Annales Bac · Spécialité mathématiques › 2021

2021Bac spé maths · Centres étrangers · Jour 2

Épreuve écrite de spécialité mathématiques, série générale · 10 juin 2021

10 juin 2021Durée : 4 heures20 points5 exercices
Fiche « Démonstration par récurrence »Fiche « Dérivée seconde et convexité »Fiche « Équation cartésienne d'un plan »Fiche « Loi binomiale »Couverture des fiches magiques Terminale spé maths

40 fiches · tout le programme

📒 Les fiches magiques

Exercice 1 (5 pts)

Commun à tous les candidats

Cet exercice est un questionnaire à choix multiples.

Pour chacune des cinq questions, quatre réponses sont proposées; une seule de ces réponses est exacte.

Indiquer sur la copie le numéro de la question et recopier la réponse exacte sans justifier le choix effectué.

Barème : une bonne réponse rapporte un point. Une réponse inexacte ou une absence de réponse n'apporte ni n'enlève aucun point.

Question 1 :

On considère la fonction \(g\) définie sur \(]0~;~+\infty[\) par \(g(x)= x^2+ 2x - \dfrac{3}{x}\).

Une équation de la tangente à la courbe représentative de \(g\) au point d'abscisse 1 est:

a.   \(y=7(x - 1)\)b.   \(y = x - 1\)c.   \(y = 7x + 7\)d.  \(y = x +1\)

Question 2 :

On considère la suite \(\left(v_n\right)\) définie sur \(\mathbb{N}\) par \(v_n = \dfrac{3n}{n + 2}\). On cherche à déterminer la limite de \(v_n\) lorsque \(n\) tend vers \(+\infty\).

a.  \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty}v_n = 1\)b.   \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty}v_n = 3\)c.   \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty}v_n = \dfrac{3}{2}\)d.   On ne peut pas la déterminer

Question 3 : Dans une urne il y a 6 boules noires et 4 boules rouges. On effectue successivement 10 tirages aléatoires avec remise. Quelle est la probabilité (à \(10^{-4}\) près) d'avoir 4 boules noires et 6 boules rouges?

a.  0,1662b.   0,4c.   0,1115d.   0,8886

Question 4 :

On considère la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x) = 3\mathrm{e}^x - x\).

a.  \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} f(x) = 3\)b.  \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} f(x) = +\infty\)c.   \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} f(x) = -\infty\)d.   On ne peut pas déterminer la limite de la fonction \(f\) lorsque \(x\) tend vers \(+\infty\)

Question 5 :

Un code inconnu est constitué de 8 signes.

Chaque signe peut être une lettre ou un chiffre. Il y a donc 36 signes utilisables pour chacune des positions.

Un logiciel de cassage de code teste environ cent millions de codes par seconde. En combien de temps au maximum le logiciel peut-il découvrir le code ?

a.   environ 0,3 secondeb.  environ 8 heuresc.  environ 3 heuresd.  environ 470 heures
Voir le corrigé de l'exercice 1

Commun à tous les candidats

Question 1 :

On considère la fonction \(g\) définie sur \(]0~;~+\infty[\) par \(g(x)= x^2+ 2x - \dfrac{3}{x}\).

Si \(T\) est la tangente à la courbe représentative de \(g\) au point d'abscisse 1, on sait que :

\(M(x~;~y) \in T \iff y - g(1) = g'(1)(x - 1)\).

★ \(g\) est dérivable sur \(]0~;~+\infty[\) et sur cet intervalle : \(g'(x) = 2x + 2 + \dfrac{3}{x^2}\)

On a donc \(g'(1) = 2 + 2 + \dfrac{3}{1} = 7\) ;

★ D'autre part \(g(1) = 1^2 + 2 \times 1 - \dfrac{3}{1} = 0\).

On a donc : \(M(x~;~y) \in T \iff y - 0 = 7(x - 1) \iff y = 7x - 7\). Réponse a.

Question 2 :

Pour \(n\) assez grand, on a \(n \ne 0\), donc \(v_n = \dfrac{3}{1 + \frac{2}{n}}\)

Comme \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty} \dfrac{3}{n} = 0\), on a \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty} = 3\). Réponse b.

Question 3 :

Si \(X\) est la variable aléatoire correspondant au nombre de boules noires tirées, l'expérience correspond à une loi de Bernoulli et \(X\) suit une loi binomiale de paramètres \(n = 10\) et \(p = 0{,}6\).

On sait que \(p(X = 4) = \binom{10}{4} \times 0{,}6^4 \times \left(1 - 0{,}4^6\right) \approx 0{,}11147 \approx 0{,}1115\) à \(10^{-4}\) près. Réponse c.  

Question 4 :

On a pour \(x \ne 0\),   \(f(x) = x\left(3\dfrac{\mathrm{e}^x}{x} - 1\right)\).

