Exercice 5 - Exercice 1

1 min
0
Le plan est muni d'un repère orthonormal (O;i⃗;j⃗)\left(O;\vec{i} ;\vec{j} \right).
Pour tout entier naturel nn, on considère la fonction fnf_{n} définie sur R\mathbb{R} par : fn(x)=exenx(1+ex)f_{n} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)}
On désigne par CnC_{n} la courbe représentative de fnf_{n} dans le repère (O;i⃗;j⃗)\left(O;\vec{i} ;\vec{j} \right).
Question 1
Partie A
Dans cette partie, on s'intéresse seulement à la fonction f0f_{0} correspondant respectivement à n=0n=0.

Déterminer la limite de f0(x)f_{0} \left(x\right) quand xx tend vers −∞-\infty .
Que peut-on en déduire graphiquement ?

Correction
f0(x)=exe0x(1+ex)f_{0} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{e^{0x} \left(1+e^{x} \right)} alors : f0(x)=ex1+exf_{0} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{1+e^{x} } .
lim⁡x→−∞ex=0lim⁡x→−∞ex+1=1}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to -\infty } e^{x} } & {=} & {0} \\ {\lim\limits_{x\to -\infty } e^{x} +1} & {=} & {1} \end{array}\right\} par quotient lim⁡x→−∞ex1+ex=0\lim\limits_{x\to -\infty } \frac{e^{x} }{1+e^{x} } =0
La courbe C0C_{0} admet une asymptote horizontale d'équation y=0y=0 au voisinage de moins l'infini.
Question 2

Déterminer la limite de f0(x)f_{0} \left(x\right) quand xx tend vers +∞+\infty .
Que peut-on en déduire graphiquement ?

Correction
On a : f0(x)=ex1+exf_{0} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{1+e^{x} } .
lim⁡x→+∞ex=+∞lim⁡x→+∞ex+1=+∞}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } e^{x} } & {=} & {+\infty } \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } e^{x} +1} & {=} & {+\infty } \end{array}\right\} On rencontre une forme indéterminée.
On va donc factoriser le numérateur et le dénominateur par exe^{x} .
lim⁡x→+∞ex1+ex=lim⁡x→+∞exex(1+1ex)\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{e^{x} }{1+e^{x} } =\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{e^{x} }{e^{x} \left(1+\frac{1}{e^{x} } \right)}
lim⁡x→+∞ex1+ex=lim⁡x→+∞11+1ex\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{e^{x} }{1+e^{x} } =\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{1}{1+\frac{1}{e^{x} } }
lim⁡x→+∞1=1lim⁡x→+∞1+1ex=1}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } 1} & {=} & {1} \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 1+\frac{1}{e^{x} } } & {=} & {1} \end{array}\right\} par quotient lim⁡x→+∞ex1+ex=1\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{e^{x} }{1+e^{x} } =1
La courbe C0C_{0} admet une asymptote horizontale d'équation y=1y=1 au voisinage de plus l'infini.
Question 3

Etudier les variations de f0f_{0} sur R\mathbb{R}.

Correction
f0f_{0} est dérivable sur R\mathbb{R}.
On reconnait la forme (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=exu\left(x\right)=e^{x} et v(x)=ex+1v\left(x\right)=e^{x} +1.
Ainsi u′(x)=exu'\left(x\right)=e^{x} et v′(x)=exv'\left(x\right)=e^{x} .
Il en résulte que :
f0′(x)=ex×(1+ex)−ex×ex(1+ex)2f_{0}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} \times \left(1+e^{x} \right)-e^{x} \times e^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
f0′(x)=ex+e2x−e2x(1+ex)2f_{0}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} +e^{2x} -e^{2x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
f0′(x)=ex(1+ex)2f_{0}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
.
Ainsi f0′(x)>0f_{0}^{'} \left(x\right)>0.
Or , pour tout réel xx, on a ex>0e^{x} >0 et (1+ex)2>0\left(1+e^{x} \right)^{2} >0 .
On peut en conclure que la fonction f0f_{0} est croissante sur R\mathbb{R}.
Question 4

Déterminer une équation de la tangente TT à la courbe C0C_{0} au point d'abscisse 0.

