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Examen national du baccalauréat — Session de rattrapage 2024
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales (Sciences de la vie et de la terre et Sciences physiques) — 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
Géométrie dans l’espace
3 points
Exercice 2
Nombres complexes
4 points
Exercice 3
Calcul des probabilités
2 points
Problème
Etude de fonctions numériques, calcul intégral et suites numériques
11 points
On désigne par z le conjugué du nombre complexe z et par ∣z∣ son module
ln désigne la fonction logarithme népérien
Exercice 1 — Géométrie dans l’espace (3 points)
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé (O,i,j,k), on considère les deux points A(1,1,0) et Ω(−1,1,−2) et le plan (P) d’équation x+z−1=0
1) a)(0,5 pt) Vérifier que A est un point du plan (P) et donner un vecteur normal de (P).
Voir la solution
On a xA+zA−1=1+0−1=0, donc A∈(P).
Le plan (P) a pour équation 1⋅x+0⋅y+1⋅z−1=0, donc n(1,0,1) est un vecteur normal de (P).
b)(0,5 pt) Montrer que la droite (ΩA) est perpendiculaire au plan (P).
Voir la solution
ΩA(1−(−1),1−1,0−(−2)), soit ΩA(2,0,2).
Donc ΩA=2n : les vecteurs ΩA et n sont colinéaires.
Un vecteur directeur de (ΩA) est donc normal à (P) : la droite (ΩA) est perpendiculaire au plan (P).
2) Soit (S) l’ensemble des points M(x,y,z) de l’espace vérifiant : x2+y2+z2+2x−2y+4z−3=0
a)(0,5 pt) Montrer que (S) est une sphère de centre Ω et déterminer son rayon.
Comme 22=8<9=3=R, le plan (P) coupe la sphère (S) suivant un cercle.
Le centre de ce cercle est le projeté orthogonal de Ω sur (P). Or A∈(P) (question 1) a)) et (ΩA)⊥(P) (question 1) b)) : ce projeté est donc A.
Son rayon est :
r=R2−d(Ω,(P))2=9−8=1.
3) Soit (Qm) un plan d’équation x+y+mz−2=0, où m est un nombre réel.
a)(0,25 pt) Vérifier que A est un point du plan (Qm), pour tout m de R
Voir la solution
Soit m∈R : xA+yA+mzA−2=1+1+m×0−2=0. Donc A∈(Qm) pour tout m∈R.
b)(0,5 pt) Déterminer la valeur du réel m pour que (Qm) soit perpendiculaire au plan (P)
Voir la solution
nm(1,1,m) est un vecteur normal de (Qm) et n(1,0,1) un vecteur normal de (P).
(Qm)⊥(P)⟺nm⋅n=0⟺1×1+1×0+m×1=0⟺m=−1.
Donc (Qm) est perpendiculaire à (P) si et seulement si m=−1.
c)(0,25 pt) Existe-t-il un plan (Qm) qui coupe la sphère (S) suivant un cercle de centre A ? Justifier.
Voir la solution
(Qm) coupe (S) suivant un cercle de centre A si et seulement si A est le projeté orthogonal de Ω sur (Qm). Comme A∈(Qm), il faut que (ΩA)⊥(Qm), c’est-à-dire que nm(1,1,m) soit colinéaire à ΩA(2,0,2).
Or la deuxième coordonnée de ΩA est 0, alors que celle de nm est 1=0 : s’il existait k tel que nm=kΩA, on aurait 1=k×0=0, ce qui est impossible.
Donc il n’existe aucun plan (Qm) qui coupe (S) suivant un cercle de centre A.
Exercice 2 — Nombres complexes (4 points)
I) On considère dans l’ensemble des nombres complexes C l’équation (E):z2−4z+9=0
1)(0,25 pt) Vérifier que le discriminant de l’équation (E) est Δ=(2i5)2
Voir la solution
Δ=(−4)2−4×1×9=16−36=−20.
Et (2i5)2=4×i2×5=−20. Donc Δ=(2i5)2.