Or on sait que \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\text{e}^x}{x} = + \infty\), donc \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\text{e}^x}{x} - 1 = + \infty\) et par produit de limites

\(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} f(x) = + \infty\) Réponse b.

Question 5 :

Le nombre de codes différents est donc \(36^8 = 2\,821\,109\,907\,456\).

Il faut donc \(\dfrac{2\,821\,109\,907\,456}{10^8} \approx 28\,211\) (s) ou \(\approx 478{,}2\) (min) ou \(\approx 7{,}8\) (h). Réponse b.

Exercice 2 (5 pts)

Commun à tous les candidats

Au 1er janvier 2020, la centrale solaire de Big Sun possédait 10 560 panneaux solaires.

On observe, chaque année, que 2 % des panneaux se sont détériorés et nécessitent d'être retirés tandis que 250 nouveaux panneaux solaires sont installés.

Partie A - Modélisation à l'aide d'une suite

On modélise l'évolution du nombre de panneaux solaires par la suite \(\left(u_n\right)\) définie par \(u_0 = 10\,560\) et, pour tout entier naturel \(n\),  \(u_{n+1} = 0{,}98u_n +250\), où \(u_n\) est le nombre de panneaux solaires au 1er janvier de l'année \(2020 +n\).

    1. Expliquer en quoi cette modélisation correspond à la situation étudiée.

    2. On souhaite savoir au bout de combien d'années le nombre de panneaux solaires sera strictement supérieur à 12 000.

      À l'aide de la calculatrice, donner la réponse à ce problème.

    3. Recopier et compléter le programme en Python ci-dessous de sorte que la valeur cherchée à la question précédente soit stockée dans la variable n à l'issue de l'exécution de ce dernier.

      u \(= 10\,560\)
      n\(=0\)
      while … … :
      u \(= \ldots \ldots\)
      n \(= \ldots \ldots\)
  1. Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel \(n\), on a \(u_n \leqslant 12\,500\).

  2. Démontrer que la suite \(\left(u_n\right)\) est croissante.

  3. En déduire que la suite \(\left(u_n\right)\) converge. Il n'est pas demandé, ici, de calculer sa limite.

  4. On définit la suite \(\left(v_n\right)\) par \(v_n = u_n - 12\,500\), pour tout entier naturel \(n\).

    1. Démontrer que la suite \(\left(v_n\right)\) est une suite géométrique de raison \(0{,}98\) dont on précisera le premier terme.

    2. Exprimer, pour tout entier naturel \(n\),  \(v_n\) en fonction de \(n\).

    3. En déduire, pour tout entier naturel \(n\),  \(u_n\) en fonction de \(n\).

    4. Déterminer la limite de la suite \(\left(u_n\right)\).

      Interpréter ce résultat dans le contexte du modèle.

Partie B - Modélisation à l'aide d'une fonction

Une modélisation plus précise a permis d'estimer le nombre de panneaux solaires de la centrale à l'aide de la fonction \(f\) définie pour tout \(x \in [0~;~ +\infty[\) par

\[f(x) = 12\,500 - 500 \mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4},\]

où \(x\) représente le nombre d'années écoulées depuis le 1er janvier 2020.

  1. Étudier le sens de variation de la fonction \(f\).

  2. Déterminer la limite de la fonction \(f\) en \(+\infty\).

  3. En utilisant ce modèle, déterminer au bout de combien d'années le nombre de panneaux solaires dépassera 12 000.

Voir le corrigé de l'exercice 2

Commun à tous les candidats

Partie A - Modélisation à l'aide d'une suite

    1. Retrancher 2 % c'est multiplier par \(1 - \dfrac{2}{100} = 1 - 0{,}02 = 0{,}98\).

      D'une année sur l'autre on multiplie le nombre de panneaux par 0,98 puis on augment de nombre de panneaux de 250.

    2. Avec la calculatrice il suffit de taper 10 560 Entrée puis \(\times 0{,}98 + 50\).

      Entrée donne \(u_1 \approx 10\,599\), les appuis successifs de Entrée donnent \(u_2\),   \(u_3\), etc.

      On obtient \(u_{68} \approx 12\,009\).

      le nombre de panneaux dépassera 12 000 au bout de 68 ans soit en 2088.

    3. Recopier et compléter le programme en Python ci-dessous de sorte que la valeur cherchée à la question précédente soit stockée dans la variable n à l'issue de l'exécution de ce dernier.

      u \(= 10\,560\)
      n\(=0\)
      while u \(\leqslant 12\,000\) :
      u \(= 0{,}98*\text{u} + 250\)
      n \(= \text{n} + 1\)
  1. Initialisation : \(u_0 = 10\,560 \leqslant 12\,500\) : la proposition est vraie au rang 0.

