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Examen national 2015 — Session normale

2BAC PC SVT · Mathématiques

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Examen national du baccalauréat — Session normale 2015 (épreuve repassée)

Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales — Option PC & SVT Code RS 22 — Durée : 3 h — Coefficient : 7

Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)

On considère, dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O,i⃗,j⃗,k⃗)\left(O,\vec{i},\vec{j},\vec{k}\right), le plan (P)(P) d’équation x+y+z+4=0x+y+z+4=0 et la sphère (S)(S) de centre Ω(1;−1;−1)\Omega(1;-1;-1) et de rayon 3\sqrt{3}.

1) a) (0,75 pt) Calculer le distance d(Ω,(P))d(\Omega,(P)) et en déduire que le plan (P)(P) est tangent à la sphère (S)(S)

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Un vecteur normal à (P)(P) est n⃗(1;1;1)\vec{n}(1;1;1). On a : d(Ω,(P))=∣1+(−1)+(−1)+4∣12+12+12=33=3.d(\Omega,(P))=\frac{|1+(-1)+(-1)+4|}{\sqrt{1^2+1^2+1^2}}=\frac{3}{\sqrt{3}}=\sqrt{3}. La distance du centre Ω\Omega au plan (P)(P) est égale au rayon 3\sqrt{3} de la sphère : le plan (P)(P) est donc tangent à la sphère (S)(S).

b) (0,5 pt) Vérifier que le point H(0;−2;−2)H(0;-2;-2) est le point de contact du plan (P)(P) et la sphère (S)(S)

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  • 0+(−2)+(−2)+4=00+(-2)+(-2)+4=0, donc H∈(P)H\in(P).
  • ΩH→(−1;−1;−1)=−n⃗\overrightarrow{\Omega H}(-1;-1;-1)=-\vec{n}, donc (ΩH)(\Omega H) est orthogonale à (P)(P).
  • ΩH=1+1+1=3\Omega H=\sqrt{1+1+1}=\sqrt{3}, donc H∈(S)H\in(S).

HH est le projeté orthogonal de Ω\Omega sur (P)(P) et appartient à (S)(S) : c’est le point de contact de (P)(P) et de (S)(S).

2) On considère les deux points A(2;1;1)A(2;1;1) et B(1;0;1)B(1;0;1)

a) (0,75 pt) Vérifier que OA→∧OB→=i⃗−j⃗−k⃗\overrightarrow{OA}\wedge\overrightarrow{OB}=\vec{i}-\vec{j}-\vec{k} et en déduire que x−y−z=0x-y-z=0 est une équation cartésienne du plan (OAB)(OAB)

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OA→(2;1;1)\overrightarrow{OA}(2;1;1) et OB→(1;0;1)\overrightarrow{OB}(1;0;1) : OA→∧OB→=∣1101∣i⃗−∣2111∣j⃗+∣2110∣k⃗=1 i⃗−1 j⃗−1 k⃗=i⃗−j⃗−k⃗.\overrightarrow{OA}\wedge\overrightarrow{OB}=\begin{vmatrix}1&1\\0&1\end{vmatrix}\vec{i}-\begin{vmatrix}2&1\\1&1\end{vmatrix}\vec{j}+\begin{vmatrix}2&1\\1&0\end{vmatrix}\vec{k}=1\,\vec{i}-1\,\vec{j}-1\,\vec{k}=\vec{i}-\vec{j}-\vec{k}. Ce vecteur est non nul, donc normal au plan (OAB)(OAB). Une équation de (OAB)(OAB) est de la forme x−y−z+d=0x-y-z+d=0 ; comme O∈(OAB)O\in(OAB), d=0d=0.