Correction
On sait que la formule de l'équation de la tangente au point d'abscisse 0 est : y=f0′(0)(x−0)+f0(0)y=f_{0}^{'} \left(0\right)\left(x-0\right)+f_{0} \left(0\right)
D'une part : f0(x)=ex1+exf_{0} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{1+e^{x} } alors f0(0)=e01+e0=12f_{0} \left(0\right)=\frac{e^{0} }{1+e^{0} } =\frac{1}{2}
D'autre part : f0′(x)=ex(1+ex)2f_{0}^{'} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} } alors f0′(0)=e0(1+e0)2=14f_{0}^{'} \left(0\right)=\frac{e^{0} }{\left(1+e^{0} \right)^{2} } =\frac{1}{4}
Ainsi : y=14(x−0)+12y=\frac{1}{4} \left(x-0\right)+\frac{1}{2}
Enfin :
y=14x+12y=\frac{1}{4} x+\frac{1}{2}
Question 5

Justifier que, pour étudier la position de la courbe C0C_{0} par rapport à la tangente TT, il suffit d'étudier sur R\mathbb{R} le signe de g(x)g\left(x\right), où g(x)=2ex−xex−2−xg\left(x\right)=2e^{x} -xe^{x} -2-x.

Correction
Posons dd une fonction définie sur R\mathbb{R} par d(x)=f0(x)−(14x+12)d\left(x\right)=f_{0} \left(x\right)-\left(\frac{1}{4} x+\frac{1}{2} \right).
Cette fonction nous permettra d'étudier la position relative de la courbe C0C_{0} par rapport à la tangente TT.
d(x)=f0(x)−(14x+12)d\left(x\right)=f_{0} \left(x\right)-\left(\frac{1}{4} x+\frac{1}{2} \right) équivaut successivement à
d(x)=ex1+ex−(14x+12)d\left(x\right)=\frac{e^{x} }{1+e^{x} } -\left(\frac{1}{4} x+\frac{1}{2} \right)
d(x)=ex1+ex−(14x+12)1d\left(x\right)=\frac{e^{x} }{1+e^{x} } -\frac{\left(\frac{1}{4} x+\frac{1}{2} \right)}{1}
On va tout mettre au même dénominateur,
d(x)=ex1+ex−(14x+12)(1+ex)1+exd\left(x\right)=\frac{e^{x} }{1+e^{x} } -\frac{\left(\frac{1}{4} x+\frac{1}{2} \right)\left(1+e^{x} \right)}{1+e^{x} }
d(x)=ex−(14x+12)(1+ex)1+exd\left(x\right)=\frac{e^{x} -\left(\frac{1}{4} x+\frac{1}{2} \right)\left(1+e^{x} \right)}{1+e^{x} }
d(x)=ex−14x−14xex−12−12ex1+exd\left(x\right)=\frac{e^{x} -\frac{1}{4} x-\frac{1}{4} xe^{x} -\frac{1}{2} -\frac{1}{2} e^{x} }{1+e^{x} }
d(x)=4ex4−14x−14xex−24−24ex1+exd\left(x\right)=\frac{\frac{4e^{x} }{4} -\frac{1}{4} x-\frac{1}{4} xe^{x} -\frac{2}{4} -\frac{2}{4} e^{x} }{1+e^{x} }
d(x)=14(4ex−x−xex−2−2ex)1+exd\left(x\right)=\frac{\frac{1}{4} \left(4e^{x} -x-xe^{x} -2-2e^{x} \right)}{1+e^{x} }
d(x)=14(2ex−x−xex−2)1+exd\left(x\right)=\frac{\frac{1}{4} \left(2e^{x} -x-xe^{x} -2\right)}{1+e^{x} }
d(x)=2ex−x−xex−24(1+ex)d\left(x\right)=\frac{2e^{x} -x-xe^{x} -2}{4\left(1+e^{x} \right)}

Le dénominateur 4(1+ex)4\left(1+e^{x} \right) est strictement positif.
Il en résulte que le signe de dd dépend du numérateur 2ex−x−xex−22e^{x} -x-xe^{x} -2.
Ainsi pour étudier la position de la courbe C0C_{0} par rapport à la tangente TT, il suffit d'étudier sur R\mathbb{R} le signe de g(x)g\left(x\right), oùg(x)=2ex−xex−2−xg\left(x\right)=2e^{x} -xe^{x} -2-x.
Question 6

Calculer g′(x)g'\left(x\right) et g′′(x)g''\left(x\right)