    Hérédité : soit \(n \in \mathbb{N}\) tel que \(u_n \leqslant 12\,500\) soit en multipliant par 0,98 :

    \(0{,}98u_n \leqslant 0{,}98 \times 12\,500\) et en ajoutant 250 à chaque membre :

    \(0{,}98u_n + 250 \leqslant 0{,}98 \times 12\,500 + 250\) ou \(u_{n+1} \leqslant 12\,250 + 250\) et finalement

    \(u_{n+1} \leqslant 12\,500\) : la proposition est vraie au rang \(n + 1\).

    La proposition est vraie au rang 0 et si elle est vraie au rang \(n \in \mathbb{N}\) elle est vraie au rang \(n + 1\) : d'après le principe de la récurrence la proposition \(u_n \leqslant 12\,500\) est vraie pour tout naturel \(n \in \mathbb{N}\).

  2. On a pour \(n \in \mathbb{N}\),   \(u_{n+1} - u_n = 0{,}98u_n + 250 - u_n = 250 - 0{,}02u_n\).

    Or d'après le résultat précédent :

    \(u_n \leqslant 12\,500 \Rightarrow 0{,}02u_n \leqslant 0{,}02 \times 12\,500\) ou encore \(0{,}02u_n \leqslant 250\) ou en ajoutant à chaque membre \(- 0{,}02u_n\) :

    \(0 \leqslant 250 - 0{,}02u_n\) ; on a donc démontré que \(u_{n+1} - u_n \geqslant 0\), ce qui signifie que la suite \(\left(u_n\right)\) est croissante.

  3. La suite \(\left(u_n\right)\) est croissante et majorée par 12 500 : elle est donc convergente vers une limite \(\ell\), telle que \(\ell \leqslant 12\,500\).

    1. Quel que soit \(n \in \mathbb{N}\),   \(v_{n+1} = u_{n+1} - 12\,500 = 0{,}98u_n + 250 - 12\,500\), soit

      \(v_{n+1}  = 0{,}98u_n - 12\,250 = 0{,}98u_n - 12\,250\times \frac{0,98}{0,98} = 0{,}98u_n - 12\,500 \times 0{,}98 = 0{,}98\left(u_n - 12\,500\right)\) soit enfin \(v_{n+1} = 0{,}98v_n\) : cette relation vraie quel que soit \(n \in \mathbb{N}\) montre que la suite \(\left(v_n\right)\) est une suite géométrique de raison \(0{,}98\) de premier terme \(v_0 = u_0 - 12\,500 = 10\,560 - 12\,500 = - 1940\).

    2. On sait qu'alors quel que soit \(n \in \mathbb{N}\),   \(v_n = v_0 \times 0{,}98^n\), soit \(v_n = - 1940 \times 0{,}98^n\).

    3. Pour tout entier naturel \(n\), \(v_n = u_n - 12\,500 \iff u_n = v_n + 12\,500 =\)

      \(12\,500 - 1940 \times 0{,}98^n\).

    4. Comme \(0 < 0{,}98 < 1\), on sait que \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty} 0{,}98^n = 0\), donc

      \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty} u_n = 12\,500\)

      le nombre de panneaux va tendre vers 12 500.

Partie B - Modélisation à l'aide d'une fonction

  1. La fonction \(f\) est une somme de fonctions dérivables sur \([0~;~ +\infty[\) et sur cet intervalle :

    \(f'(x) = - 0{,}02 \times (- 500)\mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4} = 10\mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4}\).

    Comme la fonction exponentielle est strictement positive, on en déduit que \(f'(x) > 0\) : la fonction est donc strictement croissante sur \([0~;~ +\infty[\)

  2. On sait que \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty} \mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4} = 0\), donc \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty} 500 \mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4} = 0\) et \(\displaystyle\lim_{n \to + \infty} f(x) = 12\,500\).

  3. Il faut résoudre l'inéquation :

    \(12\,500 - 500 \mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4} > 12\,000 \iff 500 > 500\mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4} \iff 1 >\mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4} \iff \mathrm{e}^0 \geqslant \mathrm{e}^{-0{,}02x+1{,}4}\), soit par croissance de la fonction exponentielle :

    \(0 > - 0{,}02x + 1{,}4 \iff 0{,}02x > 1{,}4\) et en multipliant chaque membre par 50 :

    \(x > 70\) : il faut donc attendre 71 ans pour que le nombre de panneaux dépasse 12 000, soit en 2091.

Exercice 3 (5 pts)

Commun à tous les candidats

ABCDEFGH est un cube. I est le centre de la face ADHE et J est un point du segment [CG].

Il existe donc \(a \in [0~;~1]\) tel que \(\overrightarrow{\text{CJ}} =a \overrightarrow{\text{CG}}\).

