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Examen national du baccalauréat — Session de rattrapage 2011
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
Équations et inéquations exponentielles
2,5 points
Exercice 2
Nombres complexes
4 points
Exercice 3
Suites numériques
3,5 points
Exercice 4
Étude de fonctions et calcul intégral
10 points
Exercice 1 — Équations et inéquations exponentielles (2,5 points)
1.a.(0,5 pt) Résoudre dans R l’équation : x2−2x−3=0.
Voir la solution
Δ=4+12=16=42. Les solutions sont
x1=22−4=−1,x2=22+4=3.
Donc S={−1;3}.
1.b.(1 pt) Résoudre dans R l’équation : ex−ex3−2=0.
Voir la solution
En multipliant par ex>0 :
ex−ex3−2=0⟺e2x−2ex−3=0.
On pose t=ex>0 : t2−2t−3=0, Δ=4+12=16, t=22±4, soit t=−1 (exclu) ou t=3.
Donc ex=3, d’où x=ln3. S={ln3}.
2.(1 pt) Résoudre dans R l’inéquation : ex+1−e−x⩾0.
Voir la solution
ex+1−e−x⩾0⟺ex+1⩾e−x.
En multipliant les deux membres par ex>0 : e2x+1⩾1=e0, d’où 2x+1⩾0, soit x⩾−21.
S=[−21,+∞[.
Exercice 2 — Nombres complexes (4 points)
1.(1 pt) Résoudre dans l’ensemble des nombres complexes C l’équation : z2−6z+18=0.
Voir la solution
Δ=36−72=−36=(6i)2. Les solutions sont
z1=26−6i=3−3i,z2=26+6i=3+3i.
Donc S={3−3i;3+3i}.
2. On considère, dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v), les deux points A et B ayant respectivement les affixes : a=3+3i et b=3−3i.
2.a.(0,5 pt) Écrire sous la forme trigonométrique les deux nombres a et b.
Voir la solution
∣a∣=9+9=32 et arg(a)≡4π[2π], donc
a=32(cos4π+isin4π).∣b∣=32 et arg(b)≡−4π[2π], donc
b=32(cos(−4π)+isin(−4π)).
2.b.(0,75 pt) Montrer que b′ l’affixe du point B′ image de B par la translation de vecteur OA est 6.
Voir la solution
b′=b+a=(3−3i)+(3+3i)=6.
2.c.(1 pt) Montrer que : a−b′b−b′=i puis déduire que le triangle AB′B est isocèle et rectangle en B′.
Le triangle AB′B est donc isocèle et rectangle en B′.
2.d.(0,75 pt) Déduire d’après ce qui précède que le quadrilatère OAB′B est un carré.
Voir la solution
Par définition de la translation de vecteur OA, on a BB′=OA, donc OAB′B est un parallélogramme.
D’après 2.c., le triangle AB′B est isocèle rectangle en B′, donc B′A=B′B et (B′A,B′B)≡2π[2π].
Un parallélogramme ayant un angle droit et deux côtés consécutifs égaux est un carré : OAB′B est un carré.
Exercice 3 — Suites numériques (3,5 points)
On considère la suite numérique (un) définie par : u0=1 et un+1=1+15un6un pour tout n de N.
1.a.(0,5 pt) Vérifier que pour tout n dans N : un+1−31=15un+1un−31.
Voir la solution
Soit n∈N.
un+1−31=1+15un6un−31=3(1+15un)18un−(1+15un)=3(1+15un)3un−1=15un+1un−31.
1.b.(0,5 pt) Montrer par récurrence que pour tout n dans N : un>31.
Voir la solution
Montrons par récurrence que, pour tout n∈N, un>31.
Initialisation.u0=1>31. La propriété est vraie au rang 0.
Hérédité. Soit n∈N. Supposons un>31. Alors un−31>0 et 15un+1>0, donc d’après 1.a. :
un+1−31=15un+1un−31>0,soitun+1>31.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : un>31.
2. On considère la suite numérique (vn) définie par, pour tout n dans N : vn=1−3un1.
(1,5 pt) Montrer que (vn) est une suite géométrique de raison 61 puis écrire vn en fonction de n.
Voir la solution
D’après 1.b., un>31>0, donc vn est bien défini.
Soit n∈N.
vn+1=1−3un+11=1−18un1+15un=18un18un−1−15un=18un3un−1=61(1−3un1)=61vn.
Donc (vn) est géométrique de raison 61, de premier terme v0=1−31=32.
Par suite, pour tout n∈N : vn=32(61)n.
3.(1 pt) Montrer que pour tout n dans N : un=3−2(61)n1 puis déduire n→+∞limun.
Voir la solution
De vn=1−3un1 on tire 3un1=1−vn, donc
un=3(1−vn)1=3−3vn1=3−2(61)n1pour tout n∈N.
Comme 61<1, limn→+∞(61)n=0, d’où limn→+∞un=31.
Exercice 4 — Étude de fonctions et calcul intégral (10 points)
Partie I
On considère la fonction numérique g définie sur I=]0,+∞[ par : g(x)=x−1+lnx.
