Epreuve d'enseignement de spécialité Session Métropole 8 juin 2021 sujet 2 Exercice B - Exercice 1

35 min
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On donne ci-dessous, dans le plan rapporté à un repère orthonormé, la courbe représentant la fonction dérivée f′f' d’une fonction ff dérivable sur R\mathbb{R}.
À l’aide de cette courbe, conjecturer, en justifiant les réponses :
Question 1

Partie 1\purple{\text{Partie 1}}
Le sens de variation de la fonction ff sur R\mathbb{R}.

Correction
  • Si f′f' est négative sur [a;b]\left[a;b\right] donc que ff est décroissante sur [a;b]\left[a;b\right].
  • Si f′f' est positive sur [a;b]\left[a;b\right] donc que ff est croissante sur [a;b]\left[a;b\right].
On va établir le tableau de signe de f′f' et on aura ainsi les variations de ff.
On remarque grâce au tableau de variation de f′f' que :
  • f′f' est positive sur ]−∞;−1]\left]-\infty;-1\right] donc que ff est croissante sur ]−∞;−1]\left]-\infty;-1\right]
  • f′f' est négative sur [−1;+∞[\left[-1;+\infty\right[ donc que ff est décroissante sur [−1;+∞[\left[-1;+\infty\right[.
Ce qui donne :
Question 2

La convexité de la fonction ff sur R\mathbb{R}.

Correction
  • Lorsque f′f' est croissante sur [a,b]\left[a,b\right] alors ff est convexe sur [a,b]\left[a,b\right].
  • Lorsque f′f' est décroissante sur [a,b]\left[a,b\right] alors ff est concave sur [a,b]\left[a,b\right]. .
D'après la représentation graphique, on vérifie facilement que :
  • f′f' est décroissante sur l'intervalle ]−∞;0]\left]-\infty;0\right] ainsi ff est concave sur l'intervalle ]−∞;0]\left]-\infty;0\right].
  • f′f' est croissante sur l'intervalle [0;+∞[\left[0;+\infty\right[ ainsi ff est convexe sur l'intervalle [0;+∞[\left[0;+\infty\right[ .
Question 3
Partie 2\purple{\text{Partie 2}}
On admet que la fonction ff mentionnée dans la Partie 11 est définie sur R\mathbb{R} par : f(x)=(x+2)e−xf\left(x\right)=\left(x+2\right)e^{-x}
On note Cf\mathscr{C_f} la courbe représentative de ff dans un repère orthonormé (O;i→;j→)\left(O;\overrightarrow{i} ;\overrightarrow{j} \right)
On admet que la fonction f est deux fois dérivable sur R\mathbb{R}, et on note f′f' et f′′f'' les fonctions dérivées première et seconde de ff respectivement.
On admet que lim⁡x→−∞f(x)=−∞{\mathop{\lim }\limits_{x\to -\infty }} f\left(x\right)=-\infty

Montrer que, pour tout nombre réel xx, f(x)=xex+2e−xf\left(x\right)=\frac{x}{e^{x} } +2e^{-x} .
En déduire la limite de ff en +∞+\infty .
Que peut-on en déduire graphiquement.

Correction
  • e−a=1eae^{-a} =\frac{1}{e^{a} }
f(x)=(x+2)e−xf\left(x\right)=\left(x+2\right)e^{-x} équivaut successivement à :
f(x)=(x+2)×1exf\left(x\right)=\left(x+2\right)\times \frac{1}{e^{x} }
f(x)=x+2exf\left(x\right)=\frac{x+2}{e^{x} }
f(x)=xex+2exf\left(x\right)=\frac{x}{e^{x} } +\frac{2}{e^{x} }
Ainsi :
f(x)=xex+2e−xf\left(x\right)=\frac{x}{e^{x} } +2e^{-x}