On note \((d)\) la droite passant par I et parallèle à (FJ).

On note K et L les points d'intersection de la droite \((d)\) et des droites (AE) et (DH).

On se place dans le repère \(\left(\text{A}~;~\overrightarrow{\text{AB}},\,\overrightarrow{\text{AD}},\, \overrightarrow{\text{AE}}\right)\).

Partie A : Dans cette partie \(a = \dfrac{2}{3}\)

Figure de l'exercice 3
  1. Donner les coordonnées des points F, I et J.

  2. Déterminer une représentation paramétrique de la droite \((d)\).

    1. Montrer que le point de coordonnées \(\left(0~;~ 0~;~\dfrac{2}{3}\right)\) est le point K.

    2. Déterminer les coordonnées du point L, intersection des droites \((d)\) et (DH).

    1. Démontrer que le quadrilatère FJLK est un parallélogramme.

    2. Démontrer que le quadrilatère FJLK est un losange.

    3. Le quadrilatère FJLK est-il un carré ?

Partie B : Cas général

On admet que les coordonnées des points K et L sont : K\(\left(0~;~0~;~1- \dfrac{a}{2}\right)\) et L\(\left(0~;~1~;~\dfrac{a}{2}\right)\).

On rappelle que \(a \in [0~;~1]\).

  1. Déterminer les coordonnées de J en fonction de \(a\).

  2. Montrer que le quadrilatère FJLK est un parallélogramme.

  3. Existe-t-il des valeurs de \(a\) telles que le quadrilatère FJLK soit un losange ? Justifier.

  4. Existe-t-il des valeurs de \(a\) telles que le quadrilatère FJLK soit un carré ? Justifier.

Voir le corrigé de l'exercice 3

Commun à tous les candidats

ABCDEFGH est un cube. I est le centre de la face ADHE et J est un point du segment [CG].

Il existe donc \(a \in [0~;~1]\) tel que \(\overrightarrow{\text{CJ}} =a \overrightarrow{\text{CG}}\).

On note \((d)\) la droite passant par I et parallèle à (FJ).

On note K et L les points d'intersection de la droite \((d)\) et des droites (AE) et (DH).

On se place dans le repère \(\left(\text{A}~;~\overrightarrow{\text{AB}},\,\overrightarrow{\text{AD}},\, \overrightarrow{\text{AE}}\right)\).

Partie A : Dans cette partie \(a = \dfrac{2}{3}\)

Figure du corrigé de l'exercice 3
  1. Dans le repère \(\left(\text{A}~;~\overrightarrow{\text{AB}},\,\overrightarrow{\text{AD}},\, \overrightarrow{\text{AE}}\right)\),   F(1 ; 0 ; 1),   I milieu de [AH] et de de [DE], donc I\(\left(0~;~\frac{1}{2}~;~\frac{1}{2}\right)\) et J\(\left(1~;~1~;~\frac{2}{3}\right)\)

  2. On a \(M(x~;~y~;~z) \in (d) \iff \text{il existe } t \in \mathbb{R},\, \text{tel que}\, \overrightarrow{\text{I}M} = t\overrightarrow{\text{FJ}}\).

    Avec \(\overrightarrow{\text{I}M}\begin{pmatrix}x - 0\\y - \frac{1}{2}\\z - \frac{1}{2}\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{FJ}}\begin{pmatrix}0\\1\\-\frac{1}{3}\end{pmatrix}\), on a donc

    \(M(x~;~y~;~z) \in (d) \iff \left\{\begin{array}{l c l} x&=&t \times 0\\ y - \frac{1}{2}&=&t \times 1\\ z - \frac{1}{2}&=&t \times \left( -\frac{1}{3}\right) \end{array}\right. \iff \left\{\begin{array}{l c l} x&=&0\\ y &=&\frac{1}{2} + t \\ z &=&\frac{1}{2} -\frac{t}{3} \end{array}\right.\, t \in \mathbb{R}\).

    1. Le point K est le point de \((d)\) d'ordonnée nulle, soit \(t + \frac{1}{2} = 0 \iff t = - \frac{1}{2}\). Sa cote est donc \(z = \frac{1}{2} - \frac{- \frac{1}{2}}{3} = - \frac{1}{2} + \frac{1}{6} = \frac{3}{6} + \frac{1}{6} = \frac{4}{6} = \frac{2}{3}\).

      Donc K\(\left(0~;~ 0~;~\dfrac{2}{3}\right)\).

    2. Tous les points de (DH) ont une ordonnée égale à 1.

      Or un point de \((d)\) a une ordonnée égale à \(\frac{1}{2} + t = 1 \iff t = \frac{1}{2}\).

      Enfin L a une cote égale à \(z = \frac{1}{2} - \frac{t}{3} = \frac{1}{2} - \frac{1}{6} = \frac{3}{6} - \frac{1}{6} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}\).

