La fonction exponentielle

A la mode au bac : des exponentielles et des sciences physiques - Exercice 2

45 min
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La pharmacocinétique étudie l’évolution d’un médicament après son administration dans l’organisme, en mesurant sa concentration plasmatique, c’est-dire sa concentration dans le plasma. On étudie dans cet exercice l’évolution de la concentration plasmatique chez un patient d’une même dose de médicament, en envisageant différents modes d’administration.
Question 1
On note f(t)f\left(t\right) la concentration plasmatique, exprimée en microgramme par litre (μg.L1)\left(\mu g.L^{-1} \right) , du médicament, au bout de tt heures après administration par voie intraveineuse.
Le modèle mathématique est f(t)=20e0,1tf\left(t\right)=20e^{-0,1t} avec t[0;+[t\in \left[0;+\infty\right[.
La concentration plasmatique initiale du médicament est donc f(0)=20f\left(0\right)=20 μg.L1\mu g.L^{-1}

La demi-vie du médicament est la durée (en heure) après laquelle la concentration plasmatique du médicament est égale à la moitié de la concentration initiale. Déterminer cette demi-vie, notée t0,5t_{0,5}.

Correction
La demi-vie du médicament est la durée ( en heure ) après laquelle la concentration plasmatique du médicament est égale à la moitié de la concentration initiale. Il nous faut donc calculer f(t)=10f\left(t\right)=10.
f(t)=10f\left(t\right)=10 équivaut successivement à :
20e0,1t=1020e^{-0,1t} =10
e0,1t=1020e^{-0,1t} =\frac{10}{20}
e0,1t=12e^{-0,1t} =\frac{1}{2}
ln(e0,1t)=ln(12)\ln \left(e^{-0,1t} \right)=\ln \left(\frac{1}{2} \right)
0,1t=ln(12)-0,1t=\ln \left(\frac{1}{2} \right)
0,1t=ln(2)-0,1t=-\ln \left(2\right)
t=ln(2)0,1t=\frac{-\ln \left(2\right)}{-0,1}
t=ln(2)0,1t=\frac{\ln \left(2\right)}{0,1}
t6,9t\approx6,9

La demi-vie est d’environ 6,96,9 heures soit 66 heures et 5454 minutes.
Question 2

On estime que le médicament est éliminé dès que la concentration plasmatique est inférieure à 0,20,2 μg.L1\mu g.L^{-1}. Déterminer le temps à partir duquel le médicament est éliminé. On donnera le résultat arrondi au dixième.

Correction
On estime que le médicament est éliminé dès que la concentration plasmatique est inférieure à 0,20,2 μg.L1\mu g.L^{-1}.
Résolvons alors : f(t)0,2f\left(t\right)\le 0,2
f(t)0,2f\left(t\right)\le 0,2 équivaut successivement à :
20e0,1t0,220e^{-0,1t} \le 0,2
e0,1t0,220e^{-0,1t} \le \frac{0,2}{20}
e0,1t0,01e^{-0,1t} \le 0,01
ln(e0,1t)ln(0,01)\ln \left(e^{-0,1t} \right)\le \ln \left(0,01\right)
ln(e0,1t)ln(0,01)\ln \left(e^{-0,1t} \right)\le \ln \left(0,01\right)
0,1tln(0,01)-0,1t\le \ln \left(0,01\right)
tln(0,01)0,1t\ge \frac{\ln \left(0,01\right)}{-0,1}
t46,1t\approx 46,1

Le médicament est éliminé au bout de 46,146,1 heures (soit 4646 heures et 66 min).
Question 3

En pharmacocinétique, on appelle ASC (ou « aire sous la courbe » ), en μg.L1\mu g.L^{-1} , le nombre limx+0xf(t)dt\lim\limits_{x\to +\infty }\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt.
Vérifier que pour ce modèle, l’ASC est égal à 200200 μg.L1\mu g.L^{-1}.

Correction
  • Une primitive de eax+be^{ax+b} est 1aeax+b\frac{1}{a} e^{ax+b}
  •  D’une part :\red{\text{ D'une part :}}
    0xf(t)dt=0x20e0,1tdt\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt =\int _{0}^{x}20e^{-0,1t} dt
    0xf(t)dt=[20×10,1e0,1t]0x\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt =\left[20\times \frac{1}{-0,1} e^{-0,1t} \right]_{0}^{x}
    0xf(t)dt=[200e0,1t]0x\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt =\left[-200e^{-0,1t} \right]_{0}^{x}
    0xf(t)dt=200e0,1x(200e0,1×0)\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt =-200e^{-0,1x} -\left(-200e^{-0,1\times 0} \right)
    0xf(t)dt=200e0,1x(200e0)\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt =-200e^{-0,1x} -\left(-200e^{0} \right)
    0xf(t)dt=200e0,1x(200)\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt =-200e^{-0,1x} -\left(-200\right)
    0xf(t)dt=200e0,1x+200\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt =-200e^{-0,1x} +200

