Epreuve d'enseignement de spécialité Session 7 Juin 2021 Exercice A - Exercice 1

45 min
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ff désigne une fonction définie et dérivable sur R\mathbb{R}.
On donne ci-dessous la courbe représentative de la fonction dérivée f′f'.
Question 1

Déterminer le coefficient directeur de la tangente à la courbe de la fonction ff en 00.

Correction
Le nombre dérivée de la fonction ff au point 00 est par définition le coefficient directeur de la tangente à la courbe représentative de ff au point d’abscisse 00.
Il se note f′(0)f'\left(0\right).
D'après la lecture graphique, on lit alors que :
f′(0)=0,4f'\left(0\right)=0,4
Question 2

Donner les variations de la fonction dérivée f′f' .

Correction
D'après le graphique, on peut lire que :
  • si x∈]−∞;−2]x\in\left]-\infty;-2\right] alors f′f' est décroissante sur cet intervalle.
  • si x∈[−2;1]x\in\left[-2;1\right] alors f′f' est croissante sur cet intervalle.
  • si x∈[1;+∞[x\in\left[1;+\infty\right[ alors f′f' est décroissante sur cet intervalle.
Question 3

En déduire un intervalle sur lequel ff est convexe.

Correction
Pour étudier la convexité de la fonction ff, nous allons utiliser les variations de f′f'.
  • Si f′f' est croissante [a;b]\left[a;b\right] alors ff est convexe sur [a;b]\left[a;b\right]
  • Si f′f' est décroissante [a;b]\left[a;b\right] alors ff est concave sur [a;b]\left[a;b\right]
D'après le tableau de variation de f′f', on en déduit :
La fonction ff est convexe sur l'intervalle [−2;1]\left[-2;1\right] .
Question 4
La fonction ff est définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ln⁡(x2+x+52)f\left(x\right)=\ln\left(x^2+x+\frac{5}{2}\right) .

Calculer la limite de la fonction ff en −∞-\infty .

Correction
Il s’agit d’une limite par composition.\blue{\text{Il s'agit d'une limite par composition.}}
On commence par calculer lim⁡x→−∞x2+x+52=lim⁡x→−∞x2=+∞\lim\limits_{x\to {\color{red}{-\infty}}} x^2+x+\frac{5}{2}=\lim\limits_{x\to {\color{red}{-\infty}}} x^2= {\color{blue}{+\infty}}.
On pose X=x2+x+52X=x^2+x+\frac{5}{2}.
Ainsi : lim⁡X→+∞ln⁡(X)=+∞\lim\limits_{X\to {\color{blue}{+\infty}} } \ln \left(X\right) ={\color{green}{+\infty}}.
Par composition :
lim⁡x→−∞ln⁡(x2+x+52)=+∞\lim\limits_{x\to {\color{red}{-\infty}} } \ln \left(x^2+x+\frac{5}{2}\right) ={\color{green}{+\infty}}

Question 5

Calculer la limite de la fonction ff en +∞+\infty .

Correction
Il s’agit d’une limite par composition.\blue{\text{Il s'agit d'une limite par composition.}}
On commence par calculer lim⁡x→+∞x2+x+52=lim⁡x→+∞x2=+∞\lim\limits_{x\to {\color{red}{+\infty}}} x^2+x+\frac{5}{2}=\lim\limits_{x\to {\color{red}{+\infty}}} x^2= {\color{blue}{+\infty}}.
On pose X=x2+x+52X=x^2+x+\frac{5}{2}.
Ainsi : lim⁡X→+∞ln⁡(X)=+∞\lim\limits_{X\to {\color{blue}{+\infty}} } \ln \left(X\right) ={\color{green}{+\infty}}.
Par composition :
lim⁡x→+∞ln⁡(x2+x+52)=+∞\lim\limits_{x\to {\color{red}{+\infty}} } \ln \left(x^2+x+\frac{5}{2}\right) ={\color{green}{+\infty}}
Question 6

Déterminer une expression f′(x)f'\left(x\right) de la fonction dérivée de ff pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} .

Correction
La fonction ff est définie sur R\mathbb{R} par f(x)=ln⁡(x2+x+52)f\left(x\right)=\ln\left(x^2+x+\frac{5}{2}\right) .
La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} .
  • (ln⁡(u))′=u′u\left(\ln \left(u\right)\right)^{'} =\frac{u'}{u}
  • On a : u(x)=x2+x+52u\left(x\right)=x^2+x+\frac{5}{2} et u′(x)=2x+1u'\left(x\right)=2x+1
    Ainsi :
    f′(x)=2x+1x2+x+52f'\left(x\right)=\frac{2x+1}{x^2+x+\frac{5}{2}}

    Question 7

    En déduire le tableau des variations de ff . On veillera à placer les limites dans ce tableau.