      L\(\left(0~;~1~;~ \frac{1}{3}\right)\).

    1. Le milieu de [FL] a pour coordonnées \(\left(\dfrac{1 + 0}{2}~;~\dfrac{0 + 1}{2}~;~\dfrac{1 + \frac{1}{3}}{2} \right)\), soit \(\left(\dfrac{1}{2}~;~\dfrac{1}{2}~;~\dfrac{2}{3} \right)\).

      Le milieu de [JK] a pour coordonnées \(\left(\dfrac{0 + 1}{2}~;~\dfrac{1 + 0}{2}~;~\dfrac{\frac{2}{3} + \frac{2}{3}}{2} \right)\), soit \(\left(\dfrac{1}{2}~;~\dfrac{1}{2}~;~\dfrac{2}{3} \right)\).

      Conclusion : les diagonales de FJLK ont le même milieu : FJLK est un parallélogramme.

    2. On a \(\overrightarrow{\text{FL}}\begin{pmatrix}-1\\1\\- \dfrac{2}{3}\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{JK}}\begin{pmatrix}-1\\-1\\ 0\end{pmatrix}\).

      Donc \(\overrightarrow{\text{FL}} \cdot \overrightarrow{\text{JK}} = 1 - 1 + 0 = 0\) : les vecteurs sont orthogonaux, les diagonales du parallélogramme sont perpendiculaires, don FJLK est un losange.

    3. On a \(\overrightarrow{\text{KF}}\begin{pmatrix}1\\0\\\dfrac{1}{3}\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{FJ}}\begin{pmatrix}0\\1\\-\dfrac{1}{3}\end{pmatrix}\), donc \(\overrightarrow{\text{KF}} \cdot \overrightarrow{\text{FJ}} = 0 + 0 - \dfrac{1}{9} \ne 0\) : les vecteurs ne sont pas orthogonaux, donc les côtés consécutifs [KF] et [FJ] ne sont pas perpendiculaires, donc FJLK n'est pas un rectangle, donc pas un carré.

Partie B : Cas général

On admet que les coordonnées des points K et L sont : K\(\left(0~;~0~;~1- \dfrac{a}{2}\right)\) et L\(\left(0~;~1~;~\dfrac{a}{2}\right)\).

On rappelle que \(a \in [0~;~1]\).

  1. On sait que J est défini par \(\overrightarrow{\text{CJ}} = a \overrightarrow{\text{CG}}\).

    On a avec G(1 ; 1 ; 1),   \(\overrightarrow{\text{CG}}\begin{pmatrix}0\\0\\ 1\end{pmatrix}\); donc \(a \overrightarrow{\text{CG}}\begin{pmatrix}0\\0\\a\end{pmatrix}\), donc \(\overrightarrow{\text{CJ}}\begin{pmatrix}0\\0\\a\end{pmatrix}\) et comme C a pour coordonnées (1 ; 1 ; 0), on en déduit que J a pour coordonnées \((1~;~1~;~a)\).

  2. On a \(\overrightarrow{\text{FJ}}\begin{pmatrix}0\\1\\a - 1\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{KL}}\begin{pmatrix}0\\1\\a - 1\end{pmatrix}\).

    Donc \(\overrightarrow{\text{FJ}} = \overrightarrow{\text{KL}} \iff\) FJLK est un parallélogramme.

  3. On a \(\overrightarrow{\text{FL}}\begin{pmatrix}-1\\1\\\dfrac{a}{2} - 1\end{pmatrix}\) et \(\overrightarrow{\text{JK}}\begin{pmatrix}- 1\\-1\\1 - \dfrac{3a}{2} \end{pmatrix}\).

    Donc \(\overrightarrow{\text{FL}} \cdot \overrightarrow{\text{JK}} = 1 - 1 + \left(\dfrac{a}{2} - 1 \right)\left(1 - \dfrac{3a}{2} \right) = \left(\dfrac{a}{2} - 1 \right)\left(1 - \dfrac{3a}{2} \right)\).

    On a \(\overrightarrow{\text{FL}} \cdot \overrightarrow{\text{JK}} = 0 \iff \left\{\begin{array}{l c l} \dfrac{a}{2} - 1 &=&0\\ &\text{ou}&\\ 1 - \dfrac{3a}{2}&=&0 \end{array}\right. \iff \left\{\begin{array}{l c l} \dfrac{a}{2} &=&1\\ &\text{ou}&\\ 1 &=&\dfrac{3a}{2} \end{array}\right. \iff \left\{\begin{array}{l c l} a&=&2\\ &\text{ou}&\\ \dfrac{2}{3}&=&a \end{array}\right.\)

    La seule solution de l'intervalle [0 ; 1] est \(\dfrac{2}{3}\), la valeur particulière de la partie A.