Donc x−y−z=0x-y-z=0 est une équation cartésienne du plan (OAB)(OAB).

b) (0,5 pt) Déterminer une représentation paramétrique de la droite (Δ)(\Delta) passant par Ω\Omega est orthogonale au plan (OAB)(OAB)

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(Δ)(\Delta) est orthogonale à (OAB)(OAB), donc u⃗(1;−1;−1)\vec{u}(1;-1;-1) (normal à (OAB)(OAB)) est un vecteur directeur de (Δ)(\Delta). Elle passe par Ω(1;−1;−1)\Omega(1;-1;-1) : (Δ): {x=1+ty=−1−tz=−1−t(t∈R).(\Delta):\ \begin{cases}x=1+t\\ y=-1-t\\ z=-1-t\end{cases}\qquad (t\in\mathbb{R}).

c) (0,5 pt) Déterminer les coordonnées de chacun des deux points d’intersection de le droite (Δ)(\Delta) et de la sphère (S)(S)

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Une équation de (S)(S) est (x−1)2+(y+1)2+(z+1)2=3(x-1)^2+(y+1)^2+(z+1)^2=3. Le point M(1+t;−1−t;−1−t)M(1+t;-1-t;-1-t) de (Δ)(\Delta) appartient à (S)(S) si et seulement si t2+t2+t2=3  ⟺  t2=1  ⟺  t=1 ou t=−1.t^2+t^2+t^2=3\iff t^2=1\iff t=1\ \text{ou}\ t=-1.

  • Pour t=1t=1 : M1(2;−2;−2)M_1(2;-2;-2).
  • Pour t=−1t=-1 : M2(0;0;0)M_2(0;0;0), c’est-à-dire le point OO.

(Δ)(\Delta) coupe (S)(S) aux points (2;−2;−2)(2;-2;-2) et O(0;0;0)O(0;0;0).

Exercice 2 — Nombres complexes (3 points)

1) (0,75 pt) Résoudre dans l’ensemble des nombres complexes C\mathbb{C} l’équation : z2+10z+26=0z^2+10z+26=0

Voir la solution

Le discriminant est Δ=102−4×26=100−104=−4=(2i)2<0\Delta=10^2-4\times26=100-104=-4=(2i)^2<0. L’équation admet deux solutions complexes conjuguées : z1=−10+2i2=−5+i,z2=−10−2i2=−5−i.z_1=\frac{-10+2i}{2}=-5+i,\qquad z_2=\frac{-10-2i}{2}=-5-i. S={−5+i ; −5−i}S=\{-5+i\,;\,-5-i\}.

2) On considère, dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O;e1⃗,e2⃗)(O;\vec{e_1},\vec{e_2}), les points AA, BB, CC et Ω\Omega d’affixes respectifs aa, bb, cc et ω\omega tels que : a=−2+2ia=-2+2i, b=−5+ib=-5+i, c=−5−ic=-5-i et ω=−3\omega=-3

a) (0,5 pt) Montrer que : b−ωa−ω=i\dfrac{b-\omega}{a-\omega}=i

Voir la solution

b−ω=−5+i+3=−2+ib-\omega=-5+i+3=-2+i et a−ω=−2+2i+3=1+2ia-\omega=-2+2i+3=1+2i. Alors b−ωa−ω=−2+i1+2i=(−2+i)(1−2i)(1+2i)(1−2i)=−2+4i+i−2i21+4=5i5=i.\frac{b-\omega}{a-\omega}=\frac{-2+i}{1+2i}=\frac{(-2+i)(1-2i)}{(1+2i)(1-2i)}=\frac{-2+4i+i-2i^2}{1+4}=\frac{5i}{5}=i.

b) (0,5 pt) En déduire la nature du triangle ΩAB\Omega AB

Voir la solution

De b−ωa−ω=i\dfrac{b-\omega}{a-\omega}=i on déduit :

  • ∣b−ωa−ω∣=∣i∣=1\left|\dfrac{b-\omega}{a-\omega}\right|=|i|=1, donc ΩB=ΩA\Omega B=\Omega A ;
  • (ΩA→,ΩB→)≡arg⁡(i)≡π2 [2π]\left(\overrightarrow{\Omega A},\overrightarrow{\Omega B}\right)\equiv\arg(i)\equiv\dfrac{\pi}{2}\ [2\pi].

Le triangle ΩAB\Omega AB est donc rectangle et isocèle en Ω\Omega.

