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frct_002.tex

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\exo {\' Etude d'une fonction rationnelle}
 
\let \partie \centerpartie
 
\partie {A}
 
Soit $C$ la courbe d'équation 
$\displaystyle 
   y = a + {2x + b\over x^2 + 2}
$$a$ et $b$ sont des constantes réelles.
 
Déterminer les nombres réels $a$ et $b$ sachant que la courbe $C$
passe par les points $A (-1; 0)$ et 
$\displaystyle 
   B \left( 2; {3\over 2}\right)
$.
 
\partie {B}
On considère la fonction $f$ définie pour tout $x$ de $[-6; 6]$ par
$$
   f (x) = {x^2 + 2x + 1 \over x^2 + 2}
$$
et on note $C_f$ sa courbe représentative dans un repère orthogonal
$(O, \vec u, \vec v)$.
 
\itemnum On note $\Delta $ la droite d'équation $y = 1$.
 
\itemitemalph Déterminer les coordonnées du point d'intersection de $C_f$
et $\Delta $.
 
\itemitemalph \' Etudier le signe de $f (x) - 1$. En déduire les
positions relatives de $C_f$ et $\Delta $.
 
\itemitemalphnum Reproduire puis compléter le tableau de valeurs
ci-dessous (on donnera des valeurs à $10^{-2}$)~près~:
$$\vcenter {\offinterlineskip 
   \def \cc#1{%
      \hbox to 14truemm {\hfill #1\hfill }}
\halign {
   % preamble
      #\tv && \cc {$#$}& #\tv
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & x&& -6&& -4&& -2&& -1&& 0&& 1&& 2&& 4&& 6& 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & f (x)&& && && && && && && && && & 
   \cr
   \noalign {\hrule }
}}
$$
 
\itemitemalph Ces résultat numériques sont-ils cohérents avec votre
réponse du {\bf 1.}{\sl b\/})~? (Justifier.)
 
\itemnum Calculer $f'$, la fonction dérivée de $f$, et montrer que
l'on a
$$
   f' (x) = {2 \times \big( -x^2 + x + 2\big) \over \big( x^2 + 2\big) ^2}
$$
 
\itemitemalphnum \' Etudier, suivant les valeurs de $x$, le signe de
la fonction dérivée $f' (x)$.
 
\itemitemalph En déduire le tableau de variation de $f$ sur
l'intervalle $[-6\, ; 6]$.
 
\itemnum Déterminer une équation de $T$, la tangente à la courbe $C_f$
au point d'abscisse~$0$.
 
\itemnum Représenter, sur l'intervalle $[-6\, ; 6]$, la courbe $C_f$, la
tangente $T$  et la droite $\Delta $. (unités graphiques~: 1~cm ou
1~grand carreau sur $Ox$, et 3~cm ou 3~grand carreaux sur $Oy$.)
 
\finexo
 
\corrige {}
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
\vskip -5mm
\item {} Les points $A$ et $B$ sont sur la courbe $C$, donc leurs
coordonnées respectives vérifient l'équation de la courbe $C$. On a
donc le système de deux équations~:
$$
   \cases {
      0 = a + {b - 2\over 3}
   \cr
      {3\over 2} = a + {4 + b\over 4 + 2}
   \cr }
      \quad \Longrightarrow \quad
   \matrix {
      \scriptstyle (1)
   \cr
      \scriptstyle (2)
   \cr }
   \cases {
      0 = 3a + b - 2
   \cr
     9 = 6a + 4 + b
   \cr }
      \quad \Longrightarrow \quad
   \matrix {
   \cr
      \scriptstyle (2) - (1)
   \cr }
   \cases {
      0 = 3a + b - 2
   \cr
     9 = 3a + 6 
   \cr }
      \quad \Longrightarrow \quad
   \cases {
      b = -1
   \cr
      a = 1
   \cr }
$$
d'où~: la courbe $C$ a pour équation \dresultat {y = 1 + {x
- 1\over x^2 + 2}}.
 