    Dans ce cas le produit scalaires étant nul, les vecteurs sont orthogonaux, donc les droites sont particulières : les diagonales du parallélogramme étant perpendiculaires, le quadrilatère FJLK est un losange.

  4. On a vu dans la question précédente que seule la valeur \(\dfrac{2}{3}\) de \(a\) donnait un losange FJLK et dans la question 4. c. on a vu qu'alors le losange n'était pas un carré.

Exercice A (5 pts)

Partie A :

Dans un pays, une maladie touche la population avec une probabilité de \(0{,}05\).

On possède un test de dépistage de cette maladie.

On considère un échantillon de \(n\) personnes (\(n \geqslant 20\)) prises au hasard dans la population assimilé à un tirage avec remise.

On teste l'échantillon suivant cette méthode : on mélange le sang de ces \(n\) individus, on teste le mélange.

Si le test est positif, on effectue une analyse individuelle de chaque personne.

Soit \(X_n\) la variable aléatoire qui donne le nombre d'analyses effectuées.

  1. Montrer \(X_n\) prend les valeurs 1 et \((n + 1)\).

  2. Prouver que \(P\left(X_n = 1\right) = 0{,}95^n\).

    Établir la loi de \(X_n\) en recopiant sur la copie et en complétant le tableau suivant:

    \(x_i\)1\(n + 1\)
    \(P\left(X_n = x_i\right)\)
  3. Que représente l'espérance de \(X_n\) dans le cadre de l'expérience ?

    Montrer que \(E\left(X_n\right) =n + 1 - n \times 0{,}95^n\).

Partie B :

  1. On considère la fonction \(f\) définie sur \([20~;~ +\infty[\) par \(f(x) = \ln (x) + x \ln (0{,}95)\).

    Montrer que \(f\) est décroissante sur \([20~;~ +\infty[\).

  2. On rappelle que \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\ln x}{x} = 0\). Montrer que \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} f(x) = - \infty\).

  3. Montrer que \(f(x) = 0\) admet une unique solution \(a\) sur \([20~;~ +\infty[\).

    Donner un encadrement à 0,1 près de cette solution.

  4. En déduire le signe de \(f\) sur \([20~;~ +\infty[\).

Partie C :

On cherche à comparer deux types de dépistages.

La première méthode est décrite dans la partie A, la seconde, plus classique, consiste à tester tous les individus.

La première méthode permet de diminuer le nombre d'analyses dès que \(E\left(X_n\right) < n\).

En utilisant la partie B, montrer que la première méthode diminue le nombre d'analyses pour des échantillons comportant \(87\) personnes maximum.

Voir le corrigé de l'exercice A

Partie A :

  1. ★ Si le test est négatif on aura fait un test : \(X_n = 1\) ;

    ★  Si le test est positif il faudra faire le test des \(n\) personnes plus le test global : \(X_n = 1 + n\).

  2. \(P\left(X_n = 1\right)\) est la probabilité que l'on ne fasse qu'un test : le test des \(n\) personnes et que celui-ci soit négatif donc que les \(n\) personnes ne soient pas malades.

    La probabilité qu'une personne soit malade est égale à 0,05, donc qu'une personne soit saine \(1 - 0{,}05 = 0{,}95\) et donc que \(n\) personnes soient saines est égale à \(0{,}95^n\). Donc \(P\left(X_n = 1\right) = 0{,}95^n\).

    On a donc \(P\left(X_n = n + 1\right) = 1 - 0{,}95^n\)

    \(x_i\)1\(n + 1\)
    \(P\left(X_n = x_i\right)\)\(0{,}95^n\)\(1 - 0{,}95^n\)
  3. On a \(E\left(X_n\right) = 1 \times 0{,}95^n + (n + 1) \times \left(1 - 0{,}95^n \right) = 0{,}95^n + (n + 1) -0{,}95^n(n + 1) = 0{,}95^n + n + 1 - n \times 0{,}95^n - 0{,}95^n = n + 1 - n \times 0{,}95^n\).

    Cette espérance représente le nombre moyen d'analyses à effectuer pour un échantillon \(n\) personnes : cette espérance est voisine de \(n\).

Partie B :

  1. \(f(x) = \ln (x) + x \ln (0{,}95)\).

    \(f\) est une somme de fonctions dérivables sur \([20~;~ +\infty[\) et sur cet intervalle :

    \(f'(x) = \dfrac{1}{x} + \ln (0{,}95)\).

    Or \(20 \leqslant x \Rightarrow \dfrac{1}{x} \leqslant \dfrac{1}{20} \Rightarrow \dfrac{1}{x} + \ln 0{,}95\leqslant \dfrac{1}{20} + \ln 0{,}95\).

