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Bac de maths 2022 Centres étrangers J2 : corrigé

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Ce corrigé du sujet 2 des centres étrangers (12 mai 2022, spécialité mathématiques) te montre comment justifier chaque réponse du QCM sur la fonction exponentielle : dérivée d'un quotient, lecture du signe de \(f''\), primitives à vérifier par dérivation. Tu y trouveras aussi l'étude de \(x\ln x+1\) avec la convexité qui prouve la croissance d'une suite, la méthode pour établir qu'une droite est orthogonale à un plan dans un tétraèdre, puis la loi du gain d'un jeu de jetons et la recherche du nombre de jetons qui rend ce jeu le plus avantageux.

Corrigé de l’exercice 1 : QCM sur la fonction exponentielle

1. On dérive le quotient \(\dfrac{u}{v}\) avec \(u(x)=x\) et \(v(x)=\text{e}^{x}\), donc \(u'(x)=1\) et \(v'(x)=\text{e}^{x}\). Il vient \(f'(x)=\dfrac{1\times\text{e}^{x}-x\times\text{e}^{x}}{\left(\text{e}^{x}\right)^{2}}=\dfrac{(1-x)\text{e}^{x}}{\text{e}^{2x}}=(1-x)\text{e}^{-x}\). Réponse : c.

2. Sur la courbe de \(f''\), on lit que \(f''\) est positive sur \([-3\ ;\ -1]\), s'annule en \(-1\), puis est négative sur \([-1\ ;\ 1]\). Or \(f''\) est la dérivée de \(f'\) : la fonction \(f'\) est donc croissante jusqu'en \(-1\), puis décroissante. Elle atteint donc son maximum en \(x=-1\). Les autres propositions sont fausses : sur \([-1\ ;\ 1]\), \(f''\) est négative donc \(f\) est concave et non convexe (a) ; sur \([-2\ ;\ 0]\), \(f''\) change de signe, donc \(f\) n'est pas concave sur tout l'intervalle (b) ; sur \([-2\ ;\ -1]\), \(f'\) est croissante (c). Réponse : d.

3. Une primitive de \(f\) a pour dérivée \(f(x)=x^{3}\text{e}^{-x^{2}}\). On teste la proposition c avec \(F(x)=-\dfrac{1}{2}\left(x^{2}+1\right)\text{e}^{-x^{2}}\), en dérivant un produit : \(F'(x)=-\dfrac{1}{2}\left[2x\,\text{e}^{-x^{2}}+\left(x^{2}+1\right)\times\left(-2x\right)\text{e}^{-x^{2}}\right]=-\dfrac{1}{2}\,\text{e}^{-x^{2}}\left(2x-2x^{3}-2x\right)=x^{3}\text{e}^{-x^{2}}\). C'est bien \(f(x)\). On vérifie de la même façon que les trois autres ne conviennent pas : par exemple, en \(x=1\), la dérivée de la proposition b vaut \(-\dfrac{1}{4}\text{e}^{-1}\left(4-2\right)=-\dfrac{1}{2\text{e}}\), alors que \(f(1)=\dfrac{1}{\text{e}}\). Réponse : c.

4. On factorise par \(\text{e}^{x}\) au numérateur et au dénominateur : \(\dfrac{\text{e}^{x}+1}{\text{e}^{x}-1}=\dfrac{1+\text{e}^{-x}}{1-\text{e}^{-x}}\). Comme \(\text{e}^{-x}\to0\) quand \(x\to+\infty\), le quotient tend vers \(\dfrac{1}{1}\). Réponse : b, la limite vaut \(1\).

5. Comme \(\dfrac{\text{d}}{\text{d}x}\,\text{e}^{2x+1}=2\text{e}^{2x+1}\), les primitives de \(f\) sont les fonctions \(F(x)=\dfrac{1}{2}\text{e}^{2x+1}+k\), avec \(k\) réel. La condition \(F(0)=1\) donne \(\dfrac{\text{e}}{2}+k=1\), donc \(k=1-\dfrac{\text{e}}{2}\). D'où \(F(x)=\dfrac{1}{2}\text{e}^{2x+1}-\dfrac{1}{2}\text{e}+1\). Réponse : c.

6. Sur la courbe de \(f\), on voit que \(f\) est concave au début (la courbe est « tournée vers le bas » sur la gauche), puis convexe sur la fin. Le changement a lieu vers \(x=1\), point d'inflexion. Donc \(f''\) est négative pour \(x\lt1\), nulle en \(1\) et positive pour \(x\gt1\). Parmi les quatre courbes, seule la droite croissante de la proposition a s'annule en 1 en changeant de signe de moins à plus ; la droite b change de signe dans le mauvais sens, et les paraboles c et d ne restent pas négatives sur la première partie de l'intervalle (c est positive au début, d ne change jamais de signe). Réponse : a.

