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Examen national du baccalauréat — Session de rattrapage 2025
Mathématiques — Filière : Sciences Expérimentales — Parcours : Sciences de la Vie et de la Terre et Sciences Physiques (option française)
Code RS-22F
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 quatre 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
3.5 points
Exercice 4
Calcul des probabilités
2.5 points
Problème
Etude de fonctions numériques et calcul intégral
8 points
Notations
On désigne par z le conjugué du nombre complexe z et par ∣z∣ son module.
ln désigne la fonction logarithme népérien.
e est le nombre réel tel que ln(e)=1.
Exercice 1 — Suites numériques (3 points)
On considère la suite (un) définie par : u0=23 et un+1=2+un3un+2, pour tout entier naturel n
1) a)(0.25 pt) Vérifier que un+1=3−2+un4, pour tout entier naturel n
Voir la solution
Pour tout n∈N (avec 2+un=0, ce que l’on justifie en 1.b) :
3−2+un4=2+un3(2+un)−4=2+un3un+2=un+1.
b)(0.5 pt) Montrer par récurrence que 0<un<2, pour tout entier naturel n
Voir la solution
Pour n∈N, on note P(n) : « 0<un<2 ».
Initialisation. Pour n=0 : u0=23 et 0<23<2 : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N. On suppose 0<un<2 et on montre que 0<un+1<2.
0<un<2⟹2<2+un<4⟹41<2+un1<21⟹1<2+un4<2⟹1<3−2+un4<2.
Donc 1<un+1<2, et a fortiori 0<un+1<2 : P(n+1) est vraie.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : 0<un<2.
2) a)(0.25 pt) Montrer que un+1−un=2+un(1+un)(2−un), pour tout entier naturel n
Voir la solution
un+1−un=2+un3un+2−un(2+un)=2+un−un2+un+2.
Or (1+un)(2−un)=2−un+2un−un2=−un2+un+2. Donc un+1−un=2+un(1+un)(2−un).
b)(0.5 pt) Montrer que la suite (un) est croissante et en déduire que (un) est convergente.
Voir la solution
D’après 1.b, 0<un<2, donc 1+un>0, 2−un>0 et 2+un>0 : un+1−un>0.
La suite (un) est (strictement) croissante et majorée par 2 : elle est convergente.
c)(0.5 pt) Montrer que 0<2−un+1≤72(2−un), pour tout entier naturel n
(un) est croissante, donc un≥u0=23, d’où 2+un≥27 et 2+un1≤72. Comme 2−un>0 : 2+un2−un≤72(2−un).
Donc 0<2−un+1≤72(2−un).
d)(0.5 pt) Déduire que 0<2−un≤21(72)n, pour tout entier naturel n
Voir la solution
Pour n∈N, on note P(n) : « 0<2−un≤21(72)n ».
Initialisation. Pour n=0 : 2−u0=21 et 0<21≤21(72)0=21 : P(0) est vraie.
Hérédité. Soit n∈N. On suppose 0<2−un≤21(72)n. D’après 2.c :
0<2−un+1≤72(2−un)≤72×21(72)n=21(72)n+1.P(n+1) est vraie.
Conclusion. D’après le principe du raisonnement par récurrence, pour tout n∈N : 0<2−un≤21(72)n.
e)(0.5 pt) Déterminer la limite de la suite (un)
Voir la solution
−1<72<1, donc n→+∞lim(72)n=0. D’après 2.d et le théorème des gendarmes, n→+∞lim(2−un)=0.
Donc n→+∞limun=2.
Exercice 2 — Géométrie dans l’espace (3 points)
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé direct (O,i,j,k), on considère les points A(0,3,3), B(1,2,1), C(2,3,1) et le vecteur n(1,−1,1). Soit (P) le plan d’équation x−y+z−6=0
1) a)(0.5 pt) Montrer que AB∧AC=2n et déduire que les points A, B et C sont non alignés.
Voir la solution
AB(1,−1,−2) et AC(2,0,−2), donc
AB∧AC=−1−20−2i−1−22−2j+1−120k=2i−2j+2k=2n.AB∧AC=0, donc AB et AC ne sont pas colinéaires : A, B et C sont non alignés.
b)(0.25 pt) Montrer que les plans (ABC) et (P) sont parallèles.
Voir la solution
n(1,−1,1) est normal au plan (ABC) (car colinéaire à AB∧AC) et aussi au plan (P) (d’après son équation). Les deux plans ont un même vecteur normal : ils sont parallèles.
(Strictement : 0−3+3−6=−6=0, donc A∈/(P).)
2) Soit (S) la sphère telle que : le plan (ABC) est tangent à (S) en A et le plan (P) est tangent à (S) en un point H
a)(0.5 pt) Calculer la distance du point A au plan (P) et déduire que le rayon de la sphère (S) est 3
Voir la solution
d(A,(P))=12+(−1)2+12∣0−3+3−6∣=36=23.
Soit Ω le centre et R le rayon de (S). Les plans tangents en A et en H sont orthogonaux à (ΩA) et à (ΩH) ; comme ils sont parallèles, A, Ω, H sont alignés sur une même perpendiculaire commune, et [AH] est un diamètre de (S).
