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COURS & EXERCICES DE MATHÉMATIQUES

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Fonctions et suites - Bac S Amérique du Nord 2011

Exercice 4

Partie A

On considère la fonction gg définie sur [0;+[\left[0;+ \infty \right[ par

g(x)=exx1g\left(x\right) = \text{e}^{x} - x - 1

  1. Étudier les variations de la fonction gg.

  2. Déterminer le signe de g(x)g\left(x\right) suivant les valeurs de xx.

  3. En déduire que pour tout xx de [0;+[\left[0;+ \infty \right[ : exx>0\text{e}^{x} - x > 0.

Partie B

On considère la fonction ff définie sur [0;1] par

f(x)=ex1exxf\left(x\right) = \frac{\text{e}^{x} - 1}{\text{e}^{x} - x}

La courbe (C)\left(C\right) représentative de la fonction ff dans le plan muni d'un repère orthonormal est donnée ci-dessous.

Fonctions et suites - Bac S  Amérique du Nord  2011 - 1

Cette figure sera complétée et remise avec la copie à la fin de l'épreuve.

On admet que ff est strictement croissante sur [0;1].

  1. Montrer que pour tout xx de [0;1], f(x)[0;1]f\left(x\right)\in \left[0;1\right].

  2. Soit (D) la droite d'équation y=xy = x.

    1. Montrer que pour tout xx de [0;1], f(x)x=(1x)g(x)exxf\left(x\right) - x = \frac{\left(1 - x\right)g\left(x\right)}{\text{e}^{x} - x}.

    2. Étudier la position relative de la droite (D) et de la courbe (C)\left(C\right) sur [0;1].

    1. Déterminer une primitive de ff sur [0;1].

    2. Calculer l'aire, en unités d'aire, du domaine du plan délimité par la courbe (C)\left(C\right), la droite (CD) et les droites d'équations x=0x = 0 et x=1x = 1.

Partie C

On considère la suite (un)\left(u_{n}\right) définie par :

u0=12u_{0} = \frac{1}{2}

un+1=f(un)u_{n+1} = f\left(u_{n}\right), pour tout entier naturel nn

  1. Construire sur l'axe des abscisses les quatre premiers termes de la suite en laissant apparents les traits de construction.

  2. Montrer que pour tout entier naturel nn : 12unun+11\frac{1}{2} \leqslant u_{n} \leqslant u_{n+1} \leqslant 1.

  3. En déduire que la suite (un)\left(u_{n}\right) est convergente et déterminer sa limite.

Corrigé

Partie A

  1. gg est dérivable sur [0;+[\left[0;+ \infty \right[ et :

    g(x)=ex1g^{\prime}\left(x\right) = \text{e}^{x} - 1.

    Pour x0x \geqslant 0, ex1e^{x} \geqslant 1 donc g(x)0g^{\prime}\left(x\right) \geqslant 0

    La fonction gg est croissante sur [0;+[\left[0;+ \infty \right[.

  2. g(0)=101=0g\left(0\right) = 1 - 0 - 1 = 0.

    Or, la fonction gg est croissante sur [0;+[\left[0;+ \infty \right[, donc pour tout x[0;+[x\in \left[0;+ \infty \right[ : g(x)g(0)=0g\left(x\right) \geqslant g\left(0\right) = 0.

    La fonction gg est positive ou nulle sur [0;+[\left[0;+ \infty \right[.

  3. Sur [0;+[\left[0;+ \infty \right[, g(x)0g\left(x\right) \geqslant 0 donc:

    exx1>0\text{e}^{x} - x - 1 > 0

    exx>1\text{e}^{x} - x > 1.

Partie B

  1. f(0)=111=0f\left(0\right) = \frac{1 - 1}{1} = 0

    f(1)=e1e1=1f\left(1\right) = \frac{\text{e} - 1}{\text{e} - 1} = 1.

    La fonction ff est croissante sur [0;1]\left[0;1\right] donc :

    f(0)f(x)f(1)f\left(0\right) \leqslant f\left(x\right) \leqslant f\left(1\right)

    c'est à dire :

    0f(x)10 \leqslant f\left(x\right) \leqslant 1.

    1. f(x)x=ex1exxx=ex1xex+x2exx=ex(1x)+x21exxf\left(x\right) - x = \frac{\text{e}^{x} - 1}{\text{e}^{x} - x} - x = \frac{\text{e}^{x} - 1 - x\text{e}^{x} + x^{2}}{\text{e}^{x} - x} = \frac{\text{e}^{x}\left(1 - x\right) + x^{2} - 1}{\text{e}^{x} - x} =ex(1x)(1x2)exx=ex(1x)(x+1)(1x)exx=(1x)(exx1)exx =\frac{\text{e}^{x}\left(1 - x\right) - \left(1 - x^{2}\right)}{\text{e}^{x} - x}=\frac{\text{e}^{x}\left(1 - x\right) - \left(x + 1\right)\left(1 - x\right)}{\text{e}^{x} - x} = \frac{\left(1 - x\right)\left(\text{e}^{x} - x - 1\right)}{\text{e}^{x} - x} =(1x)g(x)exx = \frac{\left(1 - x\right)g\left(x\right)}{\text{e}^{x} - x}.

    2. On étudie le signe de f(x)xf\left(x\right) - x sur [0;1]\left[0;1\right]. Sur cet intervalle :

      g(x)0g\left(x\right) \geqslant 0 (d'après A-2)

      exx1>0\text{e}^{x} - x \geqslant 1 > 0 (d'après A-3)

      1x>01 - x > 0

      Donc f(x)x0f\left(x\right) - x \geqslant 0. La courbe (C)\left(C\right) est au dessus de la droite (D)\left(D\right).

    1. ff est du type uu\frac{u^{\prime}}{u}uu est la fonction définie par u(x)=exxu\left(x\right) = \text{e}^{x} - x

      Comme u(x)=exx1>0u\left(x\right) = \text{e}^{x} - x \geqslant 1 > 0, la fonction FF définie par F(x)=ln(u(x))=ln(exx)F\left(x\right) = \ln \left(u\left(x\right)\right) = \ln \left(\text{e}^{x} - x\right) est une primitive de ff sur [0;1]\left[0;1\right]

    2. Sur [0;1], la courbe ((C))\left(\left(C\right)\right) est au dessus de la droite (D)\left(D\right) d'après 2-b.

      L'aire, du domaine délimité par la courbe ((C))\left(\left(C\right)\right), la droite (D)\left(D\right) et les droites d'équations x=0x = 0 et x=1x = 1 est donc égale à :

      01(f(x)x)dx=[F(x)x22]01=F(1)12F(0)\int_{0}^{1} \left(f\left(x\right) - x\right)\text{d}x = \left[F\left(x\right) - \frac{x^{2}}{2}\right]_{0}^{1} = F\left(1\right) - \frac{1}{2} - F\left(0\right) =ln(e11)12ln(e00)=ln(e1)12 = \ln \left(\text{e}^{1} - 1\right) - \frac{1}{2} - \ln \left(\text{e}^{0} - 0\right) =\ln \left(\text{e} - 1\right) - \frac{1}{2}.(en unités d'aire)

Partie C

  1. Fonctions et suites - Bac S  Amérique du Nord  2011 - 2

  2. À terminer ...