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Bac de maths 2023 Centres étrangers J1 : corrigé

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Ce corrigé du sujet 1 des centres étrangers (Europe, 21 mars 2023, spécialité mathématiques) te guide dans l'étude d'une fonction logarithme grâce à une fonction auxiliaire dont tu encadres le zéro, puis dans l'analyse d'un salarié qui alterne vélo et transports en commun avec un arbre pondéré, une suite récurrente et sa limite. Tu y trouveras aussi chaque réponse du QCM avec la raison qui la justifie, et, pour le plan de l'espace, la méthode qui mène du vecteur normal à la distance d'un point au plan.

Corrigé de l’exercice 1 : fonction logarithme et position relative de courbes

Partie A

1. On remarque que \(g(x)=\ln\left(x^2\right)+x-2=2\ln x+x-2\). En \(0\), \(\ln x\to-\infty\) et \(x-2\to-2\), donc \(\displaystyle\lim_{x\to 0}g(x)=-\infty\). En \(+\infty\), \(\ln x\to+\infty\) et \(x\to+\infty\), donc \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}g(x)=+\infty\).

2. Pour \(x\gt 0\), \(g'(x)=\dfrac{2}{x}+1\gt 0\). La fonction \(g\) est donc strictement croissante sur \(]0\ ;\ +\infty[\).

3. a. La fonction \(g\) est continue (car dérivable), strictement croissante, et prend toutes les valeurs de \(]-\infty\ ;\ +\infty[\) (ses limites aux bornes). D'après le théorème de la bijection, l'équation \(g(x)=0\) a une unique solution \(\alpha\) dans \(]0\ ;\ +\infty[\).

b. À la calculatrice : \(g(1)=-1\lt 0\) et \(g(2)\approx 1{,}39\gt 0\), donc \(1\lt\alpha\lt 2\). En affinant : \(g(1{,}37)\approx-0{,}0004\lt 0\) et \(g(1{,}38)\approx 0{,}024\gt 0\). Donc \(1{,}37\lt\alpha\lt 1{,}38\).

4. Comme \(g\) est croissante et s'annule en \(\alpha\) : \(g(x)\lt 0\) pour \(x\in]0\ ;\ \alpha[\), \(g(\alpha)=0\), et \(g(x)\gt 0\) pour \(x\in]\alpha\ ;\ +\infty[\).

\(x\) 0 \(\alpha\) \(+\infty\)
Signe de \(g(x)\) \(-\) puis 0 puis \(+\)

Partie B

1. a. On écrit \(f(x)=\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x\). Quand \(x\to 0^+\), \(\dfrac{x-2}{x}\to-\infty\) (numérateur proche de \(-2\), dénominateur positif proche de 0) et \(\ln x\to-\infty\). Le produit de deux limites égales à \(-\infty\) donne \(\displaystyle\lim_{x\to 0}f(x)=+\infty\).

b. La courbe \(\mathcal{C}_f\) admet l'axe des ordonnées (la droite d'équation \(x=0\)) comme asymptote verticale.

2. Quand \(x\to+\infty\), \(\dfrac{x-2}{x}=1-\dfrac{2}{x}\to 1\) et \(\ln x\to+\infty\), donc \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty\).

3. Avec \(f(x)=\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\ln x\), on dérive le produit :

\[f'(x)=\dfrac{2}{x^2}\ln x+\left(1-\dfrac{2}{x}\right)\times\dfrac{1}{x}=\dfrac{2\ln x+x-2}{x^2}=\dfrac{g(x)}{x^2}.\]

On a bien utilisé que \(2\ln x=\ln(x^2)\), donc \(2\ln x+x-2=g(x)\).

4. Comme \(x^2\gt 0\), \(f'(x)\) a le signe de \(g(x)\). La fonction \(f\) est donc strictement décroissante sur \(]0\ ;\ \alpha]\) et strictement croissante sur \([\alpha\ ;\ +\infty[\). Son minimum est atteint en \(\alpha\) ; comme \(\ln\alpha=\dfrac{2-\alpha}{2}\) (car \(g(\alpha)=0\)), on trouve \(f(\alpha)=-\dfrac{(\alpha-2)^2}{2\alpha}\approx-0{,}14\).

Partie C

On étudie le signe de la différence :

\[f(x)-\ln x=\ln x\left(\dfrac{x-2}{x}-1\right)=\ln x\times\dfrac{-2}{x}=-\dfrac{2\ln x}{x}.\]

Comme \(x\gt 0\), cette différence a le signe de \(-\ln x\) : elle est positive pour \(0\lt x\lt 1\), nulle en \(x=1\), négative pour \(x\gt 1\). Conclusion : \(\mathcal{C}_f\) est au-dessus de la courbe du logarithme sur \(]0\ ;\ 1[\), au-dessous sur \(]1\ ;\ +\infty[\), et les deux courbes se coupent au point de coordonnées \((1\ ;\ 0)\).

