ANNALE DU BAC 2023 · POLYNÉSIE · EXERCICE 2

Exponentielle, TVI et convexité

Deux parties complémentaires : prouver l’unicité d’une solution et retrouver des paramètres à partir d’une courbe et d’une tangente.

Terminale spécialitéDeux parties45 à 55 minAnnale adaptée
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Travail demandé. Rédiger les justifications avec soin. Les parties A et B sont indépendantes. Le corrigé est masqué pour permettre de chercher l’exercice en autonomie.

Inspiré de l'exercice 2 du bac Polynésie 2023, sujet 1 (énoncé PDF). Les questions sont reformulées et la figure redessinée.

Partie A — Étude d’une fonction

Limites, dérivée seconde, variations de la dérivée et existence d’une unique solution.

On considère la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb R\) par :

\[f(x)=\left(x+\frac12\right)e^{-x}+x.\]
  1. Déterminer les limites de \(f\) lorsque \(x\to -\infty\) et lorsque \(x\to+\infty\).
  2. On admet que \(f\) est deux fois dérivable sur \(\mathbb R\).
    1. Montrer que \(f''(x)=\left(x-\dfrac32\right)e^{-x}\).
    2. En déduire les variations de \(f'\) et préciser son minimum.
    3. Justifier que \(f'(x)>0\) pour tout réel \(x\).
    4. Démontrer que l’équation \(f(x)=0\) possède une unique solution réelle \(\alpha\).
    5. Donner la valeur de \(\alpha\) arrondie au millième.
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1. Étudier les limites

Quand \(x\to-\infty\), on a \(x+\frac12\to-\infty\) et \(e^{-x}\to+\infty\). Leur produit tend donc vers \(-\infty\), tout comme \(x\). D’où :

\[\boxed{\lim_{x\to-\infty}f(x)=-\infty}.\]

À \(+\infty\), les croissances comparées donnent \(xe^{-x}=\frac{x}{e^x}\to0\), ainsi que \(e^{-x}\to0\). Donc \(f(x)=xe^{-x}+\frac12 e^{-x}+x\), et :

\[\boxed{\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty}.\]

2.a. Calculer la dérivée seconde

On dérive le produit \(\left(x+\frac12\right)e^{-x}\) :

\[f'(x)=e^{-x}-\left(x+\frac12\right)e^{-x}+1=\left(\frac12-x\right)e^{-x}+1.\]

En dérivant une nouvelle fois :

\[\begin{aligned}f''(x)&=-e^{-x}-\left(\frac12-x\right)e^{-x}\\&=\boxed{\left(x-\frac32\right)e^{-x}}.\end{aligned}\]

2.b. Étudier les variations de la dérivée

Puisque \(e^{-x}>0\) sur \(\mathbb R\), \(f''\) est négative avant \(\frac32\) et positive après. Ainsi \(f'\) décroît puis croît : elle admet donc un minimum en \(x=\frac32\).

xf″(x)f′(x)3/20+1

Sa valeur minimale est :

\[\boxed{f'\!\left(\frac32\right)=1-e^{-3/2}\approx0{,}777}.\]

2.c. Donner le signe de \(f'\)

Le minimum de \(f'\) est strictement positif, puisque \(0 \[\boxed{\forall x\in\mathbb R,\quad f'(x)>0}.\]

2.d. Justifier l’existence et l’unicité de la solution

La fonction \(f\) est continue sur \(\mathbb R\) car elle est dérivable. Elle est strictement croissante sur \(\mathbb R\) car \(f'>0\). Enfin, ses limites sont \(-\infty\) et \(+\infty\).

Par le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires, il existe un unique réel \(\alpha\) tel que \(f(\alpha)=0\).

xf′(x)f(x)++0

2.e. Calculer une valeur approchée de \(\alpha\)

À la calculatrice, on obtient :

\[f(-0{,}286)\approx-0{,}001146<0\quad\text{et}\quad f(-0{,}285)\approx0{,}000899>0.\]

La stricte croissance donne \(-0{,}286<\alpha<-0{,}285\), mais pour établir correctement l’arrondi, on utilise une approximation plus fine : \(\alpha\approx-0{,}28543966\).

