Versions interactives à solutions cachées — leurs boutons « Voir la solution » ne fonctionnent que dans Adobe Acrobat Reader (calques PDF non pris en charge par les navigateurs et le lecteur ci-dessus). Le lecteur affiche donc les versions classiques.
📥 Version à corrections cachées (Adobe Acrobat Reader)Télécharger
Examen national du baccalauréat — Session de rattrapage 2023
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales (les deux parcours) — option française
Code RS 22F — Durée : 3 h — Coefficient : 7
Instructions générales
L’utilisation de la calculatrice non programmable est autorisée
Le candidat peut traiter les exercices de l’épreuve suivant l’ordre qui lui convient
L’utilisation de la couleur rouge lors de la rédaction des solutions est à éviter
Composantes du sujet
L’épreuve est composée de trois exercices et un problème indépendants entre eux et répartis suivant les domaines comme suit :
Domaine
Barème
Exercice 1
Suites numériques
3 points
Exercice 2
Géométrie dans l’espace
3 points
Exercice 3
Nombres complexes
3 points
Exercice 4
Calcul des probabilités
3 points
Problème
Etude des fonctions numériques et calcul intégral
8 points
On désigne par z le conjugué du nombre complexe z et par ∣z∣ son module.
Ln désigne la fonction logarithme népérien
Exercice 1 — Suites numériques (3 points)
On considère la suite numérique (un) définie par :
u0=0etun+1=2un+5un−2,pour tout entier naturel n.
1)(0,5 pt) Montrer que pour tout entier naturel n : un>−1.
Voir la solution
Pour n∈N, on note P(n) : « un>−1 ».
Initialisation. Pour n=0 : u0=0>−1 : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N. On suppose un>−1 et on montre que un+1>−1.
Comme AB∧AC=0, les points A, B et C ne sont pas alignés.
b)(0,25 pt) Vérifier que x+2y+z−8=0 est une équation cartésienne du plan (ABC).
Voir la solution
D’après 1) a), AB∧AC=(13,26,26), donc un vecteur normal au plan (ABC) est n(1,2,2). En passant par A(2,1,2) :
1(x−2)+2(y−1)+2(z−2)=0⟺x+2y+2z−8=0.
On vérifie : A : 2+2+4−8=0 ; B : −2+0+10−8=0 ; C : 4−10+14−8=0.
Donc x+2y+2z−8=0 est une équation cartésienne du plan (ABC). (L’énoncé officiel imprimé comporte une coquille sur le coefficient de z, qui vaut 2 et non 1.)
c)(0,5 pt) Montrer que le plan (ABC) est tangent à la sphère (S) au point A.
Voir la solution
d(Ω,(ABC))=1+4+4∣1+2(−1)+2(0)−8∣=3∣−9∣=3=R.
De plus ∥ΩA∥=1+4+4=3=R, donc A∈(S). Ainsi le plan (ABC) est tangent à (S) au point A.
2) Soient (P) le plan d’équation cartésienne 3x+4y+z+1=0 et (Δ) la droite passant par le point A et orthogonale au plan (P).
a)(0,5 pt) Montrer que la droite (Δ) coupe le plan (P) au point H(21,−1,23).
Voir la solution
Un vecteur directeur de (Δ) est nP(3,4,1). Une représentation paramétrique de (Δ) est :
x=2+3t,y=1+4t,z=2+t,t∈R.
Le point d’intersection avec (P) vérifie :
3(2+3t)+4(1+4t)+(2+t)+1=0⟺6+9t+4+16t+2+t+1=0⟺13+26t=0⟺t=−21.
Donc x=2−23=21, y=1−2=−1, z=2−21=23 : le point d’intersection est H(21,−1,23).
b)(0,5 pt) Déterminer les coordonnées du point D tel que H soit milieu du segment [AD].
Voir la solution
H milieu de [AD] : OH=2OA+OD, donc
D=2H−A=(1,−2,3)−(2,1,2)=(−1,−3,1).
3) Soit (Q) le plan passant par le point D et de vecteur normal ΩD.
a)(0,25 pt) Montrer que le plan (Q) est tangent à la sphère (S) en D.
Voir la solution
ΩD=(−1−1,−3−(−1),1−0)=(−2,−2,1), donc ∥ΩD∥=4+4+1=3=R : D∈(S).
Le plan (Q) passe par D et a pour vecteur normal ΩD, donc il est orthogonal au rayon [ΩD] : il est tangent à (S) en D.
b)(0,5 pt) Montrer que les plans (Q) et (ABC) se coupent suivant la droite (BC).
