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pbm_002.tex

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\exo{\'Etude d'une fonction exponentielle}
 
\let \partie \centerpartie
 
Le but du problème est l'étude de la fonction $f$ définie par 
$\displaystyle{
   f (x) = x - {x+1 \over e^x}
}$ et le calcul d'une aire. 
 
\medskip
 
\partie{I}
 
Soit $u$ la fonction numérique définie sur $\rset$ par
$$
   u (x) = e^x + x.
$$
 
\itemnum Déterminer les limites de $u(x)$ quand $x$ tend vers $+\infty$
et quand $x$ tend vers $-\infty$. 
\'Etudier le sens de variation de $u$ et dresser son tableau de variation.
 
\itemitemalphnum Démontrer que l'équation $e^x + x = 0$  n'admet sur 
$\rset$ qu'une solution unique, que l'on notera $\alpha$.
 
\itemitemalph Démontrer que $\alpha$ appartient à $]-1,0[$.
 
\itemitemalph Déterminer une valeur approchée de $\alpha$ à $10^{-3}$ 
près par défaut.
 
\itemnum De l'étude précédente, déduire le signe de $u(x)$ sur chacun des intervalles $]-\infty,\alpha[$ et $]\alpha, +\infty[$.
 
\partie{II}
 
Soit $f$ la fonction numérique définie sur $\rset$ par 
$$
   f (x) = x - {x+1 \over e^x}.
$$
 
\itemnum Déterminer les limites de $f(x)$ quand $x$ tend vers $+\infty$ 
et quand $x$ tend vers $-\infty$.
 
\itemitemalphnum Calculer $f'(x)$. 
 
\itemitemalph Démontrer que $f'(x)$ a le même signe que $u(x)$. 
 
\itemitemalph En déduire le sens de variation de la fonction $f$ et 
dresser son tableau de variation (on utilisera la valeur approchée de
$\alpha$ trouvé au {\bf 2.} du {\bf I.} pour calculer une valeur
approchée de $f(\alpha)$). 
 
\partie{III}
 
On appelle $\cal C$ la représentation graphique de $f$ dans un repère 
orthonormal $(O,\vec \imath,\vec \jmath\,)$, unité~: 2~cm.
 
\itemnum Démontrer que $\cal C$ admet la droite $D$ d'équation $y = x$ 
comme asymptote.
 
\itemnum Soit $g$ la fonction numérique définie par 
$$
   g (x) = f (x) - x.
$$
\'Etudier le signe de $g(x)$ sur $\rset$ et en déduire la position de 
$\cal C$ par rapport à $D$. On précisera les coordonnées de leur point 
commun $I$.
 
\itemnum Déterminer l'équation de la tangente $T$ à $\cal C$ en $I$.
 
\itemnum Tracer avec soin dans le repère $(O,\vec \imath,\vec \jmath\,)$
les droites $T$ et $D$ ainsi que la courbe $\cal C$.
 
\partie{IV}
 
\itemnum Soit $h$ la fonction numérique définie sur $\rset$ par :
$$
   h (x) = (ax+b) e^{-x}.
$$
 
\itemitemalph Déterminer les réels $a$ et $b$ de façon que la fonction 
$h$ soit une primitive de la fonction $g$.
 
\itemitemalph En déduire une primitive $F$ de la fonction $f$.
 
\itemnum Calculer la valeur exacte en cm$^2$, de l'aire de la partie $E$ 
du plan limitée par la courbe et les droites d'équations $y = 0$, $x =
-1$ et $x = 0$.
On donnera une valeur approchée de cette aire à $10^{-2}$ près par
défaut. 
 