À \(10^{-3}\) près, \(\boxed{\alpha\approx-0{,}285}\).

Partie B — Convexité et détermination de paramètres

Une lecture de courbe, un point d’inflexion et l’équation d’une tangente.

On considère une fonction \(h\) deux fois dérivable sur \(\mathbb R\), de la forme :

\[h(x)=(ax+b)e^{-x}+x,\qquad a,b\in\mathbb R.\]

Le graphique ci-dessous représente la courbe \(\mathcal C_h\), ainsi que les points \(A(-2;-2{,}5)\) et \(B(2;3{,}5)\).

-3-2-11234567-3-2-11234OxyABCh
Courbe et points de l’énoncé, redessinés à partir des données mathématiques de l’annale. Repère orthonormé.
  1. Estimer graphiquement l’abscisse du point d’inflexion de la courbe \(\mathcal C_h\), s’il existe.
  2. On donne, pour tout réel \(x\) : \(h''(x)=\left(x-\frac32\right)e^{-x}\). Utiliser cette expression pour confirmer ou infirmer la conjecture.
  3. Déterminer une équation cartésienne réduite de la droite \((AB)\).
  4. On sait que \((AB)\) est tangente à \(\mathcal C_h\) au point d’abscisse \(0\). Retrouver les valeurs exactes des paramètres \(a\) et \(b\).
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1. Conjecturer un point d’inflexion

En observant la courbe, sa convexité semble changer pour une abscisse voisine de \(1{,}5\).

2. Vérifier la conjecture

Comme \(e^{-x}>0\), le signe de \(h''(x)\) est exactement le signe de \(x-\frac32\).

xh″(x)3/20+

La fonction \(h\) est concave sur \(]-\infty;\frac32]\), puis convexe sur \([\frac32;+\infty[\). Le changement de signe de \(h''\) confirme l’existence d’un unique point d’inflexion d’abscisse \(\boxed{\frac32}\).

3. Déterminer l’équation de \((AB)\)

Le coefficient directeur de la droite \((AB)\) vaut :

\[m=\frac{3{,}5-(-2{,}5)}{2-(-2)}=\frac64=\frac32.\]

En utilisant \(B(2;3{,}5)\), on obtient \(3{,}5=\frac32\times2+p\), donc \(p=\frac12\).

\(\boxed{(AB):\ y=\frac32x+\frac12}\)

4. Identifier les coefficients \(a\) et \(b\)

La tangente en \(0\) passe par \(\left(0;\frac12\right)\) et a pour pente \(\frac32\). On en déduit les deux conditions :

\[h(0)=\frac12\qquad\text{et}\qquad h'(0)=\frac32.\]

Or \(h(0)=b\). Donc \(b=\frac12\).

Par dérivation, on obtient :

\[h'(x)=(a-ax-b)e^{-x}+1.\]

En évaluant en \(x=0\) :

\[h'(0)=a-b+1=\frac32\quad\Longrightarrow\quad a-b=\frac12.\]

Comme \(b=\frac12\), il vient \(a=1\).

\(\boxed{a=1\quad\text{et}\quad b=\frac12}\). Ainsi \(h(x)=\left(x+\frac12\right)e^{-x}+x=f(x)\).
Idée de synthèse. Le changement de signe de la dérivée seconde repère le point d’inflexion ; les conditions \(h(0)\) et \(h'(0)\) permettent de retrouver les coefficients d’une expression inconnue.
Source vérifiable : Baccalauréat 2023, Polynésie française, sujet 1, exercice 2 — énoncé original (PDF) et corrigé de référence (PDF). Les questions et explications ont été reformulées pour Mission Maths ; le graphique est redessiné. Ce n’est pas un fac-similé de la copie officielle.