D’une part :\text{\blue{D'une part :}}
Ici, il s’agit d’une limite par composition.\purple{\text{Ici, il s'agit d'une limite par composition.}}
On commence par calculer lim⁡x→+∞−x=−∞\lim\limits_{x\to \color{red}+\infty } -x={\color{blue}-\infty}.
On pose X=−xX=-x. Lorsque xx tend vers +∞{\color{red}+\infty} alors XX tend vers −∞{\color{blue}-\infty}.
Ainsi : lim⁡X→−∞2eX=0\lim\limits_{X\to {\color{blue}-\infty} } 2e^{X} ={\color{green}0} .
Par composition :
lim⁡x→+∞2e−x=0\lim\limits_{x\to \color{red}+\infty } 2e^{-x} ={\color{green}0}

D’autre part :\text{\blue{D'autre part :}}
    Croissance compareˊe\red{\text{Croissance comparée}}
  • lim⁡x→+∞exx=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{e^{x}}{x } =+\infty
  • Comme lim⁡x→+∞exx=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{e^{x}}{x } =+\infty alors lim⁡x→+∞xex=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x}{e^{x} } =0
    Ainsi :
    lim⁡x→+∞xex=0lim⁡x→+∞2e−x=0}par somme :\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x}{e^{x} }} & {=} & {0} \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 2e^{-x} } & {=} & {0 } \end{array}\right\}{\red{\text{par somme :}}}
    lim⁡x→+∞xex+2e−x=0\lim\limits_{x\to +\infty } \frac{x}{e^{x} } +2e^{-x}=0
    Si lim⁡x→+∞f(x)=l\lim\limits_{x\to +\infty } f(x) =l où ll est une valeur finie alors la fonction ff admet une asymptote horizontale d'équation y=ly=l
    La courbe CfC_{f} admet au voisinage de +∞+\infty une asymptote horizontale d'équation y=0y=0.
    Question 4

    Montrer que, pour tout nombre réel xx, f′(x)=(−x−1)e−xf'\left(x\right)=\left(-x-1\right)e^{-x} .

    Correction
    Soit f(x)=(x+2)e−xf\left(x\right)=\left(x+2\right)e^{-x} . ff est dérivable sur R\mathbb{R} .
    (eu)′=u′eu\left(e^{u} \right)^{'} =u'e^{u}
    ff est dérivable sur R\mathbb{R}.
    Ici on reconnaît la forme : (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=x+2u\left(x\right)=x+2 et v(x)=e−xv\left(x\right)=e^{-x} .
    Ainsi : u′(x)=1u'\left(x\right)=1 et v′(x)=−e−xv'\left(x\right)=-e^{-x} .
    Il vient alors que :
    f′(x)=1×e−x+(x+2)×(−e−x)f'\left(x\right)=1\times e^{-x} +\left(x+2\right)\times \left(-e^{-x} \right)
    f′(x)=e−x−xe−x−2e−xf'\left(x\right)={\color{blue}{e^{-x}}} -x{\color{blue}{e^{-x}}} -2{\color{blue}{e^{-x}}}
    f′(x)=−xe−x−e−xf'\left(x\right)= -x{\color{blue}{e^{-x}}} -{\color{blue}{e^{-x}}}
    Ainsi :
    f′(x)=e−x(−1−x)f'\left(x\right)={\color{blue}{e^{-x}}} \left(-1-x\right)

    Question 5

    Étudier les variations sur R\mathbb{R} de la fonction ff et dresser son tableau de variations.

    Correction
    Pour tout x∈Rx\in \mathbb{R}, on sait que e−x>0e^{-x}>0 .
    Le signe de f′f' dépend alors de −1−x-1-x .
    −1−x≥0⇔−x≥1⇔x≤−1-1-x\ge 0\Leftrightarrow -x\ge 1\Leftrightarrow x\le -1
    Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de −1−x-1-x lorsque xx sera inférieur ou égale à −1-1.
    Il en résulte donc que :
    • si x∈]−∞;−1]x\in\left]-\infty;-1\right] alors f′(x)≥0f'\left(x\right)\ge0 et donc ff est croissante sur cet intervalle.
    • si x∈[−1;+∞[x\in\left[-1;+\infty\right[ alors f′(x)≤0f'\left(x\right)\le0 et donc ff est décroissante sur cet intervalle.
    Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
    De plus :
    f(−1)=(−1+2)e−(−1)⇔f(−1)=ef\left(-1\right)=\left(-1+2\right)e^{-\left(-1\right)} \Leftrightarrow f\left(-1\right)=e
    Question 6

    Montrer que l’équation f(x)=2f\left(x\right) = 2 admet une unique solution α\alpha sur l’intervalle [−2;−1]\left[-2 ; -1\right] dont on donnera une valeur approchée à 10−110^{-1} près.