3) Soit le point DD image du point CC par la translation TT de vecteur u⃗\vec{u} d’affixe 6+4i6+4i

a) (0,5 pt) Montrer que l’affixe dd du point DD est 1+3i1+3i

Voir la solution

L’écriture complexe de la translation TT est z′=z+6+4iz'=z+6+4i. Donc d=c+6+4i=−5−i+6+4i=1+3i.d=c+6+4i=-5-i+6+4i=1+3i.

b) (0,75 pt) Montrer que : b−da−d=2\dfrac{b-d}{a-d}=2 et en déduire que le point AA est le milieu du segment [BD][BD]

Voir la solution

b−d=−5+i−1−3i=−6−2i=2(−3−i)b-d=-5+i-1-3i=-6-2i=2(-3-i) et a−d=−2+2i−1−3i=−3−ia-d=-2+2i-1-3i=-3-i. Donc b−da−d=2(−3−i)−3−i=2.\frac{b-d}{a-d}=\frac{2(-3-i)}{-3-i}=2. Ainsi DB→=2 DA→\overrightarrow{DB}=2\,\overrightarrow{DA} : les points DD, AA, BB sont alignés et AA est sur [DB][DB] avec DA=12DBDA=\dfrac{1}{2}DB.

Donc AA est le milieu du segment [BD][BD]. (Vérification : b+d2=−5+i+1+3i2=−2+2i=a\dfrac{b+d}{2}=\dfrac{-5+i+1+3i}{2}=-2+2i=a.)

Exercice 3 — Calcul des probabilités (3 points)

Une urne contient huit boules : 3 boules rouges, 3 boules vertes et deux boules blanches (les boules son indiscernables au toucher)

On tire au hasard successivement et sans remise deux boules de l’urne

1) (1,5 pt) On considère l’événement AA suivant : “tirer une boule blanche au moins”

et l’événement BB suivant : “tirer deux boules de même couleur”

Montrer que : p(A)=1328p(A)=\dfrac{13}{28} et p(B)=14p(B)=\dfrac{1}{4}.

Voir la solution

Un tirage est une liste ordonnée de deux boules distinctes : card⁡Ω=A82=8×7=56\operatorname{card}\Omega=A_8^2=8\times7=56.

Calcul de p(A)p(A). L’événement contraire A‾\overline{A} est « aucune boule blanche » : les deux boules sont choisies parmi les 66 boules non blanches, d’où card⁡A‾=A62=6×5=30\operatorname{card}\overline{A}=A_6^2=6\times5=30. p(A)=1−p(A‾)=1−3056=2656=1328.p(A)=1-p(\overline{A})=1-\frac{30}{56}=\frac{26}{56}=\frac{13}{28}.

Calcul de p(B)p(B). Deux rouges : A32=6A_3^2=6 ; deux vertes : A32=6A_3^2=6 ; deux blanches : A22=2A_2^2=2. p(B)=6+6+256=1456=14.p(B)=\frac{6+6+2}{56}=\frac{14}{56}=\frac{1}{4}.

2) Soit XX la variable aléatoire qui égale au nombre de boules blanches tirées

a) (0,5 pt) Montrer que p(X=2)=128p(X=2)=\dfrac{1}{28}

Voir la solution

(X=2)(X=2) signifie « tirer les deux boules blanches » : p(X=2)=A2256=256=128p(X=2)=\dfrac{A_2^2}{56}=\dfrac{2}{56}=\dfrac{1}{28}.

b) (1 pt) Déterminer la loi de probabilité de la variable aléatoire XX et calculer l’espérance mathématique E(X)E(X)

Voir la solution

XX prend les valeurs 00, 11 et 22.

  • p(X=0)=p(A‾)=3056=1528p(X=0)=p(\overline{A})=\dfrac{30}{56}=\dfrac{15}{28}.
  • (X=1)(X=1) : une blanche et une non blanche, dans un ordre ou dans l’autre : p(X=1)=2×(2×6)56=2456=37p(X=1)=\dfrac{2\times(2\times6)}{56}=\dfrac{24}{56}=\dfrac{3}{7}.
  • p(X=2)=128p(X=2)=\dfrac{1}{28}.
xix_i001122
p(X=xi)p(X=x_i)1528\dfrac{15}{28}1228\dfrac{12}{28}128\dfrac{1}{28}

(On vérifie : 15+12+128=1\dfrac{15+12+1}{28}=1.) E(X)=0×1528+1×1228+2×128=1428=12.E(X)=0\times\frac{15}{28}+1\times\frac{12}{28}+2\times\frac{1}{28}=\frac{14}{28}=\frac{1}{2}.