\finexo
 
\corrige{}
 
\let \partie \centerpartie
 
\partie{I}
 
\setbox \tmpbox = \vbox{%
\eightpoint\rm
   \def \hfq{\hfil \ }
   \offinterlineskip
   \halign{
   % preamble
      &\hfq #\hfq
   \cr
      $x$& \vrule depth 5pt & $-\infty$&& $+\infty$%
   \cr
   \noalign{\hrule}
      $u' (x)$& \vrule height 10pt depth 3pt && 
         $+$ 
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \bbuucenter{$u (x)$}& \vrule& \down{$-\infty$}&
      \bbrightuuparrow & \bbuup{$+\infty$}
   \cr
}}
 
 
\rightillustrate{\tmpbox}{-6}
%
\num\ Comme $u (x) = e^x + x$, on a facilement 
$$
   \dresultat{\lim_{x\rightarrow +\infty} u (x) = + \infty}
      \quad {\rm et} \quad
   \dresultat{\lim_{x\rightarrow -\infty} u (x)= - \infty}.
$$
Et \mresultat{u' (x) = 1 + e^x}
qui est toujours strictement positif puisque $e^x$ toujours
positif. D'où le tableau de variations de $u$.
 
\num\ Comme $u$ est une fonction strictement croissante et qu'elle
change de signe sur $\rset$, on en déduit que l'équation $u (x) = 0$
\tresultat{admet une unique solution $\alpha$ sur $\rset$}.
Et comme $u (-1) < 0$ et $u (0) > 0$, on peut même préciser que
\mresultat{\alpha \in \, ]-1, 0[}. Avec la calculatrice, on affine
l'encadrement par dichotomie pour obtenir $-0, 568 < \alpha < -0, 567$
(puisque $u (-0, 568) < 0$ et $u (-0, 567) > 0$), et la valeur
approchée par défaut cherchée est \mresultat{\alpha \simeq -0, 568}
 
\num\ On a donc finalement \tresultat{$u (x)$ négatif pour $x <
\alpha$} et \tresultat{$u (x)$ positif pour $x > \alpha$}
 
\partie{II}
 
\begingroup
 
\everymath = {\displaystyle }
 
Beaucoup d'écritures possibles pour $f (x)$, par exemple~:
$$
   f (x) = x - {x+1 \over e^x}
      = x - {x \over e^x} - {1\over e^x}
      = x - xe^{-x} - e^{-x}
      = e^{-x} (xe^x - x - 1)
      = {xe^x - x- 1 \over e^x \ldots}
$$
Le tout est de choisir la bonne, suivant l'utilisation que l'on veut
en faire\dots
 
\itemnum $\lim_{x \rightarrow +\infty} f (x) 
   = \lim_{x \rightarrow +\infty} \Big( x - {x \over e^x} - {1\over e^x} \Big) 
   =  \lim_{x \rightarrow +\infty} \Big( \downto{x}{+\infty} -
      \downto{xe^{-x}}{0} - \downto{e^{-x}}{0} \Big)
   = $ \dresultat{+ \infty = \lim_{x \rightarrow +\infty} f (x)}.
 
\item{} et $\lim_{x \rightarrow -\infty} f (x)
   = \lim_{x \rightarrow -\infty} \downto{e^{-x}}{+\infty}
   (\downto{xe^x}{0} \phantom{-} \downto{-x}{+\infty} - 1) =$ 
   \dresultat{+ \infty = \lim_{x \rightarrow -\infty} f (x)}.  
 
\itemnum On a 
$$
   f' (x) = 1 - {e^x - x e^x - e^x \over \big( e^x \big)^2}
      = 1 + {x \over e^x} = {e^x + x \over e^x}
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat{f' (x) = {u (x) \over e^x}},
$$
ce qui prouve que \tresultat{$f' (x)$ est du signe de $u (x)$} car
$e^x$ est toujours positif. D'où le tableau de variations de $f$~:
$$\vcenter{
\eightpoint\rm
   \def \hfq{\hfil \ }
   \offinterlineskip
   \halign{
   % preamble
      &\hfq #\hfq
   \cr
      $x$& \vrule depth 5pt & 
         $-\infty$&& $\alpha$&& $+\infty$%
   \cr
   \noalign{\hrule}
      $f' (x)$& \vrule height 10pt depth 3pt && 
         $-$& $0$& $+$ 
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \bbuucenter{$f (x)$}& \vrule& 
         \bbuup{$+\infty$}&
      \bbrightddownarrow & \down{$\simeq -1, 33$}&
      \bbrightuuparrow & \bbuup{$+\infty$}
   \cr
}}
$$
On peut remarquer que l'on a $f (\alpha) = 1 + \alpha + {1\over
\alpha}$ puisque $e^\alpha = -\alpha$ d'après le {\bf I. 2.}.
 
