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Examen national du baccalauréat — Session de rattrapage 2009
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales (toutes options) et Sciences et Technologies
Code RS 22 — Durée : 3 h — Coefficient : 7
L’utilisation de la calculatrice non programmable est autorisée.
Domaine
Barème
Exercice 1
Géométrie dans l’espace
3 points
Exercice 2
Nombres complexes
3 points
Exercice 3
Calcul des probabilités
3 points
Exercice 4
Suites numériques
3 points
Exercice 5
Calcul intégral
2 points
Exercice 6
Étude de fonction
6 points
Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O,i,j,k), on considère le point A(2,2,−1), le plan (P) d’équation 2x+y+2z−13=0 et la sphère (S) de centre Ω(1,0,1) et de rayon 3.
1.a.(0.75 pt) Montrer que x2+y2+z2−2x−2z−7=0 est une équation cartésienne de la sphère (S) et vérifier que A appartient à (S).
Voir la solution
Une équation de (S) est (x−1)2+(y−0)2+(z−1)2=32, soit x2−2x+1+y2+z2−2z+1−9=0, c’est-à-dire
x2+y2+z2−2x−2z−7=0.
Pour A(2,2,−1) : 4+4+1−4+2−7=0. Donc A∈(S).
1.b.(0.75 pt) Calculer la distance du point Ω au plan (P) puis en déduire que le plan (P) est tangent à la sphère (S).
Voir la solution
d(Ω,(P))=22+12+22∣2×1+0+2×1−13∣=39=3.d(Ω,(P))=3=R, donc le plan (P) est tangent à la sphère (S).
2. Soit (D) la droite passant par le point A et perpendiculaire au plan (P).
2.a.(0.75 pt) Démontrer que u(2,1,2) est un vecteur directeur de la droite (D) et que (6,−6,−3) est le triplet de coordonnées du vecteur ΩA∧u.
Voir la solution
u(2,1,2) est un vecteur normal à (P) ; comme (D)⊥(P), u dirige (D).
ΩA(1,2,−2) et u(2,1,2) :
ΩA∧u=2−212i−1−222j+1221k=(4+2)i−(2+4)j+(1−4)k.
Donc ΩA∧u a pour coordonnées (6,−6,−3).
2.b.(0.75 pt) Calculer ∥u∥ΩA∧u puis en déduire que la droite (D) est tangente à la sphère (S) en A.
Voir la solution
ΩA∧u=36+36+9=9 et ∥u∥=4+1+4=3, donc
d(Ω,(D))=∥u∥ΩA∧u=39=3=R.
La distance du centre à la droite est égale au rayon : (D) est tangente à (S). Comme A∈(D) et A∈(S), le point de contact est A.
Exercice 2 — Nombres complexes (3 points)
1.(1 pt) Résoudre dans l’ensemble des nombres complexes C l’équation : z2−6z+25=0.
Voir la solution
Δ=36−100=−64=(8i)2. Les solutions sont z1=26−8i=3−4i et z2=26+8i=3+4i.
S={3−4i;3+4i}.
2. On considère, dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v), les points A, B, C et D d’affixes respectives : a=3+4i, b=3−4i, c=2+3i et d=5+6i.
2.a.(0.5 pt) Calculer a−cd−c puis en déduire que les points A, C et D sont alignés.
Voir la solution
a−cd−c=1+i3+3i=1+i3(1+i)=3.
Ce quotient est réel, donc CD=3CA : les points A, C et D sont alignés.
2.b.(0.5 pt) Montrer que le nombre p=3+8i est l’affixe du point P image du point A par l’homothétie h de centre B et de rapport 23.
Voir la solution
h(A)=P⟺p−b=23(a−b). Or a−b=8i, donc p=b+23×8i=3−4i+12i=3+8i.
2.c.(1 pt) Écrire sous forme trigonométrique le nombre complexe a−pd−p puis en déduire que 4π est une mesure de l’angle (PA,PD) et que PA=2PD.
Voir la solution
a−pd−p=−4i2−2i=−4i2(2−2i)i=42+2i=21+21i=22(cos4π+isin4π).