Exercice 4 — Problème (11 points)

Partie I

Soit gg la fonction numérique définie sur R\mathbb{R} par : g(x)=ex−2xg(x)=e^x-2x.

1) (0,75 pt) Calculer g′(x)g'(x) pour tout xx de R\mathbb{R} puis en déduire que gg est décroissante sur ]−∞,ln⁡2]]-\infty,\ln 2] et croissante sur [ln⁡2,+∞[[\ln 2,+\infty[.

Voir la solution

gg est dérivable sur R\mathbb{R} et, pour tout x∈Rx\in\mathbb{R} : g′(x)=ex−2g'(x)=e^x-2.

  • Si x≤ln⁡2x\leq\ln 2, alors ex≤eln⁡2=2e^x\leq e^{\ln 2}=2, d’où g′(x)≤0g'(x)\leq0.
  • Si x≥ln⁡2x\geq\ln 2, alors ex≥2e^x\geq2, donc g′(x)≥0g'(x)\geq0.

Ainsi gg est décroissante sur ]−∞,ln⁡2]]-\infty,\ln 2] et croissante sur [ln⁡2,+∞[[\ln 2,+\infty[.

2) (0,5 pt) Vérifier que g(ln⁡2)=2(1−ln⁡2)g(\ln 2)=2(1-\ln 2) puis déterminer le signe de g(ln⁡2)g(\ln 2).

Voir la solution

g(ln⁡2)=eln⁡2−2ln⁡2=2−2ln⁡2=2(1−ln⁡2)g(\ln 2)=e^{\ln 2}-2\ln 2=2-2\ln 2=2(1-\ln 2).

Comme 2<e2<e, on a ln⁡2<ln⁡e=1\ln 2<\ln e=1, donc 1−ln⁡2>01-\ln 2>0 : g(ln⁡2)>0g(\ln 2)>0.

3) (0,5 pt) En déduire que g(x)>0g(x)>0 pour tout xx de R\mathbb{R}.

Voir la solution

D’après 1), gg admet un minimum absolu sur R\mathbb{R} atteint en ln⁡2\ln 2, égal à g(ln⁡2)g(\ln 2). Donc pour tout x∈Rx\in\mathbb{R} : g(x)≥g(ln⁡2)>0g(x)\geq g(\ln 2)>0.

Partie II

On considère la fonction numérique ff définie sur R\mathbb{R} par : f(x)=xex−2xf(x)=\dfrac{x}{e^x-2x}. et soit (C)(C) la courbe représentative de ff dans un repère orthonormé (O;i⃗,j⃗)(O;\vec{i},\vec{j}) (unité : 1cm).

1) a) (1 pt) Montrer que lim⁡x→+∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=0 et lim⁡x→−∞f(x)=−12\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=-\frac{1}{2}.

(remarquer que ex−2x=x(exx−2)e^x-2x=x\left(\dfrac{e^x}{x}-2\right) pour tout xx de R∗\mathbb{R}^*)

Voir la solution

Pour x≠0x\neq0 : f(x)=xx(exx−2)=1exx−2f(x)=\dfrac{x}{x\left(\dfrac{e^x}{x}-2\right)}=\dfrac{1}{\dfrac{e^x}{x}-2}.

  • En +∞+\infty : lim⁡x→+∞exx=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{e^x}{x}=+\infty, donc lim⁡x→+∞(exx−2)=+∞\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\left(\frac{e^x}{x}-2\right)=+\infty et lim⁡x→+∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=0.
  • En −∞-\infty : lim⁡x→−∞ex=0\displaystyle\lim_{x\to-\infty}e^x=0 et lim⁡x→−∞1x=0\displaystyle\lim_{x\to-\infty}\frac{1}{x}=0, donc lim⁡x→−∞exx=0\displaystyle\lim_{x\to-\infty}\frac{e^x}{x}=0 et lim⁡x→−∞f(x)=10−2=−12\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=\frac{1}{0-2}=-\frac{1}{2}.

b) (0,5 pt) Interpréter géométriquement chacun des deux derniers résultats.