    Correction
    Soit f′(x)=2x+1x2+x+52f'\left(x\right)=\frac{2x+1}{x^2+x+\frac{5}{2}}
    Pour tout réel xx, le dénominateur x2+x+52x^2+x+\frac{5}{2} est strictement positif car la fonction x↦ln⁡(x2+x+52)x\mapsto \ln\left(x^2+x+\frac{5}{2}\right) est définie sur R\mathbb{R} d'après les hypothèses initiales de la question 44.
    Le signe de f′f' dépend alors du numérateur 2x+12x+1.
    2x+1>0⇔2x>−1⇔x>−122x+1>0 \Leftrightarrow 2x>-1 \Leftrightarrow x>-\frac{1}{2}
    Cela signifie que l'on va mettre le signe ++ dans la ligne de 2x+12x+1 lorsque xx sera supérieur ou égale à −12-\frac{1}{2}.
    Il en résulte donc que :
    • si x∈]−∞;−12]x\in\left]-\infty;-\frac{1}{2}\right] alors f′(x)≤0f'\left(x\right)\le0 et donc ff est décroissante sur cet intervalle.
    • si x∈[−12;+∞[x\in\left[-\frac{1}{2};+\infty\right[ alors f′(x)≥0f'\left(x\right)\ge0 et donc ff est croissante sur cet intervalle.
    Nous traduisons toutes ces informations dans le tableau de variation ci-dessous :
    De plus :
    f(−12)=ln((−12)2−12+52) f\left(-\frac{1}{2}\right)={\mathrm{ln} \left({\left(-\frac{1}{2}\right)}^2-\frac{1}{2}+\frac{5}{2}\right)\ }
    f(−12)=ln(14−12+52) f\left(-\frac{1}{2}\right)={\mathrm{ln} \left(\frac{1}{4}-\frac{1}{2}+\frac{5}{2}\right)\ }
    f(−12)=ln(94) f\left(-\frac{1}{2}\right)={\mathrm{ln} \left(\frac{9}{4}\right)\ }
    Question 8

    Justifier que l’équation f(x)f\left(x\right) a une unique solution α\alpha dans l’intervalle [−12;+∞[\left[-\frac{1}{2};+\infty\right[ .

    Correction
    D'après la question précédente, on a vu que : f(−12)=ln(94) ≈0,81f\left(-\frac{1}{2}\right)={\mathrm{ln} \left(\frac{9}{4}\right)\ }\approx 0,81
  • Sur [−12;+∞[\left[-\frac{1}{2};+\infty\right[ , la fonction ff est continue et strictement croissante.
    De plus, f(−12)=ln(94) f\left(-\frac{1}{2}\right)={\mathrm{ln} \left(\frac{9}{4}\right)\ } et lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to +\infty } f\left(x\right)=+\infty . Or 2∈[ln(94) ;+∞[2\in \left[{\mathrm{ln} \left(\frac{9}{4}\right)\ };+\infty \right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha appartenant à [−12;+∞[\left[-\frac{1}{2};+\infty\right[ tel que f(x)=2f\left(x\right)=2.
  • Question 9

    Donner une valeur approchée de α\alpha à 10−110^{-1} près.

    Correction
    A la calculatrice, on vérifie que :
    f(1,76)≈1,995f\left(1,76\right)\approx 1,995 et f(1,77)≈2,002f\left(1,77\right)\approx 2,002 .
    Or 2∈]1,995;2,002]2\in \left]1,995;2,002\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que :
    1,76≤α≤1,771,76\le \alpha \le 1,77

    Question 10
    La fonction f′f' est dérivable sur R\mathbb{R} . On admet que, pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, f′′(x)=−2x2−2x+4(x2+x+52)2f''\left(x\right)=\frac{-2x^2-2x+4}{\left(x^2+x+\frac{5}{2}\right)^{2}} .

    Déterminer le nombre de points d'inflexion de la courbe représentative de ff .

    Correction
    D'après les hypothèses, on sait que, pour tout réel xx, on a : f′′(x)=−2x2−2x+4(x2+x+52)2f''\left(x\right)=\frac{-2x^2-2x+4}{\left(x^2+x+\frac{5}{2}\right)^{2}}.
    Nous allons étudier le signe de f′′f'' .
    Pour tout réel xx, le dénominateur x2+x+52x^2+x+\frac{5}{2} est strictement positif car la fonction x↦ln⁡(x2+x+52)x\mapsto \ln\left(x^2+x+\frac{5}{2}\right) est définie sur R\mathbb{R} d'après les hypothèses initiales de la question 44.
    Ainsi : (x2+x+52)2>0\left(x^2+x+\frac{5}{2}\right)^{2}>0
    Le signe de f′′f'' dépend alors du numérateur −2x2−2x+4-2x^2-2x+4.
    C'est une équation du second degré, on calcule le discriminant et on détermine les racines.
    Ainsi : Δ=36\Delta = 36 , il existe donc deux racines réelles distinctes telles que : x1=−2x_{1} = -2 et x2=1x_{2} = 1.
    Comme a=−2<0a=-2<0, la parabole est tournée vers le bas c'est-à-dire que f′′f'' est du signe de aa à l'extérieur des racines et du signe opposé à aa entre les racines.
    On en déduit le tableau de signe de f′′f'' et l'étude de la convexité de ff .
    • 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.
    • ff possède un point d'inflexion lorsque sa dérivée seconde s'annule et change de signe en ce point.
    ff admet un point d'inflexion au point d'abscisse −2-2. En effet , la dérivée seconde change bien de signe en −2-2.
    ff admet un point d'inflexion au point d'abscisse 11. En effet , la dérivée seconde change bien de signe en 11.
    La courbe admet donc deux points d'inflexion.

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