     D’autre part :\red{\text{ D'autre part :}}
    limx+0xf(t)dt=limx+200e0,1x+200\lim\limits_{x\to +\infty }\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt=\lim\limits_{x\to +\infty }-200e^{-0,1x} +200
    On commence par calculer limx+0,1x=\lim\limits_{x\to +\infty } -0,1x=-\infty .
    On pose X=0,1xX=-0,1x.
    Ainsi : limXeX=0\lim\limits_{X\to -\infty } e^{X} =0.
    Par composition :
    limx+e0,1x=0\lim\limits_{x\to +\infty } e^{-0,1x} =0

    D'où :
    limx+0xf(t)dt=limx+200e0,1x+200=200\lim\limits_{x\to +\infty }\int _{0}^{x}f\left(t\right)dt=\lim\limits_{x\to +\infty }-200e^{-0,1x} +200=200

    DOnc l’ASC est égal à 200200 μg.L1\mu g.L^{-1}.
    Question 4
    Partie B: administration par voie orale
    On note g(t)g\left(t\right) la concentration plasmatique du médicament, exprimée en microgramme par litre μg.L1\mu g.L^{-1}, au bout de tt heures après ingestion par voie orale. Le modèle mathématique est : g(t)=20(e0,1tet)g\left(t\right)=20\left(e^{-0,1t} -e^{-t} \right) avec t[0;+[t\in\left[0;+\infty\right[. Dans ce cas, l’effet du médicament est retardé, puisque la concentration plasmatique initiale est égale à g(0)=0g\left(0\right)=0 μg.L1\mu g.L^{-1}

    Démontrer que, pour tout tt de l’intervalle [0;+[\left[0;+\infty\right[, on a : g(t)=20et(10,1e0,9t)g'\left(t\right)=20e^{-t} \left(1-0,1e^{0,9t} \right)

    Correction
    Soit : g(t)=20(e0,1tet)g\left(t\right)=20\left(e^{-0,1t} -e^{-t} \right)
    gg est dérivable sur [0;+[\left[0;+\infty\right[.
    g(t)=20(0,1e0,1t+et)g'\left(t\right)=20\left(-0,1e^{-0,1t} +e^{-t} \right). Nous allons factoriser par ete^{-t} .
    g(t)=20et(0,1e0,1t+etet)g'\left(t\right)=20e^{-t} \left(\frac{-0,1e^{-0,1t} +e^{-t} }{e^{-t} } \right)
    g(t)=20et(0,1e0,1tet+etet)g'\left(t\right)=20e^{-t} \left(\frac{-0,1e^{-0,1t} }{e^{-t} } +\frac{e^{-t} }{e^{-t} } \right)
    g(t)=20et(0,1e0,1tet+1)g'\left(t\right)=20e^{-t} \left(\frac{-0,1e^{-0,1t} }{e^{-t} } +1\right)
    g(t)=20et(0,1e0,1t(t)+1)g'\left(t\right)=20e^{-t} \left(-0,1e^{-0,1t-\left(-t\right)} +1\right)
    g(t)=20et(0,1e0,1t+t+1)g'\left(t\right)=20e^{-t} \left(-0,1e^{-0,1t+t} +1\right)
    g(t)=20et(0,1e0,9t+1)g'\left(t\right)=20e^{-t} \left(-0,1e^{0,9t} +1\right)

    Question 5

    Étudier les variations de la fonction gg sur l’intervalle [0;+[\left[0;+\infty\right[. (On ne demande pas la limite en ++\infty). En déduire la durée après laquelle la concentration plasmatique du médicament est maximale. On donnera le résultat à la minute près.

    Correction
    Pour tout réel t[0;+[t\in\left[0;+\infty\right[, on vérifie aisément que 20et>020e^{-t}>0. Le signe de gg' est alors du signe de 0,1e0,9t+1-0,1e^{0,9t} +1.
    0,1e0,9t+10-0,1e^{0,9t} +1\ge 0
    0,1e0,9t1-0,1e^{0,9t} \ge -1
    e0,9t10,1e^{0,9t} \le \frac{-1}{-0,1}
    e0,9t10e^{0,9t} \le 10
    ln(e0,9t)ln(10)\ln \left(e^{0,9t} \right)\le \ln \left(10\right)
    0,9tln(10)0,9t\le \ln \left(10\right)
    tln(10)0,9t\le \frac{\ln \left(10\right)}{0,9}