Voir la solution
  • lim⁡x→+∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=0 : la droite d’équation y=0y=0 (l’axe des abscisses) est asymptote horizontale à (C)(C) au voisinage de +∞+\infty.
  • lim⁡x→−∞f(x)=−12\displaystyle\lim_{x\to-\infty}f(x)=-\frac{1}{2} : la droite d’équation y=−12y=-\dfrac{1}{2} est asymptote horizontale à (C)(C) au voisinage de −∞-\infty.

2) a) (0,75 pt) Montrer que f′(x)=(1−x)ex(ex−2x)2f'(x)=\dfrac{(1-x)e^x}{(e^x-2x)^2} pour tout xx de R\mathbb{R}.

Voir la solution

ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme quotient de fonctions dérivables dont le dénominateur g(x)g(x) ne s’annule pas (Partie I). Pour tout x∈Rx\in\mathbb{R} : f′(x)=1×(ex−2x)−x(ex−2)(ex−2x)2=ex−2x−xex+2x(ex−2x)2=(1−x)ex(ex−2x)2.f'(x)=\frac{1\times(e^x-2x)-x(e^x-2)}{(e^x-2x)^2}=\frac{e^x-2x-xe^x+2x}{(e^x-2x)^2}=\frac{(1-x)e^x}{(e^x-2x)^2}.

b) (0,75 pt) Étudier le signe de f′(x)f'(x) sur R\mathbb{R} puis dresser le tableau de variations de ff sur R\mathbb{R}.

Voir la solution

Comme ex>0e^x>0 et (ex−2x)2>0(e^x-2x)^2>0, le signe de f′(x)f'(x) est celui de 1−x1-x :

  • f′(x)>0f'(x)>0 sur ]−∞,1[]-\infty,1[, f′(1)=0f'(1)=0, f′(x)<0f'(x)<0 sur ]1,+∞[]1,+\infty[.

f(1)=1e−2f(1)=\dfrac{1}{e-2}.

xx−∞-\infty11+∞+\infty
f′(x)f'(x)++00−-
f(x)f(x)−12-\dfrac{1}{2}↗\nearrow1e−2\dfrac{1}{e-2}↘\searrow00

ff est strictement croissante sur ]−∞,1]]-\infty,1] et strictement décroissante sur [1,+∞[[1,+\infty[.

c) (0,25 pt) Montrer que y=xy=x est une équation de la droite (T)(T) tangente à la courbe (C)(C) au point OO origine du repère.

Voir la solution

f(0)=01=0f(0)=\dfrac{0}{1}=0 et f′(0)=(1−0)e0(e0−0)2=1f'(0)=\dfrac{(1-0)e^0}{(e^0-0)^2}=1. La tangente en OO a pour équation y=f′(0)(x−0)+f(0)y=f'(0)(x-0)+f(0), soit y=xy=x.

3) (1 pt) Tracer, dans le même repère (O,i⃗,j⃗)(O,\vec{i},\vec{j}), la droite (T)(T) et la courbe (C)(C).

(on prendra 1e−2≈1,4\dfrac{1}{e-2}\approx1,4 et on admettra que la courbe (C)(C) a deux points d’inflexion l’abscisse de l’un appartient à l’intervalle ]0,1[]0,1[ et l’abscisse de l’autre est supérieur à 32\dfrac{3}{2}).

Voir la solution

On place les asymptotes y=−12y=-\dfrac{1}{2} (en −∞-\infty) et y=0y=0 (en +∞+\infty), le maximum (1;1e−2)≈(1;1,4)\left(1;\dfrac{1}{e-2}\right)\approx(1;1,4), et la tangente (T):y=x(T):y=x en OO. La courbe (Ch−1)(C_{h^{-1}}) de la Partie III est tracée en vert.