Voir la solution
Une équation de (Q) : −2(x+1)−2(y+3)+1(z−1)=0⟺−2x−2y+z−9=0⟺2x+2y−z+9=0.
On vérifie que B et C appartiennent à (Q) :
B(−2,0,5) : 2(−2)+2(0)−5+9=−4−5+9=0 ;
C(4,−5,7) : 2(4)+2(−5)−7+9=8−10−7+9=0.
Or B,C∈(ABC) d’après 1). Donc B et C appartiennent à (Q)∩(ABC). Comme B=C, l’intersection des deux plans (non parallèles) est une droite, qui est nécessairement (BC).
Exercice 3 — Nombres complexes (3 points)
1) On considère le nombre complexe a=23+23i.
a)(0,25 pt) Montrer que : a=3(cos3π+isin3π).
Voir la solution
∣a∣=43+49=3. De plus Re(a)>0 et Im(a)>0, et
tan(arg(a))=3/23/2=3,
donc arg(a)=3π. Ainsi a=3(cos3π+isin3π).
Or 674π=337⋅2π, donc cos(674π)=1 et sin(674π)=0. Ainsi a2022=31011∈R.
2)(0,5 pt) Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O;u,v), on considère les points A et B d’affixes respectives a et a. Déterminer une mesure de l’angle de la rotation R de centre O et qui transforme B en A.
Voir la solution
La rotation de centre O qui envoie B sur A a pour angle θ=arg(aa)=arg(a)−arg(a)=3π−(−3π)=32π.
3) On considère dans l’ensemble C, l’équation (Eα):z2−3z+α=0 où α est un nombre réel non nul. On suppose que l’équation (Eα) admet deux racines complexes conjuguées non réelles z et z.
Soient les points M(z), N(z) et P(3) du plan complexe. Sans résoudre l’équation (Eα) :
a)(0,5 pt) Justifier que α>43 et que α=zz.
Voir la solution
Le discriminant est Δ=3−4α. Les racines sont non réelles si et seulement si Δ<0, soit α>43.
D’après les relations entre coefficients et racines, le produit des racines est α, donc α=zz.
b)(0,5 pt) Montrer que ∣z∣=∣z−3∣.
Voir la solution
La somme des racines est z+z=3. Or
∣z−3∣2=(z−3)(z−3)=∣z∣2−3(z+z)+3=α−3+3=α=∣z∣2.
Donc ∣z∣=∣z−3∣.
c)(0,5 pt) En déduire que les points M et N appartiennent à la médiatrice (Δ) du segment [OP].
Voir la solution
∣z∣=∣z−3∣ signifie OM=PM : M est équidistant de O et de P, donc M appartient à la médiatrice (Δ) de [OP].
De même ∣z∣=∣z−3∣ (car ∣z∣=∣z∣ et le même calcul), donc N∈(Δ).
d)(0,5 pt) Déterminer la valeur de α pour laquelle ∣z−3∣=3 et déduire dans ce cas les points d’intersection de la droite (Δ) et le cercle de centre P et de rayon 3.
Voir la solution
D’après b), ∣z−3∣=3⟺∣z∣=3⟺α=∣z∣2=3.
La médiatrice (Δ) de [OP] a pour équation x=23. Le cercle de centre P(3,0) et de rayon 3 a pour équation (x−3)2+y2=3.
En x=23 :
(23−3)2+y2=3⟺(−23)2+y2=3⟺43+y2=3⟺y2=49⟺y=±23.
Les points d’intersection sont (23,23) et (23,−23).
Exercice 4 — Calcul des probabilités (3 points)
Une urne contient quatre boules blanches et deux boules noires, indiscernables au toucher.
1) On tire au hasard et simultanément deux boules de l’urne.
a)(0,5 pt) Calculer la probabilité de l’événement A : « tirer au moins une boule noire ».
Voir la solution
Le nombre de tirages possibles est (26)=15.
L’événement contraire A est « tirer deux boules blanches » : Card(A)=(24)=6, donc p(A)=156=52.
Ainsi p(A)=1−52=53.
b)(0,5 pt) Soit l’événement B : « obtenir deux boules de même couleur ». Montrer que p(B)=157.
Voir la solution
Card(B)=(24)+(22)=6+1=7, donc p(B)=157.
c)(0,5 pt) On répète cette expérience cinq fois en remettant dans l’urne les boules tirées, après chaque tirage. Quelle est la probabilité pour que l’événement B soit réalisé exactement trois fois ?
