EXERCICE DE SYNTHÈSE N° 6 · BAC 2025 · POLYNÉSIE

Logarithme, convexité et tangentes

Un véritable exercice de bac pour exploiter une fonction auxiliaire, démontrer une croissance stricte et déterminer le nombre de tangentes de pente donnée.

Terminale spécialité5 points au bac7 questions45 à 55 min
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Consigne. Justifier chaque réponse. Les sept questions sont celles de l’exercice 2 du bac 2025, Polynésie, jour 2, organisées ici en trois parties pédagogiques. Les formulations ont été adaptées, mais les données et objectifs mathématiques sont conservés.

Consulter le sujet officiel (PDF) ↗ · Code repère : 25-MATJ2PO1.

Partie A — Découvrir la fonction

Questions 1 à 3 du sujet : conjectures, équation et limite.

On considère la fonction \(f\) définie sur \(]2;+\infty[\) par :

\[\boxed{f(x)=x\ln(x-2)}\]
2 3 4 5 6 7 8 -6 -3 0 3 6 9 12 15 x Cf
Courbe \(\mathcal C_f\) de la fonction \(f\), redessinée à partir de son expression. La droite verticale en pointillés correspond à \(x=2\).
1Observations graphiques.

À l’aide du graphique, proposer le sens de variation de \(f\), les limites aux bornes de son domaine, ainsi que l’existence éventuelle d’asymptotes.

2Résolution d’une équation.

Résoudre \(f(x)=0\) pour \(x>2\).

3Limite au bord du domaine.

Calculer \(\displaystyle\lim_{x\to 2^+} f(x)\). Quelle conjecture graphique ce résultat confirme-t-il ?

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1. Conjectures à partir du graphique

La courbe semble strictement croissante sur \(]2;+\infty[\). Quand \(x\) se rapproche de 2 par valeurs supérieures, \(f(x)\) semble tendre vers \(-\infty\) ; pour \(x\to+\infty\), la courbe monte sans borne.

On conjecture donc que la droite \(x=2\) est une asymptote verticale. Il n’apparaît pas d’asymptote horizontale à droite.

2. Résoudre \(f(x)=0\)

Sur le domaine, \(x>2\), donc \(x\neq0\). Ainsi :

\[x\ln(x-2)=0\iff\ln(x-2)=0\iff x-2=1.\]
La seule solution est \(\boxed{x=3}\).

3. Limite quand \(x\to 2^+\)

Lorsque \(x\to2^+\), on a \(x-2\to0^+\) et \(\ln(x-2)\to-\infty\), tandis que \(x\to2>0\).

\[\boxed{\lim_{x\to2^+}x\ln(x-2)=-\infty}.\]

Cette limite confirme l’existence de l’asymptote verticale d’équation \(x=2\).

Partie B — Variations et convexité

Questions 4 à 6 : dérivée, fonction auxiliaire, tableaux et inflexion.

4Calculer la dérivée de \(f\).

Montrer que, pour tout \(x>2\),

\[f'(x)=\ln(x-2)+\frac{x}{x-2}.\]
5Étudier la fonction auxiliaire.

On pose \(g=f'\) sur \(]2;+\infty[\).

  1. Établir que \(\displaystyle g'(x)=\frac{x-4}{(x-2)^2}\).
  2. On admet les limites \(\displaystyle\lim_{x\to2^+}g(x)=+\infty\) et \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}g(x)=+\infty\). Construire le tableau de variations de \(g\), en indiquant la valeur exacte de son extremum.
  3. Justifier que \(g(x)>0\) pour tout \(x>2\).
  4. En déduire les variations de \(f\) sur \(]2;+\infty[\).
6Étudier la convexité de \(f\).

Déterminer les intervalles de concavité et de convexité de \(f\), puis les coordonnées de son éventuel point d’inflexion.

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4. Dérivation

On dérive le produit de \(x\) par \(\ln(x-2)\) :

\[f'(x)=1\cdot\ln(x-2)+x\cdot\frac1{x-2}.\]
\(\boxed{f'(x)=\ln(x-2)+\dfrac{x}{x-2}}\).

