Compléments sur la dérivation et la convexité

Epreuve d'enseignement de spécialité Nouvelle-Calédonie 26 octobre 2022 Jour 1 - Exercice 1

30 min
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On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3exf\left(x\right)=x^3e^x .
On admet que la fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} et on note ff' sa fonction dérivée.
On définit la suite (un)\left(u_n\right) par u0=1u_0 = -1 et, pour tout entier naturel nn, un+1=f(un)u_{n+1} = f\left(u_n\right).
Question 1

Calculer u1u_1 puis u2u_2 . On donnera les valeurs exactes, puis les valeurs approchées à 10310^{-3} .

Correction
  • u1=f(u0)u1=u0eu0u1=(1)3e1u10,368u_1=f\left(u_0\right)\Longleftrightarrow u_1=u_0e^{u_0}\Longleftrightarrow u_1={\left(-1\right)}^3e^{-1}\Longleftrightarrow u_1\approx -0,368
  • u2=f(u1)u2=u1eu1u2=(e1)3ee1u20,034u_2=f\left(u_1\right)\Longleftrightarrow u_2=u_1e^{u_1}\Longleftrightarrow u_2={\left(-e^{-1}\right)}^3e^{-e^{-1}}\Longleftrightarrow u_2\approx -0,034
  • Question 2

    On considère la fonction fonc, écrite en langage Python ci-dessous.
    On rappelle qu’en langage Python, « ii in range (n)\left(n\right) » signifie que ii varie de 00 à n1n-1 .
    def fonc (n)
        U=1U=-1
         for ii in range (n)\left(n\right)
            U=U3exp(U)U=U**3*\text{exp}(U)
        return UU

    Déterminer, sans justifier, la valeur renvoyée par fonc (2) arrondie à 10310^{-3} près.

    Correction
    D'après le rappel, en langage Python, « ii in range (n)\left(n\right) » signifie que ii varie de 00 à n1n-1 .
    Nous souhaitons la valeur renvoyée par fonc (2) .
    Si l'on applique ce programme, celui ci-retournera donc la valeur de u2u_2 .
    Question 3

    Calculer les limites de la fonction ff aux bornes de son domaine de définition.

    Correction
    On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3exf\left(x\right)=x^3e^x .
    D'une part :
      Croissance compareˊe\red{\text{Croissance comparée}}
  • Soit nn un entier naturel non nul , limxxnex=0\lim\limits_{x\to -\infty } x^ne^{x} =0
  • Il en résulte donc que
    limxx3ex=0\lim\limits_{x\to -\infty } x^3e^{x} =0

    D'autre part :
    De manière évidente :
    limx+x3ex=+\lim\limits_{x\to +\infty } x^3e^{x} =+\infty

    Question 4

    Démontrer que, pour tout xx réel, on a f(x)=x2ex(x+3)f'\left(x\right)=x^2e^x\left(x+3\right) .

    Correction
    On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3exf\left(x\right)=x^3e^x .
    ff est dérivable sur R\mathbb{R} .
      Deˊriveˊe du produit\text{\purple{Dérivée du produit}}
    On considère deux fonctions uu et vv, dérivables sur un intervalle II alors
    (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv'
    Ici on reconnaît la forme (uv)=uv+uv\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x3u\left(x\right)=x^3 et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x} . On a alors : u(x)=3x2u'\left(x\right)=3x^2 et v(x)=exv\left(x\right)=e^{x}
    Ainsi :
    f(x)=3x2ex+x3exf'\left(x\right)=3x^2e^x+x^3e^x
    f(x)=3×x2×ex+x×x2×exf'\left(x\right)=3\times {\color{blue}{x^2\times e^x}}+x\times {\color{blue}{x^2\times e^x}} . Nous allons factoriser par x2×ex{\color{blue}{x^2\times e^x}} .
    Ainsi :
    f(x)=x2ex(x+3)f'\left(x\right)=x^2e^x\left(x+3\right)

    Question 5

    Dresser le tableau de variation complet de la fonction ff .

    Correction
    D'après la question précédente, nous savons que pour tout réel xx, on a : f(x)=x2ex(x+3)f'\left(x\right)=x^2e^x\left(x+3\right) .
    Pour tout réel xx, on sait que : x20x^2\ge 0 et ex>0e^x>0 . Le signe de ff' dépend alors de x+3x+3 .
    x+30x3x+3\ge 0\Longleftrightarrow x\ge -3
    Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de x+3x+3 lorsque xx sera supérieur ou égale à 3-3.
    Il en résulte donc que :
    • si x];3]x\in\left]-\infty;-3\right] alors f(x)0f'\left(x\right)\le0 et donc ff est décroissante sur cet intervalle.
    • si x[3;+[x\in\left[-3;+\infty\right[ alors f(x)0f'\left(x\right)\ge0 et donc ff est croissante sur cet intervalle.
    Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
    De plus :
    f(3)=27e3f\left(-3\right)=-27e^{-3}
    Question 6

    Démontrer, par récurrence, que pour tout entier naturel nn, on a : 1unun+10-1\le u_n \le u_{n+1} \le 0 .

