On considère une fonction définie sur l’ensemble des réels par :
Sa représentation graphique est notée \(\mathcal C_f\). On donne les points \(A(0\,;\frac12)\) et \(B(1\,;\frac54)\). La droite \(\mathcal T\) représentée ci-dessous est la tangente à \(\mathcal C_f\) au point \(A\) ; elle passe aussi par \(B\).
Partie A — Observations graphiques
Les réponses sont lues sur la figure, sans calcul justificatif.
- Lire sur le graphique une équation cartésienne réduite de \(\mathcal T\).
- Repérer les domaines sur lesquels la courbe semble correspondre à une fonction convexe, puis concave.
Partie B — Étude analytique
On travaille sur l’ensemble des nombres réels.
- Calculer l’expression de la dérivée \(f'(x)\).
- En déduire le sens de variation de \(f\) sur \(\mathbb R\).
- Calculer les deux limites de \(f\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\) puis vers \(-\infty\).
- Trouver exactement la valeur réelle \(\alpha\) telle que \(f(\alpha)=0{,}99\).
Partie C — Tangente et convexité
- Établir algébriquement l’équation de la tangente \(\mathcal T\) au point d’abscisse \(0\).
- Étudier les signes de \(f''(x)\) sur \(\mathbb R\), en utilisant l’expression admise ci-dessous.
- Exploiter cette étude pour :
- préciser les intervalles de convexité et de concavité ;
- identifier la nature géométrique du point \(A\) ;
- comparer la position de \(\mathcal C_f\) et de sa tangente \(\mathcal T\) selon le signe de \(x\), en justifiant.
Formule admise : \(f\) est deux fois dérivable et, pour tout \(x\in\mathbb R\) :
Corrigé détaillé
Recherche d’abord chaque partie. Déplie les corrections uniquement lorsque tu as terminé.
Corrigé de la partie A — Lecture graphique
1. Équation de la tangente
On lit \(A(0;\frac12)\) et \(B(1;\frac54)\). Le coefficient directeur de la droite est :
\[m=\frac{\frac54-\frac12}{1-0}=\frac34.\]Elle coupe l’axe des ordonnées à \(\frac12\).
2. Convexité lue sur la figure
La pente des tangentes à la courbe augmente avant \(x=0\), puis diminue ensuite. Le graphique suggère que \(f\) est convexe sur \(]-\infty;0]\), et concave sur \([0;+\infty[\). Cela sera démontré dans la partie C.
Corrigé de la partie B — Dérivée, variations et limite
1. Dérivée
En posant \(u(x)=1+\mathrm e^{-3x}\), on a \(u'(x)=-3\mathrm e^{-3x}\) et \(f=1/u\). Par dérivation de l’inverse :
2. Variations et tableau
Pour tout \(x\in\mathbb R\), \(\mathrm e^{-3x}>0\), donc le numérateur et le dénominateur de \(f'(x)\) sont strictement positifs. Par conséquent \(f'(x)>0\) et \(f\) est strictement croissante sur \(\mathbb R\).
3. Limites aux bornes du domaine
Quand \(x\to+\infty\), on a \(\mathrm e^{-3x}\to0\). Ainsi :
\[\boxed{\lim_{x\to+\infty}f(x)=1}.\]Quand \(x\to-\infty\), on a \(\mathrm e^{-3x}\to+\infty\). Par conséquent :
\[\boxed{\lim_{x\to-\infty}f(x)=0}.\]Les droites \(y=0\) et \(y=1\) sont des asymptotes horizontales aux extrémités correspondantes.
4. Résolution de \(f(x)=0{,}99\)
On transforme l’égalité de manière équivalente :
\[\frac{1}{1+\mathrm e^{-3x}}=\frac{99}{100}\iff 100=99(1+\mathrm e^{-3x})\] \[\iff\mathrm e^{-3x}=\frac1{99}\iff -3x=-\ln99.\]Cette solution est unique puisque \(f\) est strictement croissante ; elle existe aussi par continuité de \(f\), car \(0{,}99\) appartient à l’intervalle \(]0;1[\) décrit par \(f\).
Corrigé de la partie C — Convexité et point d’inflexion
1. Équation obtenue par dérivation
On calcule \(f(0)=\frac12\) et \(f'(0)=\frac{3}{(1+1)^2}=\frac34\). La formule d’une tangente au point d’abscisse \(a\) est \(y=f'(a)(x-a)+f(a)\). Pour \(a=0\) :
2. Signe de la dérivée seconde
Pour tout \(x\), \(9\mathrm e^{-3x}>0\) et \((1+\mathrm e^{-3x})^3>0\). Le signe de \(f''(x)\) est donc celui de \(\mathrm e^{-3x}-1\).
Comme la fonction exponentielle est strictement croissante, \(\mathrm e^{-3x}>1\iff -3x>0\iff x<0\). De même, l’expression est nulle en \(0\) et négative pour \(x>0\).
3. Convexité, inflexion et position relative
a. Sur \(]-\infty;0]\), \(f''\ge0\), donc \(f\) est convexe. Sur \([0;+\infty[\), \(f''\le0\), donc \(f\) est concave.
b. Comme \(f''\) change de signe lorsque \(x\) traverse \(0\), le point \(A(0;\frac12)\) est un point d’inflexion de \(\mathcal C_f\).
c. Une fonction convexe possède une courbe située au-dessus de ses tangentes sur un intervalle de convexité. Inversement, pour une fonction concave, la courbe est en dessous.
L’égalité a lieu en \(x=0\), point de contact des deux tracés.