Voir la solution
On a une épreuve de Bernoulli de paramètre p=157, répétée 5 fois de façon indépendante. Soit Y le nombre de réalisations de B : Y∼B(5,157).
2) Dans cette question, on tire des boules de l’urne, une après l’autre et sans remise et on arrête le tirage lorsqu’on obtient une boule blanche pour la première fois. Soit X la variable aléatoire qui est égale au nombre de tirages effectués dans cette expérience.
a)(0,25 pt) Justifier que les valeurs prises par X sont : 1 ; 2 ; et 3.
Voir la solution
Il y a 2 boules noires et 4 boules blanches. On s’arrête à la première boule blanche. Au pire, on tire les 2 noires puis une blanche : X≤3. De plus X≥1. Donc X∈{1,2,3}.
b)(0,25 pt) Montrer que p(X=2)=154.
Voir la solution
(X=2) signifie : première boule noire, puis deuxième boule blanche.
p(X=2)=62⋅54=308=154.
c)(0,5 pt) Déterminer la loi de probabilité de la variable aléatoire X.
d)(0,5 pt) Quelle est la probabilité d’obtenir au moins une boule noire ?
Voir la solution
« Obtenir au moins une boule noire » est l’événement (X≥2)=(X=2)∪(X=3).
p(X≥2)=p(X=2)+p(X=3)=154+151=31.
(Équivalent : 1−p(X=1)=1−32=31.)
Exercice 4 — Problème (8 points)
On considère la fonction numérique f définie sur R par :
f(x)={(x−1)2ex(2−x)1+(x−2)2ln(x−2);x≤2;x>2
Soit (C) sa courbe représentative dans un repère orthonormé (O;i,j) (unité : 1cm).
1)(0,5 pt) Montrer que la fonction f est continue au point 2.
Voir la solution
f(2)=(2−1)2e0=1. De plus
limx→2+f(x)=limx→2+(1+(x−2)2ln(x−2))=1+0=1,
car t→0+limt2lnt=0. Or x→2−limf(x)=f(2)=1. Donc x→2limf(x)=f(2) : f est continue en 2.
2) a)(0,25 pt) Vérifier que pour tout x<2 et x=0,
x−2f(x)−f(2)=xex(2−x)−xx(2−x)ex(2−x)−1.
Voir la solution
Soit x<2, x=0. On a f(2)=1 et f(x)=(x−1)2ex(2−x). Or (x−1)2=x2−2x+1=x(x−2)+1, donc
f(x)−1=(x(x−2)+1)ex(2−x)−1=x(x−2)ex(2−x)+(ex(2−x)−1).
Ainsi
x−2f(x)−f(2)=xex(2−x)+x−2ex(2−x)−1.
Or x−21=−2−x1=−x(2−x)x, donc
x−2ex(2−x)−1=−xx(2−x)ex(2−x)−1.
D’où le résultat.
b)(0,5 pt) Montrer que f est dérivable à gauche en 2.
Voir la solution
D’après a), pour x<2 et x=0 :
x−2f(x)−f(2)=xex(2−x)−xx(2−x)ex(2−x)−1.
On pose t=x(2−x). Lorsque x→2−, t→0. Or t→0limtet−1=1, et x(2−x)→0 avec le même signe que 2−x (car x→2>0), donc
limx→2−x(2−x)ex(2−x)−1=1.
Ainsi
limx→2−x−2f(x)−f(2)=2⋅e0−2⋅1=2−2=0.
Donc f est dérivable à gauche en 2 et fg′(2)=0.
c)(0,75 pt) Montrer que f est dérivable en 2 et que f′(2)=0 puis interpréter géométriquement le résultat.
Voir la solution
Pour x>2 :
x−2f(x)−f(2)=x−2(x−2)2ln(x−2)=(x−2)ln(x−2)x→2+0,
car t→0+limtlnt=0. Donc fd′(2)=0.
Comme fg′(2)=fd′(2)=0, f est dérivable en 2 et f′(2)=0.
Géométriquement : la courbe (C) admet au point d’abscisse 2 une tangente horizontale (parallèle à l’axe des abscisses).
3) a)(0,25 pt) Vérifier que pour tout x≤2, f(x)=x(x−2)ex(2−x)+ex(2−x).
Voir la solution
Pour x≤2 : (x−1)2=x(x−2)+1, donc
f(x)=(x−1)2ex(2−x)=(x(x−2)+1)ex(2−x)=x(x−2)ex(2−x)+ex(2−x).
b)(0,5 pt) Calculer x→−∞limf(x) et interpréter géométriquement le résultat.
