Epreuve d'enseignement de spécialité Métropole Antilles-Guyane 9 septembre 2022 : fonction logarithme, suites - Exercice 1

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On considère la fonction ff définie sur ]0;+∞[\left]0 ; +\infty \right[ par : f(x)=x−xln⁡(x)f\left(x\right)=x-x\ln\left(x\right) où ln⁡\ln désigne la fonction logarithme népérien.
Question 1

Déterminer la limite de f(x)f\left(x\right) quand xx tend vers 00.

Correction
    Pour tout nombre entier nn strictement positif, on a :
  • lim⁡x→0+xnln⁡(x)=0\lim\limits_{x\to 0^{+}} x^{n} \ln \left(x\right)=0
  • lim⁡x→0+x=0lim⁡x→0+xln⁡(x)=0}par soustraction :\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to 0^{+} } x} & {=} & {0} \\ {\lim\limits_{x\to 0^{+} } x\ln \left(x\right)} & {=} & {0 } \end{array}\right\}{\red{\text{par soustraction :}}}
    lim⁡x→0+f(x)=0{\mathop{\lim }\limits_{x\to 0^{+} }} f\left(x\right)=0
    Question 2

    Déterminer la limite de f(x)f\left(x\right) quand xx tend vers +∞+\infty.

    Correction
    Soit f(x)=x−xln⁡(x)f\left(x\right)=x-x\ln\left(x\right) ; nous allons factoriser par xx afin de pourvoir lever la forme indéterminée.
    f(x)=x(1−ln⁡(x))f\left(x\right)=x\left(1-\ln\left(x\right)\right)
    lim⁡x→+∞ln⁡(x)=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } \ln \left(x\right)=+\infty
    lim⁡x→+∞x=+∞lim⁡x→+∞1−ln⁡(x)=−∞}par produit :\left. \begin{array}{ccc} {\lim\limits_{x\to +\infty } x} & {=} & {+\infty} \\ {\lim\limits_{x\to +\infty } 1-\ln \left(x\right)} & {=} & {-\infty} \end{array}\right\}{\red{\text{par produit :}}}
    lim⁡x→+∞f(x)=−∞\lim\limits_{x\to +\infty } f\left(x\right)=-\infty
    Question 3

    On admet que la fonction ff est dérivable sur ]0;+∞[\left]0 ; +\infty \right[ et on note f′f' sa fonction dérivée.
    Démontrer que, pour tout réel x>0x > 0 , on a : f′(x)=−ln⁡(x)f'\left(x\right)=-\ln\left(x\right) .

    Correction
    Soit f(x)=x−xln⁡(x)f\left(x\right)=x-x\ln\left(x\right). ff est dérivable sur ]0;+∞[\left]0 ; +\infty \right[ .
      Deˊriveˊe du produit\text{\purple{Dérivée du produit}}
    On considère deux fonctions uu et vv, dérivables sur un intervalle II alors
    (uv)′=u′v+uv′\left(uv\right)'=u'v+uv'
    Ici on reconnaît la forme (w−uv)′=w′−(u′v+uv′)\color{red}\boxed{\left(w-uv\right)'=w'-\left(u'v+uv'\right)} avec u(x)=xu\left(x\right)=x ; v(x)=ln⁡(x)v\left(x\right)=\ln \left(x\right) et w(x)=xw\left(x\right)=x.
    Ainsi u′(x)=1u'\left(x\right)=1 ; v′(x)=1xv'\left(x\right)=\frac{1}{x} et w′(x)=1w'\left(x\right)=1.
    Il vient alors que :
    f′(x)=1−(1×ln⁡(x)+x×1x)f'\left(x\right)=1-\left(1\times \ln \left(x\right)+x\times \frac{1}{x}\right)
    f′(x)=1−(ln⁡(x)+xx)f'\left(x\right)= 1-\left(\ln \left(x\right)+\frac{x}{x}\right)
    f′(x)=1−(ln⁡(x)+1)f'\left(x\right)=1-\left(\ln \left(x\right)+1\right)
    Ainsi :
    f′(x)=−ln⁡(x)f'\left(x\right)=-\ln \left(x\right)

    Question 4

    En déduire les variations de la fonction ff sur ]0;+∞[\left]0 ; +\infty \right[ et dresser son tableau de variations.

    Correction
    Soit x>0x>0.
    Etudions le signe de f′f'.
    −ln(x) ≥0-{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }\ge 0
    ln(x) ≤0{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }\le 0
    eln(x) ≤e0e^{{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }}\le e^0
    x≤1x\le 1
    Il en résulte donc que :
    • si x∈]0;1]x\in\left]0;1\right] alors f′(x)≥0f'\left(x\right)\ge0 donc la fonction ff est croissante sur cet intervalle.
    • si x∈[1;+∞[x\in\left[1;+\infty\right[ alors f′(x)≤0f'\left(x\right)\le0 donc la fonction ff est décroissante sur cet intervalle.
    Nous traduisons cela dans un tableau de variation, il vient alors que :
    De plus :
    f(1)=1−1×ln⁡(1)f\left(1\right)=1-1\times\ln\left(1\right) ainsi f(1)=1f\left(1\right)=1 .
    Question 5

    Résoudre l’équation f(x)=xf\left(x\right)=x sur ]0;+∞[\left]0 ; +\infty \right[.