Donc 2R=AH=d(A,(P))=23, d’où R=3.
b)(0.25 pt) Donner une représentation paramétrique de la droite (Δ) passant par A et orthogonale au plan (P)
Voir la solution
(Δ) passe par A(0,3,3) et est dirigée par n(1,−1,1) :
(Δ):⎩⎨⎧x=ty=3−tz=3+t(t∈R).
c)(0.5 pt) Montrer que les coordonnées du point H sont (2,1,5).
Voir la solution
D’après 2.a, H est le projeté orthogonal de A sur (P) : H est le point d’intersection de (Δ) et de (P).
t−(3−t)+(3+t)−6=0⟺3t−6=0⟺t=2.
Donc H(2,3−2,3+2)=H(2,1,5).
d)(0.5 pt) Montrer que x2+y2+z2−2x−4y−8z+18=0 est une équation cartésienne de la sphère (S)
Voir la solution
[AH] est un diamètre de (S), donc son centre est le milieu de [AH] : Ω(20+2,23+1,23+5)=Ω(1,2,4), et R=3.
(S):(x−1)2+(y−2)2+(z−4)2=3⟺x2+y2+z2−2x−4y−8z+1+4+16−3=0,
soit x2+y2+z2−2x−4y−8z+18=0.
3)(0.5 pt) Déterminer les deux points d’intersection de la droite (BH) et la sphère (S)
Voir la solution
BH(1,−1,4), donc (BH):⎩⎨⎧x=1+sy=2−sz=1+4s(s∈R).
On remplace dans (x−1)2+(y−2)2+(z−4)2=3 :
s2+s2+(4s−3)2=3⟺18s2−24s+6=0⟺3s2−4s+1=0⟺(s−1)(3s−1)=0.
s=1 : le point (2,1,5), c’est-à-dire H ;
s=31 : le point E(34,35,37).
La droite (BH) coupe la sphère (S) aux points H(2,1,5) et E(34,35,37).
Exercice 3 — Nombres complexes (3.5 points)
Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v), on considère les points A, B, C et D d’affixes respectives : a=2−3+i, b=21−i3, c=1+a et d=c
1)(0.5 pt) Vérifier que ∣a∣=1 et que arg(a)≡65π[2π]
Voir la solution
∣a∣=43+41=1 et a=−23+21i=cos65π+isin65π.
Donc arg(a)≡65π[2π].
2)(0.75 pt) Vérifier que c−ac−d=i et déduire que le triangle ACD est isocèle rectangle en C
Voir la solution
c=1+a=22−3+21i et d=c=22−3−21i.
c−d=2iIm(c)=i et c−a=1, donc c−ac−d=i.
Ainsi c−ac−d=1, soit CD=CA, et arg(c−ac−d)≡2π[2π], soit (CA,CD)≡2π[2π].
Donc le triangle ACD est isocèle rectangle en C.
3) a)(0.5 pt) Montrer que d−a=1−i et que b−d=23−1(1−i)
Voir la solution
d−a=22−3−21i−2−3−21i=22−i=1−i.
b−d=21−2+3+2−3+1i=23−1−23−1i=23−1(1−i).
b)(0.25 pt) Déduire que les points A, D et B sont alignés.
Voir la solution
d−ab−d=23−1∈R, donc les vecteurs AD et DB sont colinéaires : A, D et B sont alignés.
4) Soit R la transformation du plan qui transforme chaque point M d’affixe z en M′ d’affixe z′ tel que z′=az.
a)(0.5 pt) Vérifier que R est une rotation dont on déterminera le centre et l’angle.
Voir la solution
D’après 1, a=ei65π, donc z′−0=ei65π(z−0) : R est la rotation de centre O et d’angle 65π.
b)(0.5 pt) Vérifier que ad=c et déduire que R(D)=C
Voir la solution
d=c=1+a=1+a, donc ad=a+aa=a+∣a∣2=a+1=c.
L’image de D par R a pour affixe ad=c : R(D)=C.
c)(0.5 pt) Montrer que arg(c)≡125π[2π]
Voir la solution
c=0 et c=ad, donc arg(c)≡arg(a)+arg(d)[2π]. Or d=c, donc arg(d)≡−arg(c)[2π] :
arg(c)≡65π−arg(c)[2π]⟺2arg(c)≡65π[2π]⟺arg(c)≡125π[π].
Donc arg(c)≡125π[2π] ou arg(c)≡125π+π[2π].
Or Re(c)=22−3>0 et Im(c)=21>0 : un argument de c est dans ]0,2π[, ce qui exclut 1217π.
Donc arg(c)≡125π[2π].
Exercice 4 — Calcul des probabilités (2.5 points)
Un sac contient 4 boules blanches et 3 boules noires. (Les boules sont indiscernables au toucher).
Un jeu consiste à tirer successivement et sans remise deux boules du sac.
Les règles du jeu sont comme suit :
Si les deux boules tirées sont blanches, on note : +5.
Si les deux boules tirées sont noires, on note : −5.
Si les deux boules tirées sont de couleurs différentes, on note : 0.