    Or \(\dfrac{1}{20} + \ln 0{,}95 \approx - 0{,}001\) ; il en résulte que \(f'(x) \leqslant 0\) : la fonction \(f\) est décroissante sur \([20~;~ +\infty[\).

  2. On rappelle que \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\ln x}{x} = 0\).

    On a puisque \(x \ne 0\),   \(f(x) = x\left(\dfrac{\ln x}{x} + \ln 0{,}95 \right)\).

    Puisque \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\ln x}{x} = 0\), alors \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\ln x}{x} + \ln 0{,}95 = \ln 0{,}95 < 0\).

    Finalement par produit de limites puisque \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} x = + \infty\) et que \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty} \dfrac{\ln x}{x} + \ln 0{,}95 = 0{,}95 < 0\), on a

    \(\displaystyle\lim_{x \to + \infty}f(x) = - \infty\).

  3. La question précédente montre que \(f\) est décroissante de \(f(20) = \ln 20 + 20\ln 0{,}95 \approx 1{,}97\) à moins l'infini.

    \(f\) est continue car dérivable sur \([20~;~ +\infty[\) et prend ses valeurs dans les l'intervalle \(]- \infty~;~f(20)]\)  avec \(f(20) \approx 1{,}97\).

    Comme \(0 \in ]- \infty~;~f(20)]\), et que \(f\) est décroissante sur cet intervalle il existe donc un réel unique \(\alpha\) tel que \(f(\alpha) = 0\).

    La calculatrice donne \(f(87{,}0) \approx 0{,}003\) et \(f(87{,}1) \approx -0{,}0005\), donc \(87{,}0 < \alpha 87{,}1\).

  4. D'après la question précédente :

    \(f(x) > 0\) sur \([20~;~\alpha[\) et \(f(x) < 0\) sur \(]\alpha~;~+ \infty[\).

Partie C :

On a \(E\left(X_n\right) < n \iff n + 1 - n \times 0{,}95^n < n \iff 1 < n \times 0{,}95^n\) ou en prenant le logarithme népérien \(0 < \ln n + \ln \left(0{,}95^n\right) \iff 0 < \ln n + n \ln 0{,}95 \iff 0 < f(n) \iff f(n) > 0\).

Or on a vu à la fin de la partie B que la fonction \(f\) est positive sur l'intervalle [20 ; 87].

Conclusion : tester toutes les personnes conduira à moins d'analyses qu'avec la méthode 1 avec des échantillons de 20 à 87 personnes au maximum. Au delà il vaut mieux utiliser la première méthode.

Exercice B (5 pts)

Partie A : Détermination d'une fonction \(f\) et résolution d'une équation différentielle

On considère la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par :

\[f(x) = \mathrm{e}^x+ ax + b\mathrm{e}^{-x}\]

où \(a\) et \(b\) sont des nombres réels que l'on propose de déterminer dans cette partie.

Dans le plan muni d'un repère d'origine O, on a représenté ci-dessous la courbe \(\mathcal{C}\), représentant la fonction \(f\), et la tangente \((T)\) à la courbe \(\mathcal{C}\) au point d'abscisse \(0\).

Figure de l'exercice B
  1. Par lecture graphique, donner les valeurs de \(f(0)\) et de \(f'(0)\).

  2. En utilisant l'expression de la fonction \(f\), exprimer \(f(0)\) en fonction de \(b\) et en déduire la valeur de \(b\).

  3. On admet que la fonction \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et on note \(f'\) sa fonction dérivée.

    1. Donner, pour tout réel \(x\), l'expression de \(f'(x)\).

    2. Exprimer \(f'(0)\) en fonction de \(a\).

    3. En utilisant les questions précédentes, déterminer \(a\), puis en déduire l'expression de \(f(x)\).

  4. On considère l'équation différentielle :

    \[(E):\quad y' +y =2\mathrm{e}^x - x - 1\]
    1. Vérifier que la fonction \(g\) définie sur \(\mathbb{R}\) par :

      \[g(x) = \mathrm{e}^x - x + 2\mathrm{e}^{-x}.\]

      est solution de l'équation \((E)\).

    2. Résoudre l'équation différentielle \(y' + y = 0\).

    3. En déduire toutes les solutions de l'équation \((E)\).

Partie B : Étude de la fonction \(g\) sur \([1~;~+\infty[\)

  1. Vérifier que pour tout réel \(x\), on a :

    \[\mathrm{e}^{2x} - \mathrm{e}^x - 2 = \left(\mathrm{e}^x - 2\right)\left(\mathrm{e}^x + 1\right)\]
  2. En déduire une expression factorisée de \(g'(x)\), pour tout réel \(x\).