Correction
gg est dérivable sur R\mathbb{R} donc :
g′(x)=2ex−(ex+xex)−1g'\left(x\right)=2e^{x} -\left(e^{x} +xe^{x} \right)-1
g′(x)=2ex−ex−xex−1g'\left(x\right)=2e^{x} -e^{x} -xe^{x} -1
g′(x)=ex−xex−1g'\left(x\right)=e^{x} -xe^{x} -1
N'oubliez pas d'utiliser la forme (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv'pour dérivée xexxe^{x} .
On effectue maintenant la dérivée de g′g' qui nous donnera g′′g''.
g′′(x)=ex−(ex+xex)g''\left(x\right)=e^{x} -\left(e^{x} +xe^{x} \right)
g′′(x)=ex−ex−xexg''\left(x\right)=e^{x} -e^{x} -xe^{x}
g′′(x)=−xexg''\left(x\right)=-xe^{x}
Question 7

Déterminer, en les justifiant, les signes de g′′(x)g''\left(x\right), g′(x)g'\left(x\right) et g(x)g\left(x\right) suivant les valeurs de xx.

Correction
Soit x∈Rx\in \mathbb{R}, g′′g''est du signe de −x-x car ex>0e^{x} >0.
Il en résulte que :
g′′(x)≥0g''\left(x\right)\ge 0 sur ]−∞;0]\left]-\infty ;0\right] et g′′(x)≤0g''\left(x\right)\le 0 sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[.
On en déduit le tableau de variation de g′g' .

De plus, on sait que g′(x)=ex−xex−1g'\left(x\right)=e^{x} -xe^{x} -1.
g′(0)=e0−0e0−1=0g'\left(0\right)=e^{0} -0e^{0} -1=0.
Ainsi la fonction g′g' admet un maximum en 00 qui vaut 00.
Il en résulte que pour tout réel xx, g′(x)≤0g'\left(x\right)\le 0.
On en déduit que la fonction gg est croissante sur R\mathbb{R}.
On résume tout cela dans un tableau de variation :
De plus, on sait que : g(x)=2ex−xex−2−xg\left(x\right)=2e^{x} -xe^{x} -2-x
On remarque que : g(0)=2e0−0e0−2−0=0g\left(0\right)=2e^{0} -0e^{0} -2-0=0
De plus : lim⁡x→−∞2ex−xex−2−x=+∞\lim\limits_{x\to -\infty } 2e^{x} -xe^{x} -2-x=+\infty
lim⁡x→−∞xex=0\lim\limits_{x\to -\infty } xe^{x} =0
Il en résulte donc que g(x)≥0g\left(x\right)\ge 0 sur ]−∞;0]\left]-\infty ;0\right] et g(x)≤0g\left(x\right)\le 0 sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[.
Question 8

En déduire la position de la tangente TT par rapport à la courbe C0C_{0} .

Correction
D'après la question précédente :
  • g(x)≥0g\left(x\right)\ge 0 sur ]−∞;0]\left]-\infty ;0\right] la courbe C0C_{0} est au-dessus de la tangente TT sur ]−∞;0]\left]-\infty ;0\right]
  • g(x)≤0g\left(x\right)\le 0 sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[ la courbe C0C_{0} est en dessous de la tangente TT sur [0;+∞[\left[0;+\infty \right[
Question 9
Partie B
Etude de la suite (un)\left(u_{n} \right) définie pour tout entier naturel nn par : un=∫01fn(x)dxu_{n} =\int _{0}^{1}f_{n} \left(x\right)dx

Montrer que u0=ln⁡(1+e2)u_{0} =\ln \left(\frac{1+e}{2} \right)

Correction
Une primitive de la forme u′u\frac{u'}{u} est ln⁡(u)\ln \left(u\right)

u0=∫01f0(x)dxu_{0} =\int _{0}^{1}f_{0} \left(x\right)dx donc u0=∫01ex1+exdxu_{0} =\int _{0}^{1}\frac{e^{x} }{1+e^{x} } dx
En posant u(x)=1+exu\left(x\right)=1+e^{x} alors u′(x)=exu'\left(x\right)=e^{x} .
Ainsi : f0(x)=ex1+ex=u′(x)u(x)f_{0} \left(x\right)=\frac{e^{x} }{1+e^{x} } =\frac{u'\left(x\right)}{u\left(x\right)}
Donc une primitive de f0f_{0} est ln⁡(1+ex)\ln \left(1+e^{x} \right).
Ainsi,
u0=∫01ex1+exdxu_{0} =\int _{0}^{1}\frac{e^{x} }{1+e^{x} } dx
u0=[ln⁡(1+ex)]01u_{0} =\left[\ln \left(1+e^{x} \right)\right]_{0}^{1}
u0=ln⁡(1+e1)−ln⁡(1+e0)u_{0} =\ln \left(1+e^{1} \right)-\ln \left(1+e^{0} \right)
u0=ln⁡(1+e)−ln⁡(2)u_{0} =\ln \left(1+e\right)-\ln \left(2\right)
u0=ln⁡(1+e2)u_{0} =\ln \left(\frac{1+e}{2} \right)
Question 10

Montrer que u0+u1=1u_{0} +u_{1} =1.
En déduire une valeur exacte de u1u_{1} .