On considère les évènements : G « noter +5 » ; Z « noter 0 »
N1 « La première boule tirée est noire » ; B2 « la deuxième boule tirée est blanche »
1) a)(0.5 pt) Calculer p(G), la probabilité de l’évènement G
Voir la solution
Un tirage est un arrangement de 2 boules parmi 7 : cardΩ=A72=7×6=42 tirages équiprobables.
G : deux boules blanches : A42=12 tirages. p(G)=4212=72.
b)(0.5 pt) Montrer que la probabilité de l’évènement Z est p(Z)=74
Voir la solution
Z : une blanche puis une noire (4×3=12) ou une noire puis une blanche (3×4=12) :
p(Z)=4212+12=4224=74.
2) a)(0.5 pt) Calculer la probabilité p(N1∩B2)
Voir la solution
N1∩B2 : une noire puis une blanche : 3×4=12 tirages. p(N1∩B2)=4212=72.
b)(0.5 pt) Montrer que p(B2)=74
Voir la solution
B2=(N1∩B2)∪(B1∩B2), réunion de deux évènements incompatibles (B1 : « la première boule est blanche ») :
p(B2)=p(N1∩B2)+p(B1∩B2)=4212+424×3=4224=74.
c)(0.5 pt) Déduire la probabilité de « noter 0 » sachant que la deuxième boule tirée est blanche.
Voir la solution
Si la deuxième boule est blanche, les deux boules sont de couleurs différentes si et seulement si la première est noire : Z∩B2=N1∩B2.
p(Z/B2)=p(B2)p(Z∩B2)=p(B2)p(N1∩B2)=7472=21.
Exercice 5 — Problème (8 points)
On considère la fonction f définie sur R par : f(x)=x−1+ex+24
Soit (Cf) la courbe représentative de f dans un repère orthonormé (O,i,j).
1)(0.5 pt) Calculer f(0) et f(ln2)
Voir la solution
f(0)=0−1+1+24=−1+34=31 et f(ln2)=ln2−1+2+24=ln2.
2) a)(0.5 pt) Calculer x→+∞limf(x) et x→−∞limf(x)
Voir la solution
x→+∞limex=+∞, donc x→+∞limex+24=0 et x→+∞limf(x)=+∞.
x→−∞limex=0, donc x→−∞limex+24=2 et, comme x→−∞lim(x−1)=−∞ : x→−∞limf(x)=−∞.
b)(0.5 pt) Vérifier que x→+∞lim(f(x)−(x−1))=0 puis interpréter géométriquement ce résultat.
Voir la solution
x→+∞lim(f(x)−(x−1))=x→+∞limex+24=0.
Interprétation : la droite d’équation y=x−1 est une asymptote oblique à (Cf) au voisinage de +∞.
3) a)(0.25 pt) Vérifier que pour tout x∈R, f(x)=x+1−ex+22ex
c)(0.5 pt) Déduire que la courbe (Cf) admet un point d’inflexion que l’on déterminera.
Voir la solution
4ex>0 et (ex+2)3>0, donc f′′(x) a le signe de ex−2 : f′′ s’annule en ln2 en changeant de signe (négative sur ]−∞,ln2[, positive sur ]ln2,+∞[).
Donc (Cf) admet un point d’inflexion I(ln2,f(ln2)), soit I(ln2,ln2).
(Cf) est concave sur ]−∞,ln2] et convexe sur [ln2,+∞[.
d)(0.5 pt) Montrer que y=21x+2ln2 est l’équation de la tangente à (Cf) au point d’abscisse ln2
Voir la solution
f′(ln2)=(2+2)24+4=168=21 et f(ln2)=ln2.
y=f′(ln2)(x−ln2)+f(ln2)=21x−2ln2+ln2=21x+2ln2.
7)(0.75 pt) Construire la courbe (Cf) dans le repère (O,i,j).
Voir la solution
On trace les asymptotes y=x−1 (en +∞) et y=x+1 (en −∞) ; la courbe est entre ces deux droites (question 3.c). On place f(0)=31, α≈−0,55, le point d’inflexion I(ln2,ln2) et la tangente (T) en I.
8) a)(0.5 pt) Montrer que ∫0ln2ex+21dx=21ln(23)
Voir la solution
Pour tout x∈R : ex+21=21×ex+2(ex+2)−ex=21(1−ex+2ex), et x↦ln(ex+2) est une primitive de x↦ex+2ex.
∫0ln2ex+2dx=21[x−ln(ex+2)]0ln2=21((ln2−ln4)−(0−ln3))=21(ln3−ln2)=21ln(23).
b)(0.5 pt) Calculer, en unité d’aire, l’aire de la partie du plan délimitée par la courbe (Cf), la droite d’équation y=x−1, l’axe des ordonnées et la droite d’équation x=ln2
Voir la solution
Pour tout x : f(x)−(x−1)=ex+24>0, donc (Cf) est au-dessus de la droite y=x−1 et
A=∫0ln2(f(x)−(x−1))dx=4∫0ln2ex+2dx=4×21ln(23)=2ln(23)u.a.(≈0,81u.a.)