Courbe (C), tangente (T) et courbe de la réciproque de h

4) a) (0,75 pt) Montrer que xe−x≤xex−2x≤1e−2xe^{-x}\leq\dfrac{x}{e^x-2x}\leq\dfrac{1}{e-2} pour tout xx de l’intervalle [0,+∞[[0,+\infty[.

Voir la solution

Soit x∈[0,+∞[x\in[0,+\infty[.

Inégalité de gauche. On a −2x≤0-2x\leq0, donc 0<ex−2x≤ex0<e^x-2x\leq e^x (on sait que ex−2x>0e^x-2x>0). En passant aux inverses : 1ex−2x≥1ex=e−x\dfrac{1}{e^x-2x}\geq\dfrac{1}{e^x}=e^{-x}. En multipliant par x≥0x\geq0 : xex−2x≥xe−x\dfrac{x}{e^x-2x}\geq xe^{-x}.

Inégalité de droite. D’après le tableau de variations, ff admet sur R\mathbb{R} un maximum égal à f(1)=1e−2f(1)=\dfrac{1}{e-2}. Donc xex−2x=f(x)≤1e−2\dfrac{x}{e^x-2x}=f(x)\leq\dfrac{1}{e-2}.

Ainsi xe−x≤xex−2x≤1e−2xe^{-x}\leq\dfrac{x}{e^x-2x}\leq\dfrac{1}{e-2} pour tout x∈[0,+∞[x\in[0,+\infty[.

b) (0,75 pt) En utilisant une intégration par parties, montrer que : ∫01xe−x dx=1−2e\displaystyle\int_0^1 xe^{-x}\,dx=1-\frac{2}{e}.

Voir la solution

On pose u(x)=xu(x)=x, v′(x)=e−xv'(x)=e^{-x} ; alors u′(x)=1u'(x)=1, v(x)=−e−xv(x)=-e^{-x} (uu et vv de dérivées continues sur [0,1][0,1]). ∫01xe−x dx=[−xe−x]01+∫01e−x dx=−e−1+[−e−x]01=−1e−1e+1=1−2e.\int_0^1 xe^{-x}\,dx=\Big[-xe^{-x}\Big]_0^1+\int_0^1 e^{-x}\,dx=-e^{-1}+\Big[-e^{-x}\Big]_0^1=-\frac{1}{e}-\frac{1}{e}+1=1-\frac{2}{e}.

c) (0,5 pt) Soit, en cm2\mathrm{cm}^2, A(E)A(E) l’aire du domaine plan délimité par la courbe (C)(C), l’axe des abscisses et les deux droites d’équations x=0x=0 et x=1x=1. Montrer que : 1−2e≤A(E)≤1e−21-\dfrac{2}{e}\leq A(E)\leq\dfrac{1}{e-2}.

Voir la solution

Sur [0,1][0,1], f(x)≥xe−x≥0f(x)\geq xe^{-x}\geq0, donc (unité 1 cm1\,\mathrm{cm}) A(E)=∫01f(x) dx cm2A(E)=\displaystyle\int_0^1 f(x)\,dx\ \mathrm{cm}^2.

En intégrant l’encadrement de 4) a) sur [0,1][0,1] (positivité de l’intégrale, 0<10<1) : ∫01xe−x dx≤∫01f(x) dx≤∫011e−2 dx,\int_0^1 xe^{-x}\,dx\leq\int_0^1 f(x)\,dx\leq\int_0^1\frac{1}{e-2}\,dx, c’est-à-dire 1−2e≤A(E)≤1e−21-\dfrac{2}{e}\leq A(E)\leq\dfrac{1}{e-2}.

Partie III

Soit hh la fonction numérique définie sur l’intervalle ]−∞;0]]-\infty;0] : h(x)=f(x)h(x)=f(x)

1) (0,5 pt) Montrer que la fonction hh admet une fonction réciproque h−1h^{-1} définie sur un intervalle JJ que l’on précisera.

Voir la solution

hh est continue sur ]−∞;0]]-\infty;0] et strictement croissante sur cet intervalle (car ]−∞;0]⊂]−∞;1]]-\infty;0]\subset]-\infty;1]). Elle admet donc une fonction réciproque h−1h^{-1} définie sur J=h(]−∞;0])=]lim⁡x→−∞h(x) ; h(0)]=]−12;0].J=h(]-\infty;0])=\left]\lim_{x\to-\infty}h(x)\,;\,h(0)\right]=\left]-\frac{1}{2};0\right].