\partie {B}
\vskip -5mm
\itemalphnum Chercher le point d'intersection de $C_f$ et $\Delta $
revient à résoudre le système
$$
   \cases {
      y = f (x)
   \cr
      y = 1
   \cr }
      \quad \Leftrightarrow \quad
   \cases {
      1 = {x^2 + 2x + 1 \over x^2 + 2}
   \cr
      y = 1
   \cr }
      \quad \Leftrightarrow \quad
   \cases {
      x^2 + 2 = x^2 + 2x + 1
   \cr
      y = 1
   \cr }
      \quad \Leftrightarrow \quad
   \cases {
      1 = 2x
   \cr
      y = 1
   \cr }
$$
D'où l'unique point d'intersection \dresultat {I (1/ 2,1) }.
 
\itemalph On a 
$$
   f(x) - 1 = {x^2 + 2x + 1 \over x^2 + 2} - {x^2 + 2\over x^2 + 2}
      = {2x - 1 \over x^2 + 2}
$$
Ce quotient est du signe de $(2x-1) \times (x^2+2)$, mais comme
$x^2+2$ est toujours positif, seul intervient le signe de $2x-1$, d'où
le tableau récapitulatif suivant~:
$$\dresultat {\vcenter {\offinterlineskip \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv width 1pt & $#$ & \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}& $#$
   \cr
      x&& -\infty && 1/2 && +\infty 
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      2x-1 && &  - & 0& + &
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      f (x) - g (x) && & - & 0 & +
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
   \hbox {positions relatives}& \tvi height 15pt& & 
      \matrix {C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessous\ de\ } \Delta }& \tv &
      \matrix {C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessus\ de\ } \Delta }& 
   \cr
}}}
$$
 
\itemalphnum On obtient
$$\vcenter {\offinterlineskip 
   \def \cc#1{%
      \hbox to 12.5mm {\hfill #1\hfill }}
\halign {
   % preamble
      #\tv && \cc {$#$}& #\tv
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & x&& -6&& -4&& -2&& -1&& 0&& 1&& 2&& 4&& 6& 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & f (x)&& 0, 66&& 0, 5&& 0, 17&& 0&& 0, 5&& 1, 33&& 1, 5&& 1,
39&& 1, 29&  
   \cr
   \noalign {\hrule }
}}
$$
 
\itemalph \tresultat {Les résultats sont cohérents} puisque l'on a bien
$f (x) \leq 1$ pour $x< 1/2$ et $f (x) \geq 1$ pour $x> 1/2$.
 
\itemnum On utilise la formule de dérivée d'un quotient
$$
   \left( {u\over v}\right) ' = {u'v - uv' \over v^2}.
$$
Il vient alors
$$
   f' (x) = {(2x+2)(x^2+2) - 2x(x^2+2x+1) \over \left( x^2+2\right) ^2}
      = {-2x^2 +2x +4 \over \left( x^2+2\right) ^2}
$$
On a donc bien
$$\dresultat {
   f' (x) = {2 \times \big( -x^2 + x + 2\big) \over \big( x^2 + 2\big) ^2}
}$$
 
\itemnum Ce quotient est du signe du produit $2 \times \big( -x^2
+ x + 2\big) \times \big( x^2 + 2\big) ^2$, mais comme $2$ et $\big(
x^2 + 2\big) ^2$ sont strictement positifs, seul le signe de
$-x^2+x+2$ intervient.
On utilise alors la méthode du discriminant $\Delta $, ici égal à $9$,
pour trouver les 2~racines 
$$
   x_1 = {-1+3\over -2} = -1
      \qquad {\rm et} \qquad
   x_2 = {-1-3\over -2} = 2
$$
et l'on sait que le polynôme $-x^2+x+2$ est du signe de $-a$ (donc ici
positif) entre les racines $x_1$ et $x_2$. D'où le tableau de
variation de $f$ sur $[-6\, ; 6]$:
$$\dresultat {
\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& -6&& -1&& 2&& 6&
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      f' (x)&& &
      -& 0& +& 0& -
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \buucenter {$f (x)$}&& \buup {$\approx 0, 66$}&
      \brightddownarrow & \down{$0$}& 
      \brightuuparrow & \buup {$3/2$}&
      \brightddownarrow & \down{$\approx 1, 29$}
   \cr
}}
}$$
 
\itemnum En utilisant la formule $y = f' (a) (x-a) + f (a)$ avec
   $a=0$, il vient \dresultat {T~: y = x + {1\over 2}}.
 
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/1ere/sti/analyse/fonction/}
\epsfxsize = 65mm
\itemnum
$$
   \superboxepsillustrate {frct_002.ps}
$$
 
\fincorrige