À retenir : quand la dérivée d'une fonction est de la forme \(\dfrac{g(x)}{x^2}\), son signe est celui d'une fonction auxiliaire \(g\) dont on a étudié le zéro ; pour comparer deux courbes, on étudie le signe de la différence.

Corrigé de l’exercice 2 : vélo ou transports en commun

1. L'énoncé donne \(P_{T_n}(T_{n+1})=0{,}8\) et \(P_{V_n}(V_{n+1})=0{,}4\). On en déduit \(P_{T_n}(V_{n+1})=0{,}2\) et \(P_{V_n}(T_{n+1})=0{,}6\). Sur l'arbre : de \(T_1\) vers \(T_2\) on écrit 0,8, vers \(V_2\) on écrit 0,2 ; de \(T_2\) vers \(T_3\) 0,8 et vers \(V_3\) 0,2 ; de \(V_2\) vers \(T_3\) 0,6 et vers \(V_3\) 0,4.

2. \(T_3\) est atteint par deux chemins :

\[p_3=0{,}8\times 0{,}8+0{,}2\times 0{,}6=0{,}64+0{,}12=0{,}76.\]

3. On cherche \(P_{V_3}(T_2)\). On a \(P(V_3)=1-0{,}76=0{,}24\) et \(P(T_2\cap V_3)=0{,}8\times 0{,}2=0{,}16\). Donc

\[P_{V_3}(T_2)=\dfrac{0{,}16}{0{,}24}=\dfrac{2}{3}.\]

La probabilité qu'il ait pris les transports la veille est \(\dfrac{2}{3}\).

4. L'arbre se complète ainsi : \(V_n\) a la probabilité \(1-p_n\) ; de \(T_n\) vers \(T_{n+1}\) on écrit 0,8 et vers \(V_{n+1}\) 0,2 ; de \(V_n\) vers \(T_{n+1}\) 0,6 et vers \(V_{n+1}\) 0,4.

5. D'après les probabilités totales avec la partition \(\{T_n,V_n\}\) :

\[p_{n+1}=p_n\times 0{,}8+(1-p_n)\times 0{,}6=0{,}8p_n+0{,}6-0{,}6p_n=0{,}2p_n+0{,}6.\]

6. Soit \(\mathcal{P}(n)\) : \(p_n=0{,}75+0{,}25\times 0{,}2^{n-1}\).

Initialisation. Pour \(n=1\) : \(0{,}75+0{,}25\times 0{,}2^0=1=p_1\). La propriété est vraie.

Hérédité. On suppose \(\mathcal{P}(n)\) vraie. Alors

\[p_{n+1}=0{,}2\left(0{,}75+0{,}25\times 0{,}2^{n-1}\right)+0{,}6=0{,}15+0{,}25\times 0{,}2^n+0{,}6=0{,}75+0{,}25\times 0{,}2^{n},\]

qui est \(\mathcal{P}(n+1)\).

Conclusion. \(\mathcal{P}(n)\) est vraie pour tout entier \(n\geqslant 1\).

7. Comme \(-1\lt 0{,}2\lt 1\), \(0{,}2^{n-1}\to 0\), donc \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty}p_n=0{,}75\). Interprétation : sur une longue période, M. Durand utilise les transports en commun environ trois jours sur quatre, quel que soit son choix du premier jour.

À retenir : pour une suite de probabilités qui dépend de la veille, l'arbre donne une relation \(p_{n+1}=ap_n+b\) ; on la démontre par récurrence et la limite se lit dans le terme constant.

Corrigé de l’exercice 3 : QCM

Question 1 : réponse b. On dérive \(F(x)=(x-1)\text{e}^x\) : \(F'(x)=\text{e}^x+(x-1)\text{e}^x=x\text{e}^x=f(x)\). C'est bien une primitive de \(f\). (Pour la réponse c, on obtiendrait \((x+2)\text{e}^x\).)

Question 2 : réponse \(]-\infty\ ;\ -2[\cup]1\ ;\ +\infty[\) (la première des deux propositions notées c). Le logarithme exige \(\dfrac{x-1}{2x+4}\gt 0\). Le numérateur s'annule en 1 et le dénominateur en \(-2\) ; le quotient est positif quand les deux ont le même signe, c'est-à-dire pour \(x\lt-2\) ou \(x\gt 1\).

Question 3 : réponse d. On calcule \(h'(x)=\text{e}^x+(x+1)\text{e}^x=(x+2)\text{e}^x\), puis \(h''(x)=\text{e}^x+(x+2)\text{e}^x=(x+3)\text{e}^x\). Cette dérivée seconde est négative pour \(x\lt-3\) et positive pour \(x\gt-3\) : \(h\) est concave sur \(]-\infty\ ;\ -3]\) et convexe sur \([-3\ ;\ +\infty[\).

