 0,65<α<0,660{,}65<\alpha<0{,}66, avec α≈0,653\alpha\approx 0{,}653).

Réponse : instruction while d(u) > 0 : puis u = u + 0.01   la fonction renvoie 0,660{,}66.

Partie C

Question 1. La fonction H=12u2H=\dfrac12 u^2 avec u(x)=1+ln⁡xu(x)=1+\ln x est dérivable sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, et u′(x)=1xu'(x)=\dfrac1x.

La formule de dérivation d'une composée (u2)′=2u′u(u^2)'=2u'u donne, pour tout x>0x>0 :

H′(x)=12×2×1x×(1+ln⁡x)=1+ln⁡xx=h(x).H'(x)=\dfrac12\times 2\times\dfrac1x\times(1+\ln x)=\dfrac{1+\ln x}{x}=h(x).

Donc H′=hH'=h sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ : la fonction HH est une primitive de hh sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Question 2. On commence par écrire fkf_k à l'aide de hh : pour tout x>0x>0,

fk(x)=1−x+k h(x).f_k(x)=1-x+k\,h(x).

Une primitive de x↦1−xx\mapsto 1-x est x↦x−x22x\mapsto x-\dfrac{x^2}{2}, et, d'après la question 1, une primitive de k hk\,h est k Hk\,H.

Une primitive de fkf_k est donc x↦x−x22+k2(1+ln⁡x)2x\mapsto x-\dfrac{x^2}{2}+\dfrac k2(1+\ln x)^2.

On calcule l'intégrale, avec ln⁡e=1\ln\mathrm{e}=1 et ln⁡1=0\ln 1=0 :

∫1efk(x) dx=[x−x22+k2(1+ln⁡x)2]1e=(e−e22+k2×4)−(1−12+k2×1)=e−e22−12+2k−k2=−e2−2e+12+3k2=−(e−1)22+3k2.\begin{aligned} \int_1^{\mathrm{e}}f_k(x)\,\mathrm{d}x&=\left[x-\dfrac{x^2}{2}+\dfrac k2(1+\ln x)^2\right]_1^{\mathrm{e}}\\ &=\left(\mathrm{e}-\dfrac{\mathrm{e}^2}{2}+\dfrac k2\times 4\right)-\left(1-\dfrac12+\dfrac k2\times 1\right)\\ &=\mathrm{e}-\dfrac{\mathrm{e}^2}{2}-\dfrac12+2k-\dfrac k2\\ &=-\dfrac{\mathrm{e}^2-2\mathrm{e}+1}{2}+\dfrac{3k}{2}\\ &=-\dfrac{(\mathrm{e}-1)^2}{2}+\dfrac{3k}{2}. \end{aligned}

La valeur moyenne de fkf_k sur [1 ;e][1\,;\mathrm{e}] est

μk=1e−1∫1efk(x) dx.\mu_k=\dfrac{1}{\mathrm{e}-1}\int_1^{\mathrm{e}}f_k(x)\,\mathrm{d}x.

Comme e−1≠0\mathrm{e}-1\neq 0, on a :

μk=0  ⟺  ∫1efk(x) dx=0  ⟺  3k2=(e−1)22  ⟺  k=(e−1)23.\mu_k=0\iff\int_1^{\mathrm{e}}f_k(x)\,\mathrm{d}x=0\iff\dfrac{3k}{2}=\dfrac{(\mathrm{e}-1)^2}{2}\iff k=\dfrac{(\mathrm{e}-1)^2}{3}.

On a (e−1)23≈0,984>0\dfrac{(\mathrm{e}-1)^2}{3}\approx 0{,}984>0, donc cette valeur est bien un réel strictement positif, comme l'exige l'énoncé.

Donc il existe une valeur de kk pour laquelle la valeur moyenne de fkf_k sur [1 ;e][1\,;\mathrm{e}] est égale à 00 : c'est k=(e−1)23k=\dfrac{(\mathrm{e}-1)^2}{3}.

Réponse : oui, k=(e−1)23≈0,984k=\dfrac{(\mathrm{e}-1)^2}{3}\approx 0{,}984.

Points clés attendus

  • Partie A : une primitive a pour dérivée la fonction elle-même, donc ses variations se lisent sur le signe de f2f_2   pour f2′f_2' et f2′′f_2'', utiliser les variations de f2f_2 et de f2′f_2' ainsi que le point d'inflexion A.

  • Partie B : détailler la dérivée du quotient, citer les croissances comparées, et justifier le signe de f1′′f_1'' pour obtenir les variations de f1′f_1'.

  • Question B 2. c) : citer le théorème des valeurs intermédiaires pour une fonction continue strictement monotone en vérifiant les signes aux bornes, traiter aussi l'intervalle où f1′f_1' est négative, puis conclure sur le maximum de f1f_1.

  • Question B 2. d) : compléter la condition de boucle et le pas, et justifier la valeur renvoyée par l'encadrement de α\alpha.

  • Partie C : vérifier H′=hH'=h, puis calculer l'intégrale en détaillant les bornes et ne pas oublier de diviser par e−1\mathrm{e}-1 pour la valeur moyenne.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2026 (Antilles-Guyane, 17 juin 2026 (jour 2)), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (François Kriegk) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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