Soit la fonction f définie sur ]0;5] par : f(x)=2x2+x−xln(x)+23. On note Cf la courbe représentative de la fonction f. On note f′ la fonction dérivée de la fonction f sur ]0;+∞[.
Question 1
Partie A
Justifier que f′(x)=x−ln(x)
Correction
f est dérivable sur ]0;5]. Ici on reconnaît la forme : (w+uv+z)′=w′+u′v+uv′+z′ avec w(x)=2x2+x ; u(x)=x ; v(x)=ln(x) et enfin z(x)=23. Ainsi : w′(x)=x+1 ; u′(x)=1 ; v′(x)=x1 et z′(x)=0. Il vient alors que : f′(x)=x+1−(ln(x)+x×x1) f′(x)=x+1−(ln(x)+1) f′(x)=x+1−ln(x)−1 Ainsi :
f′(x)=x−ln(x)
Question 2
Calculer f′′(x) , où f′′ est la dérivée seconde de f.
Correction
Comme f′(x)=x−ln(x) alors f′′(x)=1−x1. Nous allons tout mettre au même dénominateur. Il en résulte que :
f′′(x)=xx−1
Question 3
Etudier le signe de f′′, en déduire le tableau de variation de f′ sur l'intervalle ]0;5].
Correction
Pour tout réel x appartenant à l'intervalle ]0;5], on sait que x est strictement positif. Donc le signe de f′′ dépend alors du numérateur x−1. x−1>0 alors x>1. Cela signifie que :
f′′(x)>0 lorsque x>1
f′′(x)<0 lorsque x<1
Nous traduisons cela dans un tableau de variation, donné ci-dessous :
Question 4
Justifier le signe de f′, en déduire que la fonction f est strictement croissante sur ]0;5].
Correction
D'après le tableau de variation de f′, on vérifie facilement que f′ admet un minimum lorsque x=1. Calculons alors celui-ci. Ainsi : f′(1)=1−ln(1)=1.
Il en résulte donc que la fonction f′ admet un minimum qui vaut 1 lorsque x=1. Cela signifie que pour tout réel x appartenant à l'intervalle ]0;5], on a :
f′(x)>0
. Finalement, la fonction f est strictement croissante sur ]0;5]. Nous traduisons toute ces informations dans un tableau de variation, donné ci dessous :
Question 5
Déterminer une équation de la tangente à la courbe Cf au point d'abscisse 3.
Correction
L'équation de la tangente au point d'abscisse a s'écrit y=f′(a)(x−a)+f(a).
Ici a=3, ce qui donne, y=f′(3)(x−3)+f(3). 1ère étape : calculer f(2) f(3)=232+3−3ln(3)+23 f(3)=9−3ln(3) 2ème étape : calculer f′(3) f′(3)=3−ln(3) 3ème étape : on remplace les valeurs de f(3) et de f′(3) dans la formule de l'équation de tangente. On sait que : y=f′(3)(x−3)+f(3) y=(3−ln(3))×(x−3)+9−3ln(3) y=(3−ln(3))×(x−3) Ainsi l'équation de la tangente à la courbe Cf au point d'abscisse 3 est alors :
y=(3−ln(3))×(x−3)
.
Question 6
Partie B Une entreprise produit et commercialise un article. Sa capacité de production quotidienne est limitée à 5 milliers d'articles. La fonction f modélise sur l'intervalle ]0;5] le coût total de production exprimé en milliers d'euros, où x désigne le nombre de milliers d'articles fabriqués. On note CM(x) le coût moyen de production exprimé en euros, par article fabriqué. CM est la fonction définie sur l'intervalle ]0;5] par CM(x)=xf(x). On admet que la fonction CM est dérivable sur l'intervalle ]0;5] et on appelle C′ sa fonction dérivée tel que C′(x)=2x2x2−2x−3.
Etudier les variations de CM sur ]0;5].
Correction
Pour obtenir les variations de CM, il nous faut étudier le signe de C′(x)=2x2x2−2x−3. Pour tout réel x appartenant à l'intervalle ]0;5], on sait que 2x2 est strictement positif. Donc le signe de C′ dépend alors du numérateur x2−2x−3. Pour étudier le signe de x2−2x−3, nous allons utiliser le discriminant. Ainsi : Δ=16; x1=−1 et x2=3 a=1>0, la parabole est tournée vers le haut c'est-à-dire que C′ est du signe de a à l'extérieur des racines et du signe opposé à a entre les racines. De plus : CM(3)=3f(3) D'où : CM(3)=3−ln(3)≈1,901 Le tableau de variation de CM est donné ci-dessous :
Question 7
Déterminer la quantité d'articles à fabriquer pour que le coût moyen soit minimal. Déterminer alors, au centime d'euro près, ce coût moyen.
Correction
Pour que le coût soit minimal, il faut fabriquer 3000 articles. Ce coût moyen s'élève à 1,90 euros.
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