2)(0,5 pt) Résoudre l’équation (E)
Voir la solution
Comme Δ<0, (E) admet deux solutions complexes conjuguées :
z1=24+2i5=2+i5etz2=24−2i5=2−i5.
Donc S={2+i5;2−i5}.
II) Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v), on considère les points A, B et C d’affixes respectives a=2+i5, b=2−i5 et c=2−5.
1) a)(0,25 pt) Vérifier que ∣a∣=3
Voir la solution
∣a∣=22+(5)2=4+5=9=3.
b)(0,25 pt) Montrer que le triangle OAB est isocèle.
Voir la solution
b=a, donc ∣b∣=∣a∣=∣a∣=3.
Ainsi OA=∣a∣=3 et OB=∣b∣=3 : OA=OB, donc le triangle OAB est isocèle en O.
2) a)(0,5 pt) Vérifier que b−ca−c=i
Voir la solution
a−c=2+i5−2+5=5+i5=5(1+i) et b−c=5−i5=5(1−i).
Donc le triangle ABC est rectangle et isocèle en C.
3) a)(0,5 pt) Déterminer l’affixe du point D image de B par la translation de vecteur CA
Voir la solution
L’affixe du vecteur CA est a−c=5+i5.
D=tCA(B)⟺d=b+(a−c)=2−i5+5+i5=2+5.
Donc d=2+5.
b)(0,5 pt) Montrer que ADBC est un carré.
Voir la solution
D=tCA(B) donne BD=CA, donc ADBC est un parallélogramme (on peut aussi vérifier : 2a+b=2=2c+d, les diagonales [AB] et [CD] ont le même milieu).
De plus, d’après 2) b), CA=CB (deux côtés consécutifs égaux) et (CB,CA)≡2π[2π] (angle droit en C).
Un parallélogramme ayant deux côtés consécutifs égaux et un angle droit est un carré : ADBC est un carré.
4) On pose xn=(3a)n et yn=1−xn1, avec n un entier naturel non nul.
a)(0,25 pt) Vérifier que xnxn=1
Voir la solution
xnxn=∣xn∣2=(3∣a∣)2n=(33)2n=1.
b)(0,5 pt) Montrer que yn+yn=1 puis déduire la partie réelle de yn
Voir la solution
D’après 4) a), xn=0 et xn=xn1. Donc :
yn=1−xn1=1−xn11=xn−1xn=−1−xnxn.
D’où :
yn+yn=1−xn1−1−xnxn=1−xn1−xn=1.
Or yn+yn=2Re(yn), donc Re(yn)=21.
Exercice 3 — Calcul des probabilités (2 points)
Une urne contient huit boules : quatre boules blanches, trois boules noires et une boule verte. Toutes les boules sont indiscernables au toucher. On tire au hasard successivement et sans remise trois boules de l’urne.
1)(0,25 pt) Vérifier que le nombre de tirages possibles est égal à 336
Voir la solution
Un tirage successif et sans remise de 3 boules parmi 8 est un arrangement de 3 éléments parmi 8 :
card(Ω)=A83=8×7×6=336.
2)(0,5 pt) Calculer la probabilité de l’évènement A : « Tirer trois boules blanches ».
Voir la solution
card(A)=A43=4×3×2=24, donc :
p(A)=33624=141.
3)(0,75 pt) Montrer que la probabilité de l’évènement B : « Tirer trois boules de même couleur » est p(B)=565
Voir la solution
Il n’y a qu’une boule verte : on ne peut pas tirer trois vertes. B est donc réalisé si on tire trois blanches ou trois noires :
card(B)=A43+A33=24+3×2×1=24+6=30.
p(B)=33630=565.
4)(0,5 pt) Calculer la probabilité de l’évènement C : « Obtenir au moins deux couleurs différentes ».
Voir la solution
Obtenir au moins deux couleurs différentes est le contraire de tirer trois boules de même couleur : C=B.
p(C)=1−p(B)=1−565=5651.
Exercice 4 — Problème (11 points)
Partie I :
La figure ci-contre représente les courbes (Cg) et (Ch) des fonctions g:x↦1+xx et h:x↦ln(1+x) sur l’intervalle ]−1,+∞[ et la droite d’équation y=x, dans un même repère orthonormé.