À retenir : pour une question sur la convexité, le signe de \(f''\) donne les variations de \(f'\), et un changement de signe de \(f''\) indique un point d'inflexion. Pour une primitive proposée, on la dérive et on compare avec \(f\).

Corrigé de l’exercice 2 : fonction \(x\ln x+1\) et suite récurrente

1. En \(0\), la limite de \(x\ln x\) vaut \(0\) d'après les croissances comparées, donc \(\displaystyle\lim_{x\to0}f(x)=1\). En \(+\infty\), \(x\to+\infty\) et \(\ln x\to+\infty\), donc leur produit tend vers \(+\infty\) : \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty\).

2. a. On dérive \(x\ln x\) comme un produit : \(\left(x\ln x\right)'=1\times\ln x+x\times\dfrac{1}{x}=\ln x+1\). La constante \(1\) a une dérivée nulle, donc \(f'(x)=1+\ln x\).

b. On résout \(f'(x)\geqslant0\) : \(1+\ln x\geqslant0\iff\ln x\geqslant-1\iff x\geqslant\text{e}^{-1}\) (la fonction exponentielle est croissante). Donc \(f\) est décroissante sur \(]0\ ;\ \text{e}^{-1}]\) et croissante sur \([\text{e}^{-1}\ ;\ +\infty[\). Le minimum vaut \(f\left(\text{e}^{-1}\right)=\text{e}^{-1}\times\ln\left(\text{e}^{-1}\right)+1=-\text{e}^{-1}+1=1-\dfrac{1}{\text{e}}\), soit environ \(0{,}632\).

\(x\) \(0\) \(\text{e}^{-1}\) \(+\infty\)
signe de \(f'(x)\) \(-\) \(0\) \(+\)
variations de \(f\) \(1\) décroît \(1-\text{e}^{-1}\) croît \(+\infty\)

c. Sur \(]0\ ;\ \text{e}^{-1}]\), \(f\) décroît de \(1\) (valeur limite, non atteinte) jusqu'à \(1-\text{e}^{-1}\), donc \(1-\text{e}^{-1}\leqslant f(x)\lt1\). Sur \([\text{e}^{-1}\ ;\ 1[\), \(f\) croît de \(1-\text{e}^{-1}\) jusqu'à \(f(1)=1\), donc \(1-\text{e}^{-1}\leqslant f(x)\lt1\). Dans les deux cas, \(f(x)\lt1\), et comme \(\text{e}^{-1}\lt1\), on a \(1-\text{e}^{-1}\gt0\). Donc pour tout \(x\in]0\ ;\ 1[\), \(f(x)\in]0\ ;\ 1[\).

3. a. On a \(f(1)=1\times\ln1+1=1\) et \(f'(1)=1+\ln1=1\). La tangente \((T)\) a pour équation \(y=f'(1)(x-1)+f(1)=(x-1)+1\), soit \(y=x\).

b. La fonction \(f'\) est dérivable sur \(]0\ ;\ +\infty[\) avec \(f''(x)=\dfrac{1}{x}\). Pour \(x\gt0\), \(f''(x)\gt0\), donc \(f\) est convexe sur \(]0\ ;\ +\infty[\).

c. Une fonction convexe a sa courbe au-dessus de chacune de ses tangentes. En particulier \(\mathcal{C}_f\) est au-dessus de \((T)\) : pour tout \(x\gt0\), \(f(x)\geqslant x\).

4. a. Initialisation : \(u_0\in]0\ ;\ 1[\), donc \(0\lt u_0\lt1\). Hérédité : on suppose \(0\lt u_n\lt1\) pour un entier \(n\). D'après la question 2. c, \(f\) envoie \(]0\ ;\ 1[\) dans \(]0\ ;\ 1[\), donc \(0\lt f\left(u_n\right)\lt1\), c'est-à-dire \(0\lt u_{n+1}\lt1\). Conclusion : par récurrence, pour tout \(n\in\mathbb{N}\), \(0\lt u_n\lt1\).

b. D'après la question 3. c, \(f\left(u_n\right)\geqslant u_n\) car \(u_n\gt0\). Cela s'écrit \(u_{n+1}\geqslant u_n\) pour tout \(n\) : la suite \(\left(u_n\right)\) est croissante.

c. La suite \(\left(u_n\right)\) est croissante et majorée par \(1\) (question 4. a). D'après le théorème de la limite monotone, elle converge.

À retenir : pour étudier une suite \(u_{n+1}=f(u_n)\), on enchaîne un encadrement démontré par récurrence, la comparaison \(f(x)\geqslant x\) (ici obtenue par convexité et tangente) pour la monotonie, puis le théorème de convergence des suites monotones bornées.