    Correction
    x−xln(x) =xx-x{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }=x
    −xln(x) =x−x-x{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }=x-x
    −xln(x) =0-x{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }=0
    xln(x) =0x{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }=0
    On reconnait une équation produit nul :
    x=0x=0 ou ln(x) =0{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }=0.
    D'une part : x=0x=0
    D'autre part : ln(x) =0⟺eln(x) =e0⟺x=1{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }=0\Longleftrightarrow e^{{\mathrm{ln} \left(x\right)\ }}=e^0\Longleftrightarrow x=1
    N'oublions pas que nous travaillons sur l'intervalle ]0;+∞[\left]0 ; +\infty \right[.
    il en résulte qu'il n'y a qu'une seule solution x=1x=1.
    Ainsi :
    S={1}S=\left\{1\right\}
    Question 6

    On considère la suite (un)\left(u_n\right) définie par : {u0=0,5un+1=un−unln(un) \left\{ \begin{array}{ccc}u_0 & = & 0,5 \\ u_{n+1} & = & u_n-u_n{\mathrm{ln} \left(u_n\right)\ } \end{array}\right. , pour tout entier naturel nn .
    Ainsi, pour tout entier naturel nn, on a : un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_n\right) .
    On rappelle que la fonction ff est croissante sur l’intervalle [0,5;1]\left[0,5;1\right].
    Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel nn, on a : 0,5≤un≤un+1≤10,5\le u_n\le u_{n+1}\le 1 .

    Correction
    Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:12≤un≤un+1≤1P_{n} :\frac{1}{2} \le u_{n} \le u_{n+1} \le 1
    Etape d’initialisation\purple{\text{Etape d'initialisation}}
    On sait que u0=12u_{0} =\frac{1}{2} et u1=u0−u0×ln(u0) u_{1} =u_0-u_0\times{\mathrm{ln} \left(u_0\right)\ } ainsi u1=12−12×ln(12) ≈0,85u_{1} =\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\times{\mathrm{ln} \left(\frac{1}{2}\right)\ }\approx 0,85.
    Ainsi : 12≤u0≤u1≤1\frac{1}{2} \le u_{0} \le u_{1} \le 1
    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 : 12≤uk≤uk+1≤1\frac{1}{2} \le u_{k} \le u_{k+1} \le 1 et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire : 12≤uk+1≤uk+2≤1\frac{1}{2} \le u_{k+1} \le u_{k+2} \le 1
    Par hypothèse de récurrence,
    12≤uk≤uk+1≤1\frac{1}{2} \le u_{k} \le u_{k+1} \le 1 , or f:x↦x−xln⁡(x)f:x\mapsto x-x\ln\left(x\right) une fonction croissante sur ]0;1]\left]0;1\right] et donc croissante en particulier sur [12;1]\left[\frac{1}{2};1\right]. L'ordre est donc conservé , ainsi :
    f(12)≤f(uk)≤f(uk+1)≤f(1)f\left(\frac{1}{2}\right) \le f\left(u_{k}\right) \le f\left(u_{k+1}\right) \le f\left(1\right) . Comme f(x)=x−xln⁡(x)f\left(x\right)=x-x\ln\left(x\right) 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(12)≤uk+1≤uk+2≤f(1)f\left(\frac{1}{2}\right) \le u_{k+1} \le u_{k+2} \le f\left(1\right) .
    De plus : f(12)=12−12×ln(12) ≈0,85f\left(\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\times{\mathrm{ln} \left(\frac{1}{2}\right)\ }\approx 0,85 et f(1)=1f\left(1\right)=1
    Ainsi : 12≤12−12×ln(12) ≤uk+1≤uk+2≤1\red{\frac{1}{2} \le}\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\times{\mathrm{ln} \left(\frac{1}{2}\right)\ } \le u_{k+1} \le u_{k+2}\red{\le 1}
    Finalement : 12≤uk+1≤uk+2≤1\frac{1}{2} \le u_{k+1} \le u_{k+2} \le 1
    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, 0,5≤un≤un+1≤10,5\le u_n\le u_{n+1}\le 1 .
    Question 7

    Montrer 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 minorée par 12\frac{1}{2} car : un≥12u_{n} \ge \frac{1}{2} . De plus, la suite (un)\left(u_{n} \right) est décroissante car à la question précédente nous avons montré que : 0,5≤un≤un+1≤10,5\le u_n\le u_{n+1}\le 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 ℓ\ell .
    Question 8

    On note ℓ\ell la limite de la suite (un)\left(u_n\right). Déterminer la valeur de ℓ\ell.

    Correction
    D'après le théorème du point fixe, ℓ\ell est solution de l'équation
    f(ℓ)=ℓf\left(\ell\right)=\ell

    Or nous avons résolu cette équation à la question 55.
    La limite de la suite (un)\left(u_n\right) est alors
    ℓ=1\ell=1
    .

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