1) a)(0,5 pt) A partir de cette figure, justifier que : 1+xx≤ln(1+x)≤x, pour tout x de ]−1,+∞[
Voir la solution
Sur la figure, pour tout x∈]−1,+∞[, la courbe (Cg) est en dessous de la courbe (Ch), et (Ch) est en dessous de la droite d’équation y=x (les trois courbes se touchent à l’origine).
Donc pour tout x∈]−1,+∞[ : g(x)≤h(x)≤x, soit 1+xx≤ln(1+x)≤x.
b)(0,25 pt) En déduire que (1+x)ln(1+x)−x≥0, pour tout x de ]−1,+∞[
Voir la solution
Soit x∈]−1,+∞[. D’après 1) a), 1+xx≤ln(1+x). Comme 1+x>0, on multiplie par 1+x sans changer le sens :
x≤(1+x)ln(1+x),donc(1+x)ln(1+x)−x≥0.
c)(0,5 pt) Prouver que ex−(1+ex)ln(1+ex)≤0, pour tout x de R
Voir la solution
Soit x∈R. On pose t=ex ; on a t>0>−1, donc t∈]−1,+∞[ et, d’après 1) b) :
(1+t)ln(1+t)−t≥0,soit(1+ex)ln(1+ex)−ex≥0.
Donc ex−(1+ex)ln(1+ex)≤0 pour tout x∈R.
2) Soit (un) la suite numérique définie par u0=1 et la relation un+1=g(un), pour tout n∈N
a)(0,5 pt) Montrer par récurrence que 0<un≤1, pour tout n de N
Voir la solution
Pour n∈N, on note P(n) : « 0<un≤1 ».
Initialisation. Pour n=0 : u0=1 et 0<1≤1 : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N. On suppose 0<un≤1 et on montre que 0<un+1≤1.
On a un+1=1+unun avec un>0 et 1+un>0, donc un+1>0.
De plus un<1+un, donc 1+unun<1, soit un+1<1.
Donc 0<un+1≤1 : P(n+1) est vraie.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : 0<un≤1.
b)(0,5 pt) Montrer que la suite (un) est décroissante. (On peut utiliser la question 1) a))
Voir la solution
Soit n∈N. D’après 2) a), un∈]0,1]⊂]−1,+∞[, donc d’après 1) a) :
un+1=1+unun≤ln(1+un)≤un.
Donc un+1≤un pour tout n∈N : la suite (un) est décroissante.
c)(0,25 pt) En déduire que la suite (un) est convergente.
Voir la solution
La suite (un) est décroissante (2) b)) et minorée par 0 (2) a)), donc elle est convergente.
d)(0,75 pt) Déterminer la limite de (un).
Voir la solution
Soit ℓ la limite de (un).
La fonction g est continue sur I=[0,1] (fonction rationnelle définie sur ]−1,+∞[) ;
g est croissante sur I (g′(x)=(1+x)21>0), donc g(I)=[g(0),g(1)]=[0,21]⊂I ;
u0=1∈I et un+1=g(un) ;
(un) est convergente.
Donc ℓ∈I et ℓ est solution de l’équation g(x)=x :
1+ℓℓ=ℓ⟺ℓ=ℓ(1+ℓ)⟺ℓ2=0⟺ℓ=0.
Donc n→+∞limun=0.
Partie II :
On considère la fonction numérique f définie sur R par f(x)=e−xln(1+ex).
Soit (Cf) sa courbe représentative dans un repère orthonormé (O,i,j).
1) a)(0,5 pt) Calculer f(0) et vérifier que f(x)>0, pour tout x∈R
Voir la solution
f(0)=e0ln(1+e0)=ln2.
Soit x∈R : ex>0 donc 1+ex>1 et ln(1+ex)>0 ; de plus e−x>0. Donc f(x)>0.
b)(0,5 pt) Montrer que x→−∞limf(x)=1 puis donner une interprétation géométrique de ce résultat.