Corrigé de l’exercice 3 : tétraèdre dans l’espace

1. On calcule \(\overrightarrow{\text{AB}}\begin{pmatrix}3\\3\\3\end{pmatrix}\), \(\overrightarrow{\text{AC}}\begin{pmatrix}3\\0\\-3\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{AD}}\begin{pmatrix}-3\\6\\-3\end{pmatrix}\). Ces deux premiers vecteurs ne sont pas colinéaires, donc A, B, C définissent un plan. Le vecteur \(\overrightarrow{n}\begin{pmatrix}1\\-2\\1\end{pmatrix}\) est orthogonal à \(\overrightarrow{\text{AB}}\) (\(3-6+3=0\)) et à \(\overrightarrow{\text{AC}}\) (\(3+0-3=0\)) : c'est un vecteur normal au plan (ABC). Une équation de ce plan est \(x-2y+z=d\), et avec A, \(d=3+4+2=9\) (on vérifie que B et C la satisfont : \(6-2+5=9\) et \(6+4-1=9\)). Pour D, \(0-8-1=-9\neq9\) : D n'est pas dans ce plan. Les points A, B, C et D ne sont donc pas coplanaires.

2. a. \(\overrightarrow{\text{AB}}\cdot\overrightarrow{\text{AC}}=3\times3+3\times0+3\times(-3)=0\). Les côtés [AB] et [AC] sont orthogonaux : le triangle ABC est rectangle en A.

b. \(\overrightarrow{\text{AD}}\cdot\overrightarrow{\text{AB}}=-9+18-9=0\) et \(\overrightarrow{\text{AD}}\cdot\overrightarrow{\text{AC}}=-9+0+9=0\). Le vecteur \(\overrightarrow{\text{AD}}\) est donc orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC), donc à tout vecteur de ce plan : la droite (AD) est perpendiculaire au plan (ABC).

c. On prend ABC pour base : la hauteur correspondante est AD. On calcule \(\text{AB}=\sqrt{27}=3\sqrt{3}\), \(\text{AC}=\sqrt{18}=3\sqrt{2}\) et \(\text{AD}=\sqrt{9+36+9}=\sqrt{54}=3\sqrt{6}\). L'aire de la base vaut \(\dfrac{1}{2}\times3\sqrt{3}\times3\sqrt{2}=\dfrac{9\sqrt{6}}{2}\). Donc \(V=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{9\sqrt{6}}{2}\times3\sqrt{6}=\dfrac{1}{3}\times\dfrac{9\times3\times6}{2}=\)27 unités de volume.

3. a. On a \(\overrightarrow{\text{BH}}\begin{pmatrix}-1\\-1\\-4\end{pmatrix}\), \(\overrightarrow{\text{BC}}\begin{pmatrix}0\\-3\\-6\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{BD}}\begin{pmatrix}-6\\3\\-6\end{pmatrix}\). L'égalité \(\overrightarrow{\text{BH}}=\alpha\overrightarrow{\text{BC}}+\beta\overrightarrow{\text{BD}}\) équivaut au système \(-6\beta=-1\), \(-3\alpha+3\beta=-1\), \(-6\alpha-6\beta=-4\). La première équation donne \(\beta=\dfrac{1}{6}\). La deuxième donne alors \(-3\alpha=-1-\dfrac{1}{2}\), soit \(\alpha=\dfrac{1}{2}\). La troisième est vérifiée : \(-3-1=-4\). Donc \(\overrightarrow{\text{BH}}=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{\text{BC}}+\dfrac{1}{6}\overrightarrow{\text{BD}}\), ce qui prouve que H appartient au plan (BCD).

b. On a \(\overrightarrow{\text{AH}}\begin{pmatrix}2\\2\\-1\end{pmatrix}\). Alors \(\overrightarrow{\text{AH}}\cdot\overrightarrow{\text{BC}}=0-6+6=0\) et \(\overrightarrow{\text{AH}}\cdot\overrightarrow{\text{BD}}=-12+6+6=0\). Le vecteur \(\overrightarrow{\text{AH}}\) est donc orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (BCD) : il est normal à ce plan. Comme H est dans (BCD), H est le projeté orthogonal de A sur (BCD).

c. La distance de A au plan (BCD) est \(\text{AH}=\sqrt{4+4+1}=\)3.

4. Le même tétraèdre se calcule avec BCD pour base et AH pour hauteur : \(V=\dfrac{1}{3}\times\mathcal{A}_{\text{BCD}}\times\text{AH}\). Donc \(27=\dfrac{1}{3}\times\mathcal{A}_{\text{BCD}}\times3=\mathcal{A}_{\text{BCD}}\), et l'aire du triangle BCD vaut 27 unités d'aire.

À retenir : un tétraèdre peut se « lire » avec n'importe quelle face comme base. En calculant son volume de deux façons (base ABC puis base BCD), on obtient l'aire d'une face sans la calculer directement.