  3. On admettra que, pour tout \(x \in [1~;~ +\infty[\),  \(\mathrm{e}^x - 2 > 0\).

    Étudier le sens de variation de la fonction \(g\) sur \([1~;~ +\infty[\).

Voir le corrigé de l'exercice B

Partie A : Détermination d'une fonction \(f\) et résolution d'une équation différentielle

\[f(x) = \mathrm{e}^x+ ax + b\mathrm{e}^{-x}\]
Figure du corrigé de l'exercice B
  1. ★ \(f(0) \approx 3\) ;

    ★ \(f'(0) \approx - 2\) (coefficient directeur de la tangente)

  2. On a \(f(0) = 1 + b\). Or \(1 + b = 3 \iff b = 2\).

  3. On admet que la fonction \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et on note \(f'\) sa fonction dérivée.

    1. Sur \(\mathbb{R}\),   \(f'(x) = \mathrm{e}^x + a - b\mathrm{e}^{-x} = \mathrm{e}^x + a - 2\mathrm{e}^{-x}\).

    2. Donc \(f'(0) = 1 + a - 2 = a - 1\).

    3. On a vu que \(f'(0) = - 2 = a - 1 \iff a = - 1\), donc finalement :

      \[f(x) = \mathrm{e}^x - x + 2\mathrm{e}^{-x}\]
  4. \[(E) : \quad y' + y = 2\mathrm{e}^x - x - 1\]
    1. \[g(x) = \mathrm{e}^x - x + 2\mathrm{e}^{-x}.\]

      \(g\) étant une somme de fonctions dérivables sur \(\mathbb{R}\), on a sur cet intervalle :

      \(g'(x) = \mathrm{e}^x - 1 - 2\mathrm{e}^{-x}\), soit en remplaçant dans l'équation \((E)\) :

      \(\mathrm{e}^x - 1 - 2\mathrm{e}^{-x} + \mathrm{e}^x - x + 2\mathrm{e}^{-x} = 2\mathrm{e}^x - x - 1\) égalité vraie : \(g\) est donc une solution de l'équation différentielle \((E)\).

    2. \(y' + y = 0 \iff y' = - y\) : on sait que les solutions de cette équation différentielle sont les fonctions définies par :

      \[x \longmapsto f(x) = K \mathrm{e}^{- x},\, \text{avec } K \in \mathbb{R}.\]
    3. D'après les questions précédentes les solutions de l'équation \((E)\) sont les fonctions définies que \(\mathbb{R}\) par :

      \[x \longmapsto \mathrm{e}^x - x + 2\mathrm{e}^{-x} + K \mathrm{e}^{- x},\, \text{avec } K \in \mathbb{R}.\]

Partie B : Étude de la fonction \(g\) sur \([1~;~+\infty[\)

  1. En posant \(X = \mathrm{e}^x\), on a \(X^2 - X - 2\) et ce trinôme a deux solutions évidentes \(2\) et \(- 1\).

    \(X^2 - X - 2 = (X - 2)(X + 1)\), donc en revenant à l'écriture initiale :

    \(\mathrm{e}^{2x} - \mathrm{e}^x - 2 = \left(\mathrm{e}^x - 2\right)\left(\mathrm{e}^x + 1\right)\) pour tout réel \(x\).

  2. \(g'(x) = \mathrm{e}^x - 1 - 2\mathrm{e}^{-x} = \mathrm{e}^{-x}\left(\mathrm{e}^{2x} - \mathrm{e}^{x} - 2)\right)\), donc d'après la question précédente :

    \(g'(x) = \mathrm{e}^{-x}\left(\mathrm{e}^x - 2\right)\left(\mathrm{e}^x + 1\right).\)

  3. Puisque \(\mathrm{e}^x - 2 > 0\) (admis), \(\mathrm{e}^x + 1 > 1 > 0\) et \(\mathrm{e}^{-x} > 0\), donc leur produit \(g'(x) > 0\).

    Il en résulte que la fonction \(g\) est croissante sur \(\mathbb{R}\), donc sur \([1~;~ +\infty[\).

Fiche « Démonstration par récurrence »Fiche « Dérivée seconde et convexité »Fiche « Équation cartésienne d'un plan »Fiche « Loi binomiale »Couverture des fiches magiques Terminale spé maths

Les fiches magiques · Terminale spé maths

Le Bac de maths en 40 fiches

  • 40 fiches claires et illustrées : tout le cours de spécialité, une notion par page.
  • Vidéos méthodes pas à pas, accessibles par QR code sur chaque fiche.
  • 15 minutes par jour d'exercices corrigés pour être prêt le jour du Bac.
Découvrir les fiches →

Au programme du sujet 2021 · Centres étrangers · jour 2

Épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat général, session 10 juin 2021, durée 4 heures, 20 points. Chaque exercice est corrigé en détail, avec les rappels de cours utiles et les pièges à éviter.