Source : baccalauréat 2024, Amérique du Nord, jour 1, exercice 3 (5 points). L'énoncé ci-dessous conserve les données et les objectifs mathématiques du sujet officiel, avec une formulation adaptée et un graphique redessiné.
Il faut justifier les résultats de la partie B, y compris ceux conjecturés dans la partie A. Voir le sujet original en PDF ↗
Partie A — Conjecturer à partir d'un graphique
Nombre dérivé, tangente et changement de convexité.
Dans tout l'exercice, on étudie la fonction définie sur \(]0; +\infty[\) par
On a représenté la courbe \(\mathcal C_f\) ainsi que sa tangente \(T\) au point \(A(1;-1)\). La droite \(T\) passe aussi par \(B(0;-4)\).
Déterminer à partir du graphique la valeur de \(f'(1)\), puis établir une équation de la droite \(T\).
Sur quels intervalles la courbe suggère-t-elle que \(f\) est concave ou convexe ? Quel rôle paraît jouer le point \(A\) ?
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1. Nombre dérivé et tangente
La droite passe par \(A(1;-1)\) et \(B(0;-4)\). Son coefficient directeur est
\[m=\frac{-1-(-4)}{1-0}=3.\]C'est le nombre dérivé au point d'abscisse 1 : \(f'(1)=3\). En utilisant \(A\), on obtient
\[y+1=3(x-1),\qquad \boxed{T:\;y=3x-4}.\]2. Conjecture de convexité
La courbe semble concave sur \(]0;1[\), puis convexe sur \(]1;+\infty[\). Elle semble changer de convexité en \(A(1;-1)\) : c'est un point d'inflexion, ce que l'on démontrera dans la partie B.
Partie B — Justifier par le calcul
Limites, dérivées, convexité et solution unique d'une équation.
Dans toute cette partie, \(x>0\) et
Calculer les limites de \(f\) lorsque \(x\) tend vers \(0\) par valeurs supérieures, puis lorsque \(x\) tend vers \(+\infty\).
- Calculer \(f'(x)\).
- Vérifier que, pour tout \(x>0\),
- Déterminer les intervalles de convexité et de concavité de \(f\), puis préciser si \(A\) est un point d'inflexion.
- Étudier les variations de \(f'\), en déduire son signe sur \(]0;+\infty[\), puis dresser le tableau de variations de \(f\).
- Montrer que l'équation \(f(x)=0\) admet une seule solution \(\alpha\) dans \(]0;+\infty[\).
- Donner \(\alpha\) au centième près, puis établir l'identité suivante :
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1. Limites
Pour \(x>0\), on peut écrire \(\ln(x^2)=2\ln x\). Ainsi,
\[f(x)=2x\ln x-\frac1x.\]Lorsque \(x\to0^+\), on sait que \(x\ln x\to0\), tandis que \(-1/x\to-\infty\). Lorsque \(x\to+\infty\), on a \(2x\ln x\to+\infty\) et \(-1/x\to0\).
\[\boxed{\lim_{x\to0^+}f(x)=-\infty}\qquad\boxed{\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty}.\]2. Dérivées
En dérivant \(2x\ln x-1/x\), on obtient
\[\boxed{f'(x)=2\ln x+2+\frac1{x^2}}.\]Une nouvelle dérivation donne
\[f''(x)=\frac2x-\frac2{x^3}=\frac{2(x^2-1)}{x^3}=\boxed{\frac{2(x-1)(x+1)}{x^3}}.\]3. Convexité et variations
Pour \(x>0\), les facteurs \(x+1\) et \(x^3\) sont strictement positifs. Le signe de \(f''(x)\) est donc celui de \(x-1\) :
- \(f''(x)<0\) sur \(]0;1[\) : \(f\) est concave ;
- \(f''(1)=0\) ;
- \(f''(x)>0\) sur \(]1;+\infty[\) : \(f\) est convexe.
Le signe change en 1 : le point \(A(1;f(1))=(1;-1)\) est donc bien un point d'inflexion.
Comme \(f''\) est la dérivée de \(f'\), la fonction \(f'\) décroît sur \(]0;1]\), puis croît sur \([1;+\infty[\). Elle atteint son minimum en 1 :
\[f'(1)=2\ln1+2+1=3.\]Aux bornes, \(f'(x)\to+\infty\) quand \(x\to+\infty\). Quand \(x\to0^+\), le terme \(1/x^2\) domine en valeur absolue \(2\ln x\), donc \(f'(x)\to+\infty\) également.
En tenant compte des limites établies à la question 1 et de \(f(1)=-1\), on obtient :
4. TVI, unicité et identité exponentielle
La fonction \(f\) est continue sur \(]0;+\infty[\) puisqu'elle est construite à partir de fonctions continues sur cet intervalle. De plus, elle est strictement croissante et ses limites sont \(-\infty\) et \(+\infty\). Le théorème des valeurs intermédiaires, combiné à la stricte monotonie, assure donc l'existence d'une unique solution \(\alpha\) à \(f(x)=0\).
Pour la localiser, on calcule :
\[f(1{,}32)\approx -0{,}0246<0,\qquad f(1{,}33)\approx0{,}0067>0.\]Donc \(1{,}32<\alpha<1{,}33\). Un calcul plus précis donne
Enfin, \(f(\alpha)=0\) signifie
\[2\alpha\ln\alpha-\frac1\alpha=0\quad\Longrightarrow\quad 2\alpha^2\ln\alpha=1.\]Donc \(2\ln\alpha=1/\alpha^2\). Or \(2\ln\alpha=\ln(\alpha^2)\) puisque \(\alpha>0\). En passant à l'exponentielle, on conclut :
\[\boxed{\alpha^2=\exp\!\left(\frac1{\alpha^2}\right)}.\]