Correction
u0+u1=∫01ex1+exdx+∫0111+exdxu_{0} +u_{1} =\int _{0}^{1}\frac{e^{x} }{1+e^{x} } dx +\int _{0}^{1}\frac{1}{1+e^{x} } dx
u0+u1=∫011+ex1+exdxu_{0} +u_{1} =\int _{0}^{1}\frac{1+e^{x} }{1+e^{x} } dx
u0+u1=∫011dxu_{0} +u_{1} =\int _{0}^{1}1dx
u0+u1=[x]01u_{0} +u_{1} =\left[x\right]_{0}^{1}
u0+u1=1u_{0} +u_{1} =1

D'après la question précédente, on sait que u0=ln⁡(1+e2)u_{0} =\ln \left(\frac{1+e}{2} \right).
Ainsi : u1=1−u0u_{1} =1-u_{0} .
D'où :
u1=1−ln⁡(1+e2)u_{1} =1-\ln \left(\frac{1+e}{2} \right)
Question 11

Montrer que la suite (un)\left(u_{n} \right) est positive.

Correction
Si f(x)≥0f\left(x\right)\ge 0 sur [a;b]\left[a;b\right] alors ∫abf(x)dx≥0\int _{a}^{b}f\left(x\right)dx \ge 0.
On a : un=∫01fn(x)dxu_{n} =\int _{0}^{1}f_{n} \left(x\right)dx qui s'écrit un=∫01exenx(1+ex)dxu_{n} =\int _{0}^{1}\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} dx .
Pour tout entier naturel nn et pour tout réel x∈[0;1]x\in \left[0;1\right], on a : exenx(1+ex)≥0\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} \ge 0.
Il en résulte que : ∫01exenx(1+ex)dx≥0\int _{0}^{1}\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} dx \ge 0 alors : un≥0u_{n} \ge 0.
Question 12
On pose : k(x)=fn+1(x)−fn(x)k\left(x\right)=f_{n+1} \left(x\right)-f_{n} \left(x\right).

Montrer que pour tout réel xx, on a : k(x)=1−exenx(1+ex)k\left(x\right)=\frac{1-e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)}

Correction
Pour tout réel xx, on a :
k(x)=fn+1(x)−fn(x)k\left(x\right)=f_{n+1} \left(x\right)-f_{n} \left(x\right) équivaut successivement à
k(x)=exe(n+1)x(1+ex)−exenx(1+ex)k\left(x\right)=\frac{e^{x} }{e^{\left(n+1\right)x} \left(1+e^{x} \right)} -\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)}
k(x)=exexenx(1+ex)−exenx(1+ex)k\left(x\right)=\frac{e^{x} }{e^{x} e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} -\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)}
k(x)=1enx(1+ex)−exenx(1+ex)k\left(x\right)=\frac{1}{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} -\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)}
k(x)=1−exenx(1+ex)k\left(x\right)=\frac{1-e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)}
Question 13

Etudier le signe de k(x)k\left(x\right) lorsque x∈[0;1]x\in \left[0;1\right]

Correction
Pour tout réel x∈[0;1]x\in \left[0;1\right], on vérifie facilement que enx(1+ex)>0e^{nx} \left(1+e^{x} \right)>0.
Le signe de k(x)k\left(x\right) dépend du numérateur 1−ex1-e^{x} .
1−ex≤01-e^{x} \le 0 équivaut successivement à
−ex≤−1-e^{x} \le -1
ex≥1e^{x} \ge 1
ex≥e0e^{x} \ge e^{0}
x≥0.x\ge 0.
Il en résulte que : 1−ex≤01-e^{x} \le 0 lorsque x∈[0;1]x\in \left[0;1\right].
Finalement : k(x)≤0k\left(x\right)\le 0 lorsque x∈[0;1]x\in \left[0;1\right].
Question 14

En déduire que la suite (un)\left(u_{n} \right) est décroissante.