I.1.a.(0,5 pt) Montrer que pour tout x∈I : g′(x)=xx+1.
Voir la solution
g′(x)=1+x1=xx+1 pour tout x∈I.
I.1.b.(0,5 pt) Montrer que la fonction g est croissante sur I.
Voir la solution
Pour tout x∈I, x+1>0 et x>0, donc g′(x)>0 : g est (strictement) croissante sur I.
I.2.(1 pt) Déduire que : g(x)⩾0 sur [1,+∞[ et que g(x)⩽0 sur ]0,1] (remarquer que g(1)=0).
Voir la solution
g(1)=1−1+ln1=0.
Comme g est croissante sur I :
si x∈]0,1], alors x⩽1, donc g(x)⩽g(1)=0 ;
si x∈[1,+∞[, alors x⩾1, donc g(x)⩾g(1)=0.
Partie II
Soit f la fonction numérique définie par : f(x)=(xx−1)lnx, et soit (C) la courbe de la fonction f dans un repère orthonormé (O,i,j) (unité : 1cm).
II.1.a.(0,75 pt) Montrer que x→0x>0limf(x)=+∞ et interpréter le résultat géométriquement.
Voir la solution
xx−1=1−x1x→0+−∞ et lnxx→0+−∞, produit de deux termes tendant vers −∞ : limx→0+f(x)=+∞.
Donc la droite x=0 est asymptote verticale à (C).
II.1.b.(1 pt) Montrer que x→+∞limf(x)=+∞ et x→+∞limxf(x)=0
(remarquer que pour tout x de I : xf(x)=(xx−1)xlnx).
Voir la solution
f(x)=(1−x1)lnx : limx→+∞(1−x1)=1 et limx→+∞lnx=+∞, donc limx→+∞f(x)=+∞.
xf(x)=(xx−1)xlnx,limx→+∞xx−1=1,limx→+∞xlnx=0,
donc limx→+∞xf(x)=0.
II.1.c.(0,5 pt) Déduire que la courbe (C) admet une branche parabolique au voisinage de +∞ dont on déterminera la direction.
Voir la solution
limx→+∞f(x)=+∞ et limx→+∞xf(x)=0 : (C) admet une branche parabolique de direction l’axe des abscisses au voisinage de +∞.
II.2.a.(1 pt) Montrer que pour tout x∈I : f′(x)=x2g(x).
Voir la solution
f(x)=(1−x1)lnx. En dérivant un produit :
f′(x)=x21lnx+(1−x1)x1=x2lnx+x2x−1=x2x−1+lnx=x2g(x).
II.2.b.(0,5 pt) Déduire que f est croissante sur [1,+∞[ et décroissante sur ]0,1].
Voir la solution
Pour x∈I, x2>0, donc le signe de f′(x) est celui de g(x).
D’après I.2. : g⩽0 sur ]0,1] et g⩾0 sur [1,+∞[, donc f est décroissante sur ]0,1] et croissante sur [1,+∞[.
II.2.c.(0,25 pt) Donner le tableau de variations de f sur I.
Voir la solution
f(1)=0 ; limx→0+f(x)=+∞ ; limx→+∞f(x)=+∞.
x
0
1
+∞
f′(x)
−
0
+
f(x)
+∞
↘
0
↗
+∞
II.3.(1 pt) Tracer (C) (on admettra que la courbe (C) possède un seul point d’inflexion d’abscisse comprise entre 1,5 et 2).
Voir la solution
Éléments du tracé : asymptote verticale x=0, minimum en (1,0), branche parabolique horizontale en +∞, inflexion d’abscisse entre 1,5 et 2.
II.4.a.(0,5 pt) Montrer que : H:x↦21(lnx)2 est une primitive de h:x↦xlnx sur l’intervalle I.
II.4.c.(1 pt) En utilisant l’intégration par parties, montrer que : ∫1elnxdx=1.
Voir la solution
On pose u(x)=lnx, v′(x)=1 ; alors u′(x)=x1 et v(x)=x.
∫1elnxdx=[xlnx]1e−∫1e1dx=elne−1⋅ln1−[x]1e=e−0−(e−1)=1.
Remarque (coquille de la version dactylographiée MTM-Group) : elle demande parfois ∫1elnxdx=21 ; le sujet officiel et le calcul donnent 1.
II.5.a.(0,25 pt) Vérifier que pour tout x∈I : f(x)=lnx−xlnx.
Voir la solution
f(x)=(xx−1)lnx=(1−x1)lnx=lnx−xlnx.
II.5.b.(0,5 pt) Montrer que l’aire du domaine plan limité par la courbe (C) et l’axe des abscisses et les deux droites d’équations x=1 et x=e est 0,5cm2.
Voir la solution
Sur [1,e], f(x)⩾0 (d’après le tableau de variations). Donc
A=∫1ef(x)dx×1×1=∫1e(lnx−xlnx)dx=∫1elnxdx−∫1exlnxdx=1−21=21 cm2.