    Correction
    Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:1unun+10P_{n} :-1\le u_n \le u_{n+1} \le 0
    Etape d’initialisation\purple{\text{Etape d'initialisation}}
    On a vu précédemment que u0=1u_0 = -1 et u10,368u_1\approx -0,368.
    Ainsi : 1u0u10-1 \le u_{0} \le u_{1} \le 0
    La propriété P0P_{0} est vraie.
    Etape d’heˊreˊditeˊ\purple{\text{Etape d'hérédité}}
    On suppose qu'il existe un entier kk tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire : 1ukuk+10-1 \le u_{k} \le u_{k+1} \le 0 et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire : 1uk+1uk+20-1 \le u_{k+1} \le u_{k+2} \le 0
    Par hypothèse de récurrence,
    1ukuk+10-1 \le u_{k} \le u_{k+1} \le 0 , or f:xx3exf:x\mapsto x^3e^x une fonction croissante sur ]3;+[\left]-3;+\infty\right[ et donc croissante en particulier sur [1;0]\left[-1;0\right]. L'ordre est donc conservé , ainsi :
    f(1)f(uk)f(uk+1)f(0)f\left(-1\right) \le f\left(u_{k}\right) \le f\left(u_{k+1}\right) \le f\left(0\right) . Comme f(x)=x3exf\left(x\right)=x^3e^x alors : f(uk)=uk+1f\left(u_{k} \right)=u_{k+1} et f(uk+1)=uk+2f\left(u_{k+1} \right)=u_{k+2} . Il vient alors que :
    f(1)uk+1uk+2f(0)f\left(-1\right) \le u_{k+1} \le u_{k+2} \le f\left(0\right) .
    De plus : f(1)=(1)3e(1)0,368f\left(-1\right)=\left(-1\right)^3e^{\left(-1\right)}\approx -0,368 et f(0)=03e0=0f\left(0\right)=0^3e^0=0
    Ainsi :
    1(1)3e(1)uk+1uk+20\red{-1 \le}\left(-1\right)^3e^{\left(-1\right)} \le u_{k+1} \le u_{k+2} \le 0
    Finalement : 1uk+1uk+20-1 \le u_{k+1} \le u_{k+2} \le 0
    Ainsi la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
    Conclusion\purple{\text{Conclusion}}
    Puisque la propriété P0P_{0} est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel nn, on a PnP_{n} vraie, c'est à dire que pour tout entier naturel nn, 1unun+10-1\le u_n \le u_{n+1} \le 0 .
    Question 7

    En déduire que la suite (un)\left(u_n\right) 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)\left(u_{n} \right) était bornée car : 1unun+10-1\le u_n \le u_{n+1} \le 0 . La suite (un)\left(u_{n} \right) est donc également majorée par 00 c'est à dire un0u_{n} \le 0 .
    De plus, la suite (un)\left(u_{n} \right) est croissante car unun+1 u_n \le u_{n+1} .
    D'après le théorème de convergence des suites monotones , on peut affirmer que la suite (un)\left(u_{n} \right) est convergente et admet donc une limite que l'on note \ell .
    Question 8

    On note \ell la limite de la suite (un)\left(u_n\right).
    On rappelle que \ell est solution de l’équation f(x)=xf\left(x\right) = x. Déterminer \ell.
    (Pour cela, on admettra que l’équation x2ex1=0x^2e^x-1=0 possède une seule solution dans R\mathbb{R} et que celle-ci est strictement supérieure à 12\frac{1}{2}).

    Correction
    f(x)=xf\left(x\right) = x équivaut successivement à :
    x3ex=xx^3e^x=x
    x3exx=0x^3e^x-x=0
    x×x2exx=0x\times x^2e^x-x=0
    x(x2ex1)=0x\left(x^2e^x-1\right)=0
    Il s'agit d'une équation produit nul.
    D'une part : x=0x=0
    D'autre part : x2ex1=0x^2e^x-1=0 . D'après le rappel, l’équation x2ex1=0x^2e^x-1=0 possède une seule solution dans R\mathbb{R} et que celle-ci est strictement supérieure à 12\frac{1}{2} .
    D'après la question 66, nous savons que la suite (un)\left(u_{n} \right) est convergente et admet donc une limite que l'on note \ell et comme 1unun+10-1\le u_n \le u_{n+1} \le 0 alors [1;0]\ell \in \left[-1;0\right] .
    Or une solution strictement supérieure à 12\frac{1}{2} fait que cette solution ne peut pas appartenir à l'intervalle [1;0]\left[-1;0\right] .
    =0\ell=0 est alors la limite de la suite (un)\left(u_n\right).