Epreuve d'enseignement de spécialité Nouvelle-Calédonie 26 octobre 2022 Jour 1 - Exercice 1
30 min
50
On considère la fonction f définie sur R par f(x)=x3ex . On admet que la fonction f est dérivable sur R et on note f′ sa fonction dérivée. On définit la suite (un) par u0=−1 et, pour tout entier naturel n, un+1=f(un).
Question 1
Calculer u1 puis u2 . On donnera les valeurs exactes, puis les valeurs approchées à 10−3 .
On considère la fonction fonc, écrite en langage Python ci-dessous. On rappelle qu’en langage Python, « i in range (n) » signifie que i varie de 0 à n−1 .
def fonc (n) U=−1 for i in range (n) U=U∗∗3∗exp(U) return U
Déterminer, sans justifier, la valeur renvoyée par fonc (2) arrondie à 10−3 près.
Correction
D'après le rappel, en langage Python, « i in range (n) » signifie que i varie de 0 à n−1 . Nous souhaitons la valeur renvoyée par fonc (2) . Si l'on applique ce programme, celui ci-retournera donc la valeur de u2 .
Question 3
Calculer les limites de la fonction f aux bornes de son domaine de définition.
Correction
On considère la fonction f définie sur R par f(x)=x3ex . D'une part :
Croissance compareˊe
Soit n un entier naturel non nul , x→−∞limxnex=0
Il en résulte donc que
x→−∞limx3ex=0
D'autre part : De manière évidente :
x→+∞limx3ex=+∞
Question 4
Démontrer que, pour tout x réel, on a f′(x)=x2ex(x+3) .
Correction
On considère la fonction f définie sur R par f(x)=x3ex . f est dérivable sur R .
Deˊriveˊe du produit
On considère deux fonctions u et v, dérivables sur un intervalle I alors
(uv)′=u′v+uv′
Ici on reconnaît la forme (uv)′=u′v+uv′ avec u(x)=x3 et v(x)=ex. On a alors : u′(x)=3x2 et v(x)=ex Ainsi : f′(x)=3x2ex+x3ex f′(x)=3×x2×ex+x×x2×ex . Nous allons factoriser par x2×ex . Ainsi :
f′(x)=x2ex(x+3)
Question 5
Dresser le tableau de variation complet de la fonction f .
Correction
D'après la question précédente, nous savons que pour tout réel x, on a : f′(x)=x2ex(x+3) . Pour tout réel x, on sait que : x2≥0 et ex>0 . Le signe de f′ dépend alors de x+3 . x+3≥0⟺x≥−3 Cela signifie que l'on va mettre le signe + dans la ligne de x+3 lorsque x sera supérieur ou égale à −3. Il en résulte donc que :
si x∈]−∞;−3] alors f′(x)≤0 et donc f est décroissante sur cet intervalle.
si x∈[−3;+∞[ alors f′(x)≥0 et donc f est croissante sur cet intervalle.
Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
De plus :
f(−3)=−27e−3
Question 6
Démontrer, par récurrence, que pour tout entier naturel n, on a : −1≤un≤un+1≤0 .
Correction
Pour tout entier naturel n, posons la propriété Pn:−1≤un≤un+1≤0 Etape d’initialisation On a vu précédemment que u0=−1 et u1≈−0,368. Ainsi : −1≤u0≤u1≤0 La propriété P0 est vraie. Etape d’heˊreˊditeˊ On suppose qu'il existe un entier k tel que la propriété Pk soit vraie c'est-à-dire : −1≤uk≤uk+1≤0 et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1 c'est-à-dire : −1≤uk+1≤uk+2≤0 Par hypothèse de récurrence, −1≤uk≤uk+1≤0 , orf:x↦x3ex une fonction croissante sur ]−3;+∞[ et donc croissante en particulier sur [−1;0]. L'ordre est donc conservé , ainsi : f(−1)≤f(uk)≤f(uk+1)≤f(0) . Comme f(x)=x3ex alors : f(uk)=uk+1 et f(uk+1)=uk+2 . Il vient alors que : f(−1)≤uk+1≤uk+2≤f(0) . De plus : f(−1)=(−1)3e(−1)≈−0,368 et f(0)=03e0=0 Ainsi : −1≤(−1)3e(−1)≤uk+1≤uk+2≤0 Finalement : −1≤uk+1≤uk+2≤0 Ainsi la propriété Pk+1 est vraie. Conclusion Puisque la propriété P0 est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel n, on a Pn vraie, c'est à dire que pour tout entier naturel n, −1≤un≤un+1≤0 .
Question 7
En déduire que la suite (un) est convergente.
Correction
Une suite décroissante et minorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
Une suite croissante et majorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
On vient de démontrer que la suite (un) était bornée car : −1≤un≤un+1≤0. La suite (un) est donc également majorée par 0 c'est à dire un≤0. De plus, la suite (un) est croissante car un≤un+1 . D'après le théorème de convergence des suites monotones , on peut affirmer que la suite (un) est convergente et admet donc une limite que l'on note ℓ.
Question 8
On note ℓ la limite de la suite (un). On rappelle que ℓ est solution de l’équation f(x)=x. Déterminer ℓ. (Pour cela, on admettra que l’équation x2ex−1=0 possède une seule solution dans R et que celle-ci est strictement supérieure à 21.
Correction
f(x)=x équivaut successivement à : x3ex=x x3ex−x=0 x×x2ex−x=0 x(x2ex−1)=0 Il s'agit d'une équation produit nul. D'une part :x=0 D'autre part :x2ex−1=0 . D'après le rappel, l’équation x2ex−1=0 possède une seule solution dans R et que celle-ci est strictement supérieure à 21 . D'après la question 6, nous savons que la suite (un) est convergente et admet donc une limite que l'on note ℓ et comme −1≤un≤un+1≤0 alors ℓ∈[−1;0] . Or une solution strictement supérieure à 21 fait que cette solution ne peut pas appartenir à l'intervalle [−1;0] . ℓ=0 est alors la limite de la suite (un).
Signaler une erreur
Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.
Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.