Donc (PA,PD)≡arga−pd−p≡4π[2π] et PAPD=a−pd−p=22, d’où PA=22PD=2PD.
Exercice 3 — Calcul des probabilités (3 points)
Une urne contient sept boules noires et deux boules blanches (les boules sont indiscernables au toucher). On tire au hasard, successivement et sans remise, deux boules de l’urne.
Soit X la variable aléatoire qui à chaque tirage associe le nombre de boules blanches restantes dans l’urne après le tirage des deux boules.
1.(0.5 pt) Déterminer les valeurs prises par la variable aléatoire X.
Voir la solution
On peut tirer 0, 1 ou 2 boules blanches ; il en reste alors 2, 1 ou 0. Donc X(Ω)={0,1,2}.
2.(1.5 pt) Montrer que p(X=0)=361 et p(X=1)=187.
Voir la solution
cardΩ=A92=9×8=72.
(X=0) : les deux boules tirées sont blanches : A22=2 cas, p(X=0)=722=361.
(X=1) : une blanche et une noire, dans l’ordre BN ou NB : 2×(2×7)=28 cas, p(X=1)=7228=187.
3.(1 pt) Déterminer la loi de probabilité de la variable aléatoire X et calculer l’espérance mathématique E(X).
Voir la solution
(X=2) : deux noires : A72=42 cas, p(X=2)=7242=127 (on vérifie 722+28+42=1).
xi
0
1
2
p(X=xi)
361
187
127
E(X)=0×361+1×187+2×127=187+1821=1828=914.
Exercice 4 — Suites numériques (3 points)
Soit (un) la suite numérique définie par : u0=0 et un+1=7−2un1+4un pour tout n de N.
1.(1 pt) Vérifier que 1−un+1=5+2(1−un)6(1−un) pour tout n de N et montrer par récurrence que 1−un>0 pour tout n de N.
Récurrence. Pour n=0 : 1−u0=1>0.
Supposons 1−un>0. Alors 6(1−un)>0 et 5+2(1−un)>0, donc 1−un+1>0.
D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : 1−un>0.
2. On pose vn=un−12un−1 pour tout n de N.
2.a.(1 pt) Montrer que (vn) est une suite géométrique de raison 65, puis exprimer vn en fonction de n.
Voir la solution
vn est défini car un=1. On a :
2un+1−1=7−2un2+8un−7+2un=7−2un5(2un−1)etun+1−1=7−2un6(un−1).
Donc vn+1=6(un−1)5(2un−1)=65vn : (vn) est géométrique de raison 65, de premier terme v0=−1−1=1.
vn=(65)npour tout n∈N.
2.b.(1 pt) Montrer que un=(65)n−2(65)n−1 pour tout n de N puis en déduire la limite de la suite (un).
Voir la solution
vn(un−1)=2un−1⟺un(vn−2)=vn−1⟺un=vn−2vn−1 (car vn⩽1<2).
Donc un=(65)n−2(65)n−1.
Comme 0<65<1, (65)n→0 et n→+∞limun=−2−1=21.
Exercice 5 — Calcul intégral (2 points)
1.(1 pt) Déterminer les fonctions primitives de la fonction x↦2x(x2−1)2009 sur R et vérifier que : ∫122x(x2−1)2009dx=20101.
Voir la solution
La fonction est de la forme u′u2009 avec u(x)=x2−1. Ses primitives sur R sont
x↦2010(x2−1)2010+k(k∈R).∫122x(x2−1)2009dx=[2010(x2−1)2010]12=201012010−0=20101.
2.(1 pt) En utilisant une intégration par parties, montrer que : ∫02(2x+1)ln(x+1)dx=6ln3−2.
Voir la solution
On pose u(x)=ln(x+1), v′(x)=2x+1 ; alors u′(x)=x+11 et on choisit v(x)=x2+x=x(x+1).
∫02(2x+1)ln(x+1)dx=[(x2+x)ln(x+1)]02−∫02x+1x(x+1)dx=6ln3−[2x2]02=6ln3−2.