\partie{III}
 
\itemnum On a $\lim_{x \rightarrow +\infty} \big( f (x) - x \big) 
   = \lim_{x \rightarrow +\infty} ( - x e^{-x} - e^{-x} ) = 0$ (car
   $\lim_{x \rightarrow +\infty} x e^{-x} = 0$ d'après le cours), donc
$$
   \tresultat{$D$ et $\cal C$ sont asymptotes en $+\infty$}.
$$
 
\itemnum On a $g (x) = f (x) - x = -x e^{-x} - e^{-x} = -e^{-x}
   (x+1)$, donc $g (x)$ est du signe de $- (x+1)$ d'où les positions
   relatives~: 
$$\vcenter{
\eightpoint\rm
   \offinterlineskip
   \halign{
   % preamble
      &\hfq #\hfq
   \cr
      $x$& \vrule depth 5pt & 
      $-\infty$&& $-1$&& $+\infty$%
   \cr
   \noalign{\hrule}
      $f (x) - x$& \vrule height 10pt depth 3pt &&
      $+$& $0$& $-$
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \tvi height 12pt positions& \vrule&&
         $C_f$ au dessus de $D$& \vrule &
         $C_f$ au dessous de $D$
   \cr
}}
$$
En particulier, il n'y a qu'un seul point d'intersection~:
\tresultat{le point $I (-1, -1)$}.
 
\itemnum On a $f' (-1) = 1 - e$ et $f (1) = -1$ d'où la tangente
cherchée \mresultat{T: \quad y = (1-e) x - e}.
 
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/exp/}
 
\itemnum
$$
   \superboxepsillustrate{pbm_002.ps}
$$
 
\endgroup %% fin du \displaystyle pour \everymath
 
\partie{IV}
 
\itemalphnum On veut que $h$ soit une primitive de $g$. Autrement dit,
on veut avoir $h' (x) = g (x)$. Comme $h' (x) = ae^{-x} - (ax+b)
e^{-x} = e^{-x} (-ax + a-b)$ et que $g (x) = e^{-x} (-x-1)$ , on voit,
par identification des coefficients, que l'on doit avoir
$$
   \cases{
      -a = -1
   \cr
      a-b = -1
   \cr}
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \mresultat{a= 1} 
      \quad {\rm et} \quad
   \mresultat{b=2}
$$
On en déduit qu'une primitive de $g$ est la fonction $h$ définie par
\mresultat{h (x) = (x+2) e^{-x}}. 
 
\itemalph Et comme $f (x) = g (x) + x$, on en déduit qu'une primitive
de la fonction $F$ est, par exemple, la fonction $F$ définie sur
$\rset$ par \dresultat{F (x) = {x^2 \over 2} + (x+2) e^{-x}}.
 
\itemnum Comme $f (-1) = -1$ et $f (0) = -1$, on en déduit, au vu du
tableau de variations, que la fonction $f$ reste négative sur tout
l'intervalle $[-1, 0]$. L'aire cherchée est donc donnée par le calcul 
$$
   {\cal A} = - \int_{-1}^0 f (x) \, dx
      = - \big[ F (x) \big]_{-1}^0 
      = - \Big( 2 - {1\over2} - e \Big)
      = e - {3\over2} \quad \hbox{en unités d'aire} 
$$
L'unité d'aire étant de $2 \times 2 = 4$~cm$^2$, on en déduit que
l'aire cherchée est de \tresultat{$(4e - 6)$~cm $^2$}, soit, à
$10^{-2}$ près par défaut, \mresultat{{\cal A} \simeq 4, 873 \cm^2}.
 
 
\fincorrige