Question 4 : réponse b. Si \(u_n\geqslant 3\) pour tout \(n\), en passant à la limite on obtient \(\ell\geqslant 3\). Les autres affirmations sont fausses en général : la suite \(u_n=4+\dfrac{1}{n}\) est minorée par 3, converge vers 4 (donc a n'est pas vraie), est décroissante mais n'est jamais constante (d n'est pas vraie) ; et la suite \(u_n=4+\dfrac{(-1)^n}{n}\) est minorée par 3, converge et n'est pas décroissante (c n'est pas vraie).

Question 5 : réponse d. On calcule : \(w_2=\dfrac{2}{1}=2\), \(w_3=\dfrac{2}{2}=1\), \(w_4=\dfrac{1}{3}\), \(w_5=\dfrac{1}{3\times 4}=\dfrac{1}{12}\). Donc c est fausse. Le rapport \(\dfrac{w_{n+1}}{w_n}=\dfrac{1}{n}\) n'est pas constant : la suite n'est pas géométrique (a fausse). On a \(w_n=\dfrac{2}{(n-1)!}\), qui tend vers 0 : b est fausse et d est vraie.

À retenir : en QCM, vérifie une réponse par un calcul court (dérivée pour une primitive, signe d'un quotient pour un domaine, \(h''\) pour la convexité) ou par un contre-exemple pour écarter les autres.

Corrigé de l’exercice 4 : plan, droite orthogonale et distance

1. On calcule \(\overrightarrow{\text{AB}}\begin{pmatrix}4\\1\\4\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{AC}}\begin{pmatrix}2\\5\\-6\end{pmatrix}\). Ces vecteurs ne sont pas colinéaires (\(\dfrac{4}{2}=2\) mais \(\dfrac{1}{5}\neq 2\)). Donc A, B et C ne sont pas alignés et définissent un plan \(\mathcal{P}\).

2. a. \(\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{\text{AB}}=13\times 4-16\times 1-9\times 4=52-16-36=0\) et \(\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{\text{AC}}=13\times 2-16\times 5-9\times(-6)=26-80+54=0\). Le vecteur \(\overrightarrow{n}\) est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan : il est normal à \(\mathcal{P}\).

b. Une équation de \(\mathcal{P}\) est \(13x-16y-9z+d=0\). Avec A : \(-13+48-18+d=0\), donc \(17+d=0\) et \(d=-17\). L'équation est bien \(13x-16y-9z-17=0\).

3. La droite \(\mathcal{D}\) passe par F et a pour vecteur directeur \(\overrightarrow{n}\) (elle est orthogonale à \(\mathcal{P}\)) :

\[\left\{\begin{array}{rcl}x&=&15+13t\\y&=&-16-16t\\z&=&-8-9t\end{array}\right.\ \text{avec}\ t\in\mathbb{R}.\]

4. On reporte dans l'équation du plan :

\[13(15+13t)-16(-16-16t)-9(-8-9t)-17=506+506t=0\iff t=-1.\]

Pour \(t=-1\) on obtient \((15-13\ ;\ -16+16\ ;\ -8+9)=(2\ ;\ 0\ ;\ 1)\) : E a pour coordonnées \((2\ ;\ 0\ ;\ 1)\).

5. E est le projeté orthogonal de F sur \(\mathcal{P}\), donc la distance cherchée est \(\text{FE}\), avec \(\overrightarrow{\text{FE}}(-13\ ;\ 16\ ;\ 9)\) :

\[\text{FE}=\sqrt{169+256+81}=\sqrt{506}.\]

La distance de F au plan \(\mathcal{P}\) est \(\sqrt{506}\) (environ 22,5).

6. Un point \(M(t)\) de \(\mathcal{D}\) est à la distance \(|t+1|\times\|\overrightarrow{n}\|=|t+1|\sqrt{506}\) du plan (car F correspond à \(t=0\) et E à \(t=-1\)). On veut \(|t+1|\sqrt{506}=\dfrac{\sqrt{506}}{2}\), donc \(|t+1|=\dfrac{1}{2}\), soit \(t=-\dfrac{1}{2}\) ou \(t=-\dfrac{3}{2}\).

Pour \(t=-\dfrac{1}{2}\) : \(\left(15-\dfrac{13}{2}\ ;\ -16+8\ ;\ -8+\dfrac{9}{2}\right)=\left(\dfrac{17}{2}\ ;\ -8\ ;\ -\dfrac{7}{2}\right)\).

Pour \(t=-\dfrac{3}{2}\) : \(\left(15-\dfrac{39}{2}\ ;\ -16+24\ ;\ -8+\dfrac{27}{2}\right)=\left(-\dfrac{9}{2}\ ;\ 8\ ;\ \dfrac{11}{2}\right)\).

Il y a deux points : \(\left(\dfrac{17}{2}\ ;\ -8\ ;\ -\dfrac{7}{2}\right)\) (du même côté du plan que F) et \(\left(-\dfrac{9}{2}\ ;\ 8\ ;\ \dfrac{11}{2}\right)\) (de l'autre côté).

À retenir : la droite perpendiculaire à un plan donne directement la distance au plan : le paramètre mesure l'écart à la projection, multiplié par la norme du vecteur normal.