Exercice 6 — Étude de fonction (6 points)
Soit f la fonction numérique de la variable réelle x définie sur R par : f(x)=x(e2x+1e2x−1), et soit (C) la courbe représentative de la fonction f dans un repère orthonormé (O;i;j).
1.a.(0.5 pt) Vérifier que : f(x)=x(1+e−2x1−e−2x) pour tout réel x.
Voir la solution
On multiplie numérateur et dénominateur par e−2x=0 : e2x+1e2x−1=e−2x(e2x+1)e−2x(e2x−1)=1+e−2x1−e−2x.
1.b.(1 pt) Montrer que la fonction f est paire et que f(x)−x=1+e−2x−2xe−2x pour tout réel x.
Voir la solution
Df=R est symétrique par rapport à 0, et pour tout réel x, avec 1.a :
f(−x)=−xe−2x+1e−2x−1=x1+e−2x1−e−2x=f(x).
Donc f est paire. Ensuite :
f(x)−x=x(1+e−2x1−e−2x−1)=x⋅1+e−2x1−e−2x−1−e−2x=1+e−2x−2xe−2x.
1.c.(1 pt) Montrer que x→+∞limf(x)=+∞ et que x→+∞lim1+e−2x−2xe−2x=0 puis en déduire que la droite (D) d’équation y=x est une asymptote à la courbe (C) au voisinage de +∞.
Voir la solution
x→+∞lime−2x=0, donc 1+e−2x1−e−2x→1 et x→+∞limf(x)=+∞.
En posant t=2x : 2xe−2x=te−t→0 quand t→+∞ ; et 1+e−2x→1. Donc x→+∞lim1+e−2x−2xe−2x=0.
Ainsi x→+∞lim(f(x)−x)=0 : la droite (D):y=x est asymptote à (C) au voisinage de +∞.
2.(0.5 pt) Montrer que la courbe (C) est au-dessous de la droite (D) sur l’intervalle [0,+∞[.
Voir la solution
Pour x⩾0 : −2xe−2x⩽0 et 1+e−2x>0, donc f(x)−x⩽0. La courbe (C) est au-dessous de (D) sur [0,+∞[ (elles se coupent en O).
3.a.(1 pt) Montrer que : f′(x)=(e2x+1)2e4x−1+4xe2x pour tout réel x et vérifier que f′(0)=0.
Voir la solution
f(x)=x⋅q(x) avec q(x)=e2x+1e2x−1, q′(x)=(e2x+1)22e2x(e2x+1)−2e2x(e2x−1)=(e2x+1)24e2x.
f′(x)=q(x)+xq′(x)=(e2x+1)2(e2x−1)(e2x+1)+4xe2x=(e2x+1)2e4x−1+4xe2x.f′(0)=41−1+0=0.
3.b.(0.5 pt) Montrer que : e4x−1⩾0 pour tout x de l’intervalle [0,+∞[ puis en déduire que : e4x−1+4xe2x⩾0 pour tout x de l’intervalle [0,+∞[.
Voir la solution
Pour x⩾0 : 4x⩾0 donc e4x⩾e0=1, soit e4x−1⩾0. De plus 4xe2x⩾0. La somme de deux nombres positifs est positive : e4x−1+4xe2x⩾0 sur [0,+∞[.
3.c.(0.5 pt) Dresser le tableau de variations de la fonction f sur l’intervalle [0,+∞[.
Voir la solution
D’après 3.b, f′(x)⩾0 sur [0,+∞[ (nul seulement en 0) : f est croissante sur [0,+∞[, avec f(0)=0.
x
0
+∞
f′(x)
0
+
f(x)
0
↗
+∞
4.(1 pt) Construire la courbe (C) dans le repère (O;i;j) (on admettra que la courbe possède deux points d’inflexion que l’on ne demande pas de préciser).
Voir la solution
On trace la partie sur [0,+∞[ (tangente horizontale en O, au-dessous de y=x, asymptote y=x), puis on complète par symétrie par rapport à l’axe des ordonnées (f paire) : en −∞, l’asymptote est la droite y=−x.