5.a. Dérivée de la fonction auxiliaire

En dérivant terme à terme :

\[\begin{aligned}g'(x)&=\frac1{x-2}+\frac{(x-2)-x}{(x-2)^2}\\&=\frac{x-2-2}{(x-2)^2}\\&=\boxed{\frac{x-4}{(x-2)^2}}.\end{aligned}\]

5.b. Tableau de variations de \(g\)

Le dénominateur \((x-2)^2\) est positif, donc \(g'\) est du signe de \(x-4\). La fonction \(g\) décroît sur \(]2;4]\), puis croît sur \([4;+\infty[\). Son minimum est atteint en 4 :

\[\boxed{g(4)=\ln2+\frac42=2+\ln2}.\]
xg′(x)g(x) 24+∞−0+ +∞2 + ln 2+∞

5.c. Positivité de \(g\)

Comme \(\ln2>0\), on a \(g(4)=2+\ln2>0\). Puisque cette valeur est le minimum global de \(g\),

\(\boxed{\forall x>2,\quad g(x)>0}\).

5.d. Variations de \(f\)

On a \(f'=g>0\) : la fonction \(f\) est donc strictement croissante sur \(]2;+\infty[\). De plus, \(x\ln(x-2)\to+\infty\) lorsque \(x\to+\infty\).

xf′(x)f(x) 2+∞+−∞+∞

6. Convexité et point d’inflexion

Comme \(f'=g\), on a \(f''=g'\). Ainsi :

\[f''(x)=\frac{x-4}{(x-2)^2}.\]

Le dénominateur est strictement positif ; le signe de \(f''\) est donc celui de \(x-4\).

xf″(x)f 24+∞−0+concaveconvexe

\(f\) est concave sur \(]2;4]\), puis convexe sur \([4;+\infty[\). La dérivée seconde change effectivement de signe en 4, donc la courbe admet un unique point d’inflexion :

\(\boxed{I\left(4\,;\,4\ln2\right)}\).

Partie C — Deux tangentes parallèles

Question 7 : exploiter les variations de \(g=f'\).

7Déterminer le nombre de tangentes de pente 3.

Combien de points de la courbe \(\mathcal C_f\) admettent une tangente dont le coefficient directeur vaut exactement 3 ? Justifier la réponse.

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Condition sur la dérivée

En un point d’abscisse \(a\), le coefficient directeur de la tangente est \(f'(a)=g(a)\). On recherche donc le nombre de solutions de :

\[g(a)=3.\]

La fonction \(g\) est continue, strictement décroissante sur \(]2;4]\), strictement croissante sur \([4;+\infty[\), et tend vers \(+\infty\) aux deux bornes. Or :

\[g(4)=2+\ln2<3\qquad\text{car}\quad\ln2<1.\]

Le théorème des valeurs intermédiaires, combiné à la stricte monotonie sur chacun des deux intervalles, garantit une et une seule solution sur \(]2;4[\) et une et une seule sur \(]4;+\infty[\).

La courbe possède \(\boxed{\textbf{exactement deux tangentes de pente 3}}\).

Pour aller plus loin : situer les tangentes

Cette précision n’était pas demandée dans le sujet officiel. On remarque que \(g(3)=\ln1+3=3\) : la première tangente est située en \(A(3;0)\) et a pour équation \(y=3x-9\).

La seconde abscisse vaut environ \(6{,}922\), par résolution numérique de \(g(x)=3\).

2 3 4 5 6 7 8 -6 -3 0 3 6 9 12 15 x Cf A B
Corrigé : deux tangentes distinctes de coefficient directeur 3 (orange et violette). Leur parallélisme apparaît graphiquement.
Réflexe bac. Pour compter les tangentes ayant une pente fixée, on étudie l’équation \(f'(x)=m\). Le tableau de variations de \(f'\) peut suffire : il n’est pas toujours nécessaire de résoudre l’équation explicitement.
Source officielle : Baccalauréat général, spécialité mathématiques, session 2025, Polynésie, jour 2, exercice 2 (5 points), code 25-MATJ2PO1. Voir l’énoncé original en PDF. Les sept questions sont reformulées sans modifier les objectifs mathématiques ; la courbe, les tableaux et le corrigé ont été créés pour Mission Maths. Ce document n’est pas un fac-similé du sujet officiel.