    Il en résulte donc que :
    • si t[0;ln(10)0,9]t\in\left[0;\frac{\ln \left(10\right)}{0,9}\right] alors g(t)0g'\left(t\right)\ge0 et donc gg est croissante sur cet intervalle.
    • si t[ln(10)0,9;+[t\in\left[\frac{\ln \left(10\right)}{0,9};+\infty\right[ alors g(t)0g'\left(t\right)\le0 et donc gg est décroissante sur cet intervalle.
    De plus : g(ln(10)0,9)13,94g\left(\frac{\ln \left(10\right)}{0,9}\right)\approx13,94
    Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
    La durée après laquelle la concentration est maximale est ln(10)0,9\frac{\ln \left(10\right)}{0,9} h , soit environ 22 h 3434 min.
    Question 6
    Partie C : administration répétée par voie intraveineuse
    On décide d’injecter à intervalles de temps réguliers la même dose de médicament par voie intraveineuse. L’intervalle de temps (en heure) entre deux injections est choisi égal à la demi-vie du médicament, c’est-à-dire au nombre t0,5t_{0,5} qui a été calculé à la question 11.
    Chaque nouvelle injection entraîne une hausse de la concentration plasmatique de 2020 μg.L1\mu g.L^{-1}.
    On note unu_{n} la concentration plasmatique du médicament immédiatement après la nn-ième injection.
    Ainsi, u1=20u_{1}=20 et, pour tout entier nn supérieur ou égal à 11, on a : un+1=0,5un+20u_{n+1}=0,5u_{n}+20.
    On remarque qu’avec ce modèle, la concentration initiale du médicament après la première injection, soit 2020 μg.L1\mu g.L^{-1}, est analogue à celle donnée par le modèle de la partie AA, soit f(0)=20f\left(0\right)=20.

    Démontrer par récurrence que, pour tout entier n1n\ge1 : un=4040×0,5nu_{n}=40-40\times 0,5^{n}.

    Correction
    Nous allons procéder par récurrence.
    Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:un=4040×0,5nP_{n} :u_{n}=40-40\times 0,5^{n}
    Etape d'initialisation
    On sait que u1=20u_{1} =20 et que u1=4040×0,51=20u_{1}=40-40\times 0,5^{1}=20 .
    La propriété P0P_{0} est vraie.
    Etape d'hérédité
    On suppose qu'il existe un entier kk tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire uk=4040×0,5ku_{k}=40-40\times 0,5^{k} et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire uk+1=4040×0,5k+1u_{k+1}=40-40\times 0,5^{k+1}
    Par hypothèse de récurrence :
    uk=4040×0,5ku_{k}=40-40\times 0,5^{k} , on multiplie par 0,50,5 de part et d'autre de l'égalité
    0,5uk=0,5×(4040×0,5k)0,5u_{k} =0,5\times \left(40-40\times 0,5^{k} \right)
    0,5uk=0,5×4040×0,5k×0,50,5u_{k} =0,5\times 40-40\times 0,5^{k} \times 0,5
    0,5uk=2040×0,5k×0,50,5u_{k} =20-40\times 0,5^{k} \times 0,5 . On va maintenant additionner par 2020 de part et d'autre de l'égalité (notre objectif est de faire apparaître dans le membre de gauche uk+1u_{k+1} )
    0,5uk+20=2040×0,5k×0,5+200,5u_{k}+20 =20-40\times 0,5^{k} \times 0,5+20
    0,5uk+20=4040×0,5k×0,50,5u_{k}+20 =40-40\times {\color{blue}0,5^{k} \times 0,5}
    uk+1=4040×0,5k+1u_{k+1}=40-40\times {\color{blue}0,5^{k+1}}

    Ainsi la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
    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, on a bien :
    un=4040×0,5nu_{n}=40-40\times 0,5^{n}
    Question 7

    Déterminer la limite de la suite (un)\left(u_{n}\right) lorsque nn tend vers ++\infty.

    Correction
    • Si 1<q<1-1<q<1 alors limn+qn=0\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =0.
    • Si q>1 q >1 alors limn+qn=+\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =+\infty.
    Comme 1<0,5<1-1<0,5<1 alors :
    limn+(0,5)n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \left(0,5\right)^{n} =0
    limn+(40)×(0,5)n=0\lim\limits_{n\to +\infty } \left(-40\right)\times \left(0,5\right)^{n} =0
    limn+(40)×(0,5)n+40=40\lim\limits_{n\to +\infty } \left(-40\right)\times \left(0,5\right)^{n} +40=40
    Ainsi :
    limn+un=40\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =40
    Question 8

    On considère que l’équilibre est atteint dès que la concentration plasmatique dépasse 3838 μg.L1\mu g.L^{-1}. Déterminer le nombre minimal d’injections nécessaires pour atteindre cet équilibre.

    Correction
    On cherche l’entier nn minimum tel que un38u_{n}\ge38.
    4040×0,5n3840-40\times 0,5^{n} \ge 38
    40×0,5n3840-40\times 0,5^{n} \ge 38-40
    40×0,5n2-40\times 0,5^{n} \ge -2
    0,5n2400,5^{n} \le \frac{-2}{-40}
    0,5n0,050,5^{n} \le 0,05
    ln(0,5n)ln(0,05)\ln \left(0,5^{n} \right)\le \ln \left(0,05\right)
    nln(0,5)ln(0,05)n\ln \left(0,5\right)\le \ln \left(0,05\right)
    nln(0,05)ln(0,5)n\ge \frac{\ln \left(0,05\right)}{\ln \left(0,5\right)} . Comme ln(0,5)<0\ln \left(0,5\right)<0, il faut changer le sens de l'inéquation.
    n4,3n\ge 4,3

    Il faut donc au minimum 55 injections.