Voir la solution
Pour x≤2 : f(x)=ex(2−x)(x(x−2)+1). Or x(2−x)=2x−x2x→−∞−∞, donc ex(2−x)→0.
Plus précisément, f(x)=e2x−x2(x2−2x+1) et e−x2x2→0 (croissances comparées), donc x→−∞limf(x)=0.
Géométriquement : la droite y=0 (axe des abscisses) est asymptote horizontale à (C) au voisinage de −∞.
c)(0,75 pt) Calculer x→+∞limf(x) et x→+∞limxf(x) puis interpréter géométriquement le résultat.
Or (x−1)(1−x)=−(x−1)2, donc
1+(x−1)(1−x)=1−(x−1)2=(1−(x−1))(1+(x−1))=(2−x)x.
Ainsi f′(x)=2(x−1)ex(2−x)⋅x(2−x)=2x(x−1)(2−x)ex(2−x).
b)(0,5 pt) Montrer que pour tout x>2, f′(x)=(x−2)(1+2ln(x−2)).
Voir la solution
Pour x>2 : f(x)=1+(x−2)2ln(x−2). En dérivant le produit w2lnw avec w=x−2 :
f′(x)=2(x−2)ln(x−2)+(x−2)2⋅x−21=2(x−2)ln(x−2)+(x−2)=(x−2)(1+2ln(x−2)).
c)(0,5 pt) Résoudre dans l’intervalle ]2,+∞[, l’inéquation : 1+2ln(x−2)≤0.
Voir la solution
1+2ln(x−2)≤0⟺ln(x−2)≤−21⟺x−2≤e−1/2⟺x≤2+e1.
Comme x>2, l’ensemble des solutions est ]2;2+e1].
d)(0,75 pt) Etudier le signe de f′(x) sur R puis dresser le tableau de variations de f sur R.
Voir la solution
Pour x<2 : ex(2−x)>0 et 2−x>0, donc f′(x) a le signe de x(x−1).
x
−∞
0
1
2
f′(x)
+
0
−
0
+
Pour x>2 : x−2>0, donc f′(x) a le signe de 1+2ln(x−2). D’après c), f′(x)≤0 sur ]2;2+e1] et f′(x)>0 sur ]2+e1;+∞[. De plus f′(2)=0.
On a f(0)=1, f(1)=0, f(2)=1, f(2+e1)≈0,8 et x→−∞limf(x)=0, x→+∞limf(x)=+∞.
x
−∞
0
1
2
2+e1
+∞
f′(x)
+
0
−
0
+
0
−
0
+
f
0
↗
1
↘
0
↗
1
↘
≈0,8
↗
+∞
5)(1 pt) Construire la courbe (C) dans le repère (O;i,j).
(On donne : f(3)≈1 ; 2+e1≈2,6 et f(2+e1)≈0,8.)
Voir la solution
Éléments de la construction : asymptote y=0 en −∞ ; tangente horizontale en A(2,1) ; minimum local en x=1 (f(1)=0) et en x=2+e1 ; maximum local en x=0 (f(0)=1) ; branche parabolique verticale en +∞ ; f(3)=1.
6) Soit λ∈]2,3[.
a)(0,5 pt) En utilisant une intégration par parties, montrer que :
∫λ3(x−2)2ln(x−2)dx=−91+31(λ−2)3(31−ln(λ−2)).
Voir la solution
On pose w=x−2. Alors
∫λ3(x−2)2ln(x−2)dx=∫λ−21w2lnwdw.
Intégration par parties : u=lnw, u′=w1, v′=w2, v=3w3.
Donc
[3w3lnw−9w3]λ−21=(0−91)−(3(λ−2)3ln(λ−2)−9(λ−2)3)=−91+3(λ−2)3(31−ln(λ−2)).
b)(0,5 pt) Déduire en fonction de λ, l’aire de la partie du plan limitée par la courbe (C) et les droites d’équations : y=1, x=λ et x=3.
Voir la solution
Pour x∈[λ,3]⊂]2,+∞[, f(x)−1=(x−2)2ln(x−2). Or sur ]2,3], ln(x−2)≤0, donc f(x)≤1. L’aire est
A(λ)=∫λ3(1−f(x))dx=−∫λ3(x−2)2ln(x−2)dx=91−31(λ−2)3(31−ln(λ−2)).
c)(0,25 pt) Calculer λ→2+limA(λ).
Voir la solution
Posons t=λ−2→0+. Alors
A(λ)=91−31t3(31−lnt)=91−9t3+31t3lnt.