2) (0,5 pt) Tracer, dans le même repère (O,i⃗,j⃗)(O,\vec{i},\vec{j}), la courbe (Ch−1)(C_{h^{-1}}) représentative de la fonction h−1h^{-1}.

Voir la solution

(Ch−1)(C_{h^{-1}}) est la symétrique de la partie de (C)(C) correspondant à x≤0x\leq0 par rapport à la droite (T):y=x(T):y=x. Elle admet la droite x=−12x=-\dfrac{1}{2} comme asymptote verticale et passe par OO, où elle est tangente à (T)(T) (courbe verte sur la figure de la question II-3)).

Partie IV

Soit (un)(u_n) la suite numérique définie par : u0=−2u_0=-2 et un+1=h(un)u_{n+1}=h(u_n) pour tout nn de N\mathbb{N}

1) (0,5 pt) Montrer par récurrence que un≤0u_n\leq0 pour tout nn de N\mathbb{N}.

Voir la solution

Montrons par récurrence que, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, un≤0u_n\leq0.

Initialisation. Pour n=0n=0 : u0=−2≤0u_0=-2\leq0. La propriété est vraie au rang 00.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. Supposons que un≤0u_n\leq0 et montrons que un+1≤0u_{n+1}\leq0.

Comme un∈]−∞;0]u_n\in]-\infty;0], un+1=h(un)∈J=]−12;0]u_{n+1}=h(u_n)\in J=\left]-\dfrac{1}{2};0\right], donc un+1≤0u_{n+1}\leq0.

Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈Nn\in\mathbb{N} : un≤0u_n\leq0.

2) (0,75 pt) Montrer que la suite (un)(u_n) est croissante.

(remarquer, graphiquement, que : h(x)≥xh(x)\geq x pour tout xx de l’intervalle ]−∞,0]]-\infty,0]).

Voir la solution

Graphiquement, sur ]−∞,0]]-\infty,0], la courbe (C)(C) est au-dessus de la droite (T):y=x(T):y=x, donc h(x)≥xh(x)\geq x.

(Justification : pour x≤0x\leq0, h(x)−x=x(1+2x−ex)ex−2xh(x)-x=\dfrac{x(1+2x-e^x)}{e^x-2x} ; la fonction k:x↦1+2x−exk:x\mapsto1+2x-e^x a pour dérivée 2−ex>02-e^x>0 sur ]−∞,0]]-\infty,0], donc k(x)≤k(0)=0k(x)\leq k(0)=0 ; ainsi x k(x)≥0x\,k(x)\geq0 et h(x)−x≥0h(x)-x\geq0.)

Soit n∈Nn\in\mathbb{N}. Comme un≤0u_n\leq0 (question 1)), on a un+1=h(un)≥unu_{n+1}=h(u_n)\geq u_n. La suite (un)(u_n) est donc croissante.

3) (0,75 pt) En déduire que la suite (un)(u_n) est convergente et déterminer sa limite.

Voir la solution

La suite (un)(u_n) est croissante et majorée par 00 : elle est donc convergente. Notons ℓ\ell sa limite ; comme un≤0u_n\leq0, ℓ≤0\ell\leq0.

hh est continue sur ]−∞,0]]-\infty,0] et un+1=h(un)u_{n+1}=h(u_n), donc ℓ\ell vérifie h(ℓ)=ℓh(\ell)=\ell, c’est-à-dire ℓ (1+2ℓ−eℓ)eℓ−2ℓ=0\dfrac{\ell\,(1+2\ell-e^{\ell})}{e^{\ell}-2\ell}=0, soit ℓ=0\ell=0 ou k(ℓ)=0k(\ell)=0.

Or kk est strictement croissante sur ]−∞,0]]-\infty,0] et k(0)=0k(0)=0, donc k(ℓ)=0k(\ell)=0 entraîne ℓ=0\ell=0.

Par conséquent lim⁡n→+∞un=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty}u_n=0.

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