Correction
On sait que un=∫01fn(x)dxu_{n} =\int _{0}^{1}f_{n} \left(x\right)dx .
Etudions le signe de un+1−unu_{n+1} -u_{n} .
un+1−un=∫01fn+1(x)dx−∫01fn(x)dxu_{n+1} -u_{n} =\int _{0}^{1}f_{n+1} \left(x\right) dx-\int _{0}^{1}f_{n} \left(x\right) dx
un+1−un=∫01(fn+1(x)−fn(x))dx.u_{n+1} -u_{n} =\int _{0}^{1}\left(f_{n+1} \left(x\right)-f_{n} \left(x\right)\right) dx.
D'après la question précédente : k(x)=fn+1(x)−fn(x)k\left(x\right)=f_{n+1} \left(x\right)-f_{n} \left(x\right)
Ainsi,
un+1−un=∫01k(x)dx.u_{n+1} -u_{n} =\int _{0}^{1}k\left(x\right) dx.
Or k(x)≤0k\left(x\right)\le 0 lorsque x∈[0;1]x\in \left[0;1\right] donc ∫01k(x)dx≤0\int _{0}^{1}k\left(x\right) dx\le 0. Ainsi un+1−un≤0u_{n+1} -u_{n} \le 0.
La suite (un)\left(u_{n} \right) est décroissante.
Question 15

Montrer que, pour tout entier naturel nn supérieur ou égal à 11, on a : un+1+un=1−e−nnu_{n+1} +u_{n} =\frac{1-e^{-n} }{n} .

Correction
Pour tout entier naturel nn supérieur ou égal à 11, on a :
un+1+un=∫01fn+1(x)dx+∫01fn(x)dxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}f_{n+1} \left(x\right) dx+\int _{0}^{1}f_{n} \left(x\right) dx équivaut successivement à
un+1+un=∫01(fn+1(x)+fn(x))dxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}\left(f_{n+1} \left(x\right)+f_{n} \left(x\right)\right) dx
un+1+un=∫01(exe(n+1)x(1+ex)+exenx(1+ex))dxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}\left(\frac{e^{x} }{e^{\left(n+1\right)x} \left(1+e^{x} \right)} +\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} \right) dx
un+1+un=∫01(exexenx(1+ex)+exenx(1+ex))dxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}\left(\frac{e^{x} }{e^{x} e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} +\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} \right) dx
un+1+un=∫01(1enx(1+ex)+exenx(1+ex))dxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}\left(\frac{1}{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} +\frac{e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} \right) dx
un+1+un=∫01(1+exenx(1+ex))dxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}\left(\frac{1+e^{x} }{e^{nx} \left(1+e^{x} \right)} \right) dx
un+1+un=∫011enxdxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}\frac{1}{e^{nx} } dx
un+1+un=∫01e−nxdxu_{n+1} +u_{n} =\int _{0}^{1}e^{-nx} dx
un+1+un=[−1ne−nx]01u_{n+1} +u_{n} =\left[\frac{-1}{n} e^{-nx} \right]_{0}^{1}
un+1+un=−1ne−n+1ne−n×0u_{n+1} +u_{n} =\frac{-1}{n} e^{-n} +\frac{1}{n} e^{-n\times 0}
un+1+un=−1ne−n+1nu_{n+1} +u_{n} =\frac{-1}{n} e^{-n} +\frac{1}{n}
un+1+un=1−e−nnu_{n+1} +u_{n} =\frac{1-e^{-n} }{n}

Question 16
Soit (vn)\left(v_{n} \right) la suite définie pour tout entier nn supérieur ou égal à 22 par : vn=un+1+un2v_{n} =\frac{u_{n+1} +u_{n} }{2}

Calculer la limite de (vn)\left(v_{n} \right) quand nn tend vers +∞+\infty .

Correction
D'après la question précédente, on sait que un+1+un=1−e−nnu_{n+1} +u_{n} =\frac{1-e^{-n} }{n}
Donc vn=(1−e−nn)2v_{n} =\frac{\left(\frac{1-e^{-n} }{n} \right)}{2} que l'on peut aussi écrire vn=1−e−n2n=1−1en2nv_{n} =\frac{1-e^{-n} }{2n} =\frac{1-\frac{1}{e^{n} } }{2n}
Ainsi :
lim⁡n→+∞1−1en=1lim⁡n→+∞2x=+∞}\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{n\to +\infty } 1-\frac{1}{e^{n} } } & {=} & {1} \\ {\lim\limits_{n\to +\infty } 2x} & {=} & {+\infty } \end{array}\right\} par quotient lim⁡n→+∞vn=0\lim\limits_{n\to +\infty } v_{n} =0

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.