Corrigé de l’exercice 4 : jeu de jetons et variable aléatoire

1. a. Avec 3 jetons blancs et 2 noirs, à chaque tirage \(P(B)=\dfrac{3}{5}\) et \(P(N)=\dfrac{2}{5}\) (tirages avec remise, donc identiques). L'arbre a deux niveaux. Du départ partent deux branches : B de poids \(\dfrac{3}{5}\) et N de poids \(\dfrac{2}{5}\). De chacune partent de nouveau deux branches : B de poids \(\dfrac{3}{5}\) et N de poids \(\dfrac{2}{5}\). Les quatre issues sont BB, BN, NB et NN.

b. On perd 9 euros avec deux jetons blancs : \(P(BB)=\dfrac{3}{5}\times\dfrac{3}{5}=\dfrac{9}{25}\). La probabilité de perdre 9 € sur une partie est \(\dfrac{9}{25}=0{,}36\).

2. a. L'urne contient \(N+3\) jetons. Les gains possibles sont \(-9\), \(-1\) et \(5\). Deux blancs : \(P(X=-9)=\left(\dfrac{3}{N+3}\right)^{2}=\dfrac{9}{(N+3)^{2}}\). Deux noirs : \(P(X=-1)=\dfrac{N^{2}}{(N+3)^{2}}\). Deux couleurs différentes (BN ou NB) : \(P(X=5)=2\times\dfrac{3}{N+3}\times\dfrac{N}{N+3}=\dfrac{6N}{(N+3)^{2}}\). La somme des trois fait bien \(\dfrac{N^{2}+6N+9}{(N+3)^{2}}=1\).

gain \(x_i\) \(-9\) \(-1\) \(5\)
\(P(X=x_i)\) \(\dfrac{9}{(N+3)^{2}}\) \(\dfrac{N^{2}}{(N+3)^{2}}\) \(\dfrac{6N}{(N+3)^{2}}\)

b. Le trinôme \(-x^{2}+30x-81\) a pour discriminant \(30^{2}-4\times(-1)\times(-81)=900-324=576=24^{2}\). Ses racines sont \(x=\dfrac{-30-24}{-2}=27\) et \(x=\dfrac{-30+24}{-2}=3\). Le coefficient de \(x^{2}\) étant négatif, le trinôme est positif entre ses racines : l'ensemble des solutions est \(]3\ ;\ 27[\).

c. L'espérance vaut \(E(X)=\dfrac{-9\times9-1\times N^{2}+5\times6N}{(N+3)^{2}}=\dfrac{-N^{2}+30N-81}{(N+3)^{2}}\). Le jeu est favorable au joueur si \(E(X)\gt0\). Le dénominateur étant positif, cela revient à \(-N^{2}+30N-81\gt0\), donc \(3\lt N\lt27\). \(N\) étant entier, l'urne doit contenir entre 4 et 26 jetons noirs (bornes comprises).

d. On pose \(t=N+3\), donc \(N=t-3\). Alors \(-N^{2}+30N-81=-(t-3)^{2}+30(t-3)-81=-t^{2}+36t-180\), et \(E=-1+\dfrac{36}{t}-\dfrac{180}{t^{2}}\). Avec \(u=\dfrac{1}{t}\), on obtient \(E=-180u^{2}+36u-1\), une parabole tournée vers le bas dont le sommet est en \(u=\dfrac{36}{2\times180}=\dfrac{1}{10}\), donc \(t=10\) et \(N=7\). La valeur maximale est \(E=-1+3{,}6-1{,}8=0{,}8\) euro. Pour vérifier, \(N=6\) donne \(\dfrac{63}{81}\approx0{,}78\) et \(N=8\) donne \(\dfrac{95}{121}\approx0{,}79\), valeurs plus petites. Le joueur doit demander 7 jetons noirs, pour un gain moyen de \(0{,}8\) € par partie.

3. Avec 7 noirs et 3 blancs, la probabilité de gagner 5 euros sur une partie est \(p=\dfrac{6\times7}{10^{2}}=0{,}42\). Les 10 parties sont indépendantes et identiques, avec deux issues (gagner 5 € ou non) : le nombre \(Y\) de joueurs gagnant 5 euros suit la loi binomiale \(\mathcal{B}(10\ ;\ 0{,}42)\). On passe par l'événement contraire : \(P(Y\geqslant1)=1-P(Y=0)=1-(1-0{,}42)^{10}=1-0{,}58^{10}\approx\)0,996. Il est donc presque certain qu'au moins un joueur sur les dix gagne 5 euros.

À retenir : pour une probabilité du type « au moins un », on calcule la probabilité de l'événement contraire « aucun ». Et pour optimiser une espérance qui dépend d'un paramètre, un changement de variable peut ramener le problème à un trinôme.