Voir la solution
f(x)=exln(1+ex). On pose t=ex : quand x→−∞, t→0+, et
limx→−∞f(x)=limt→0+tln(1+t)=1.
Interprétation : la droite d’équation y=1 est une asymptote horizontale à (Cf) au voisinage de −∞.
c)(0,5 pt) Montrer que x→+∞limf(x)=0, puis donner une interprétation géométrique de ce résultat.
Voir la solution
Avec t=ex : quand x→+∞, t→+∞. Pour t>0 :
tln(1+t)=1+tln(1+t)×t1+t.
Or t→+∞lim1+tln(1+t)=X→+∞limXlnX=0 et t→+∞limt1+t=1. Donc x→+∞limf(x)=0.
Interprétation : l’axe des abscisses (droite d’équation y=0) est une asymptote horizontale à (Cf) au voisinage de +∞.
2) a)(0,5 pt) Montrer que pour tout x∈R : f′(x)=1+ex1−e−xln(1+ex)
Voir la solution
f est dérivable sur R (produit et composée de fonctions dérivables, avec 1+ex>0). Pour tout x∈R :
c)(0,5 pt) Déduire que f est strictement décroissante sur R (On peut utiliser la question 1-c) de la partie I)
Voir la solution
Pour tout x∈R, ex(1+ex)>0, donc f′(x) a le signe de ex−(1+ex)ln(1+ex), qui est ≤0 d’après I) 1) c). Donc f′(x)≤0 sur R.
L’inégalité est même stricte : soit φ(t)=(1+t)ln(1+t)−t pour t≥0. On a φ′(t)=ln(1+t)+1−1=ln(1+t)>0 pour t>0, donc φ est strictement croissante sur [0,+∞[ et φ(t)>φ(0)=0 pour t>0. Avec t=ex>0, on obtient ex−(1+ex)ln(1+ex)<0, donc f′(x)<0 pour tout x∈R.
Donc f est strictement décroissante sur R, de 1 (en −∞) à 0 (en +∞).
3) a)(0,5 pt) Déterminer l’équation de la tangente (T) à la courbe (Cf) au point d’abscisse 0
Voir la solution
f(0)=ln2 et, d’après 2) a), f′(0)=1+11−e0ln2=21−ln2.
(T):y=f′(0)(x−0)+f(0),soit(T):y=(21−ln2)x+ln2.
b)(0,25 pt) Vérifier que la tangente (T) passe par le point A(1,21)
Voir la solution
Pour x=1 : y=21−ln2+ln2=21. Donc A(1,21)∈(T).
c)(0,75 pt) Construire (T) et la courbe (Cf) dans le repère (O,i,j). (On prend ln2≈0,7)
Voir la solution
(T) passe par (0;ln2)≈(0;0,7) et A(1;21). (Cf) est décroissante, d’asymptotes y=1 en −∞ et y=0 en +∞, et passe par (0;0,7).
4) a)(0,5 pt) Montrer que f admet une fonction réciproque f−1 définie sur un intervalle J que l’on déterminera. (Il n’est pas demandé de déterminer f−1(x))
Voir la solution
f est continue et strictement décroissante sur R, donc elle admet une fonction réciproque f−1 définie sur :
J=f(R)=]limx→+∞f(x),limx→−∞f(x)[=]0,1[.
b)(0,5 pt) Vérifier que f−1 est dérivable en ln2 et calculer (f−1)′(ln2)
Voir la solution
f(0)=ln2, donc f−1(ln2)=0. f est dérivable en 0 et f′(0)=21−ln2=0 (car ln2≈0,7).
Comme f(0)=ln2 : ∫0λf(x)dx=ln(2)−f(λ)+∫0λ1+ex1dx.
d)(0,5 pt) Déduire en fonction de λ, l’aire Aλ de la partie du plan délimitée par la courbe (Cf), l’axe des abscisses et les droites d’équations x=0 et x=λ
Voir la solution
f>0 sur [0,λ] (1) a)), donc, en unité d’aire (u.a.), avec 5) b) et 5) c) :