    Correction
    Commençons par calculer f(−2)f\left(-2\right)
    f(−2)=(−2+2)e−(−2)⇔f(−2)=0f\left(-2\right)=\left(-2+2\right)e^{-\left(-2\right)} \Leftrightarrow f\left(-2\right)=0
    Sur [−2;−1]\left[-2;-1\right], la fonction ff est continue et strictement croissante.
    De plus, f(−2)=0f\left(-2\right)=0 et f(−1)=ef\left(-1\right)=e .
    Or 2∈[−2;−1]2\in \left[-2;-1\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha appartenant à l'intervalle [−2;−1]\left[-2;-1\right] tel que f(x)=2f\left(x\right)=2.
    A la calculatrice, on vérifie que :
    f(1,6)≈1,9812f\left(1,6\right)\approx1,9812 et f(1,7)≈2,2408f\left(1,7\right)\approx2,2408
    Or 2∈[1,9812;2,2408]2 \in \left[1,9812;2,2408\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que : 1,6≤α≤1,71,6\le\alpha\le1,7
    Question 7

    Déterminer, pour tout nombre réel xx, l’expression de f′′(x)f''\left(x\right) et étudier la convexité de la fonction ff .
    Que représente pour la courbe Cf\mathscr{C_f} son point AA d’abscisse 00 ?

    Correction
    • Lorsque f′′(x)≥0f''\left(x\right)\ge 0 sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est convexe.
    • Lorsque f′′(x)≤0f''\left(x\right)\le 0 sur un intervalle [a,b]\left[a,b\right] alors ff est concave.
    Soit x∈Rx\in \mathbb{R} .
    Nous savons que f′(x)=e−x(−1−x)f'\left(x\right)=e^{-x} \left(-1-x\right)
    Nous allons calculer f′′f''.
    Ici on reconnaît la forme : (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv' avec u(x)=e−xu\left(x\right)=e^{-x} et v(x)=−1−xv\left(x\right)=-1-x.
    Ainsi : u′(x)=−e−xu'\left(x\right)=-e^{-x} et v′(x)=−1v'\left(x\right)=-1 .
    Il vient alors que :
    f′′(x)=(−e−x)×(−1−x)+e−x×(−1)f''\left(x\right)=\left(-e^{-x} \right)\times \left(-1-x\right)+e^{-x} \times \left(-1\right)
    f′′(x)=(−e−x)×(−1)+(−e−x)×(−x)−e−xf''\left(x\right)=\left(-e^{-x} \right)\times \left(-1\right)+\left(-e^{-x} \right)\times \left(-x\right)-e^{-x}
    f′′(x)=e−x+xe−x−e−xf''\left(x\right)=e^{-x} +xe^{-x} -e^{-x}
    Ainsi :
    f′′(x)=xe−xf''\left(x\right)=xe^{-x}

    Pour tout x∈Rx\in \mathbb{R}, on sait que e−x>0e^{-x}>0 .
    Le signe de f′′f'' dépend alors de xx .
    Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de xx lorsque xx sera supérieur ou égale à 00.
    Il en résulte donc que :
    • si x∈]−∞;0]x\in\left]-\infty;0\right] alors f′′(x)≤0f''\left(x\right)\le0 et donc ff est concave\red{\text{concave}} sur cet intervalle.
    • si x∈[0;+∞[x\in\left[0;+\infty\right[ alors f′′(x)≥0f''\left(x\right)\ge0 et donc ff est convexe\red{\text{convexe}} sur cet intervalle.
    Ainsi :
    • ff possède un point d'inflexion lorsque sa dérivée seconde s'annule et change de signe en ce point.
    En x=0x = 0, la dérivée seconde s’annule et change de signe donc le point AA d’abscisse 00 de Cf\mathscr{C_f} est le point d’inflexion\text{\red{point d’inflexion}} de cette courbe.

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