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pol_001.tex

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\exo {\'Etudes de fonctions polynômes, résolution approchée d'équation}
 
\let \partie \centerpartie
 
Le plan est rapporté à un repère orthogonal $(O, \vec \imath, \vec
\jmath \,)$ d'unité $2~\cm $ sur $Ox$ et $1~\cm $ sur $Oy$.
 
\partie {A -- \' Etude d'une fonction polynôme de degré 2}
 
On note $C_f$ la courbe représentative de la fonction 
$f$ définie sur $[-3, 4]$ par 
$$
   f (x) = -{3\over2} x^2 + 1.
$$
 
\itemitemalphnum Déterminer $f'$, la fonction dérivée de $f$.
 
\itemitemalph \'Etudier le signe de $f' (x)$ pour $x\in [-3; 4]$.
 
\itemitemalph En déduire le tableau de variation de $f$ sur $[-3; 4]$.
 
\itemnum Déterminer une équation de $T$, la tangente à la courbe $C_f$
au point d'abscisse $-1$.
 
\itemnum Tracer la tangente $T$ puis la courbe $C_f$ dans le repère
$(O, \vec \imath, \vec \jmath \,)$.
 
\partie {B -- \' Etude d'une fonction polynôme de degré 3}
 
On considère $C_g$, la courbe représentative de la fonction $g$
définie sur $[-3, 4]$ par
$$
   g (x) = x^3 - {3\over2} x^2 - 6x + 1.
$$
 
\itemitemalphnum Déterminer la fonction dérivée $g'$.
 
\itemitemalph Expliquer pourquoi $g' (x)$ est du signe de $x^2 - x -2$.
 
\itemitemalph \'Etudier le signe de $g' (x)$. En déduire le tableau de 
variation de $g$ sur $[-3, 4]$.
 
\itemitemalphnum Combien l'équation $g (x) = 0$ admet-elle de
solution(s) sur $[-3, 4]$~? (Justifier.) On note $\alpha$ la
plus grande de ces solutions.
 
\itemitemalph Déterminer un encadrement d'amplitude $10^{-2}$ 
de $\alpha$ (justifier).
 
\itemnum Déterminer, par le calcul, les coordonnées des points
d'intersection des courbes $C_f$ et $C_g$. 
 
\itemnum Déterminer les positions relatives des courbes $C_f$ et
$C_g$. On récapitulera les résutats dans un tableau.
 
\itemnum Tracer la courbe $C_g$ dans le repère
orthogonal $(O, \vec \imath, \vec \jmath\,)$.
 
\finexo
 
\corrige{}
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
\vskip -5mm
\itemnum Il vient \mresultat {f' (x) = -3x}, du signe de $-x$,
d'où le tableau de variations~:
$$\dresultat{
\vbox{\eightpoint\rm
   \def \hfq{\hfil \hskip .3em }
   \offinterlineskip
   \halign{
   % preamble
      &\cc{$#$}
   \cr
      x& \vrule depth 5pt & 
         -3&& 0&& 4%
   \cr
   \noalign{\hrule}
      f' (x)& \vrule height 10pt depth 5pt & 
         & + &0& - 
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \bbuucenter{$f (x)$}& \vrule& 
         \down{$-12, 5$}& \bbrightuuparrow & 
         \bbuup{$1$}&
         \bbrightddownarrow & \down{$-23$} 
   \cr
}}
}$$
 
 
\itemnum On a $f (-1) = -1/2$ et $f' (-1) = 3$. L'utilisation de la
   formule $y = f' (a) (x-a) + f (a)$ donne alors
$$
   y = 3 (x+1) - {1\over 2}
      \qquad \hbox {d' où l'équation cherchée~:} \qquad
   \dresultat {T~: \quad y = 3x + {5\over 2}}
$$
 
\itemnum
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/1ere/sti/analyse/etudes/} %$
\epsfxsize = 80mm
$$
   \superboxepsillustrate{pol_001.ps}
$$
 
\partie {B}
\vskip -7mm
 
\itemalphnum \alph \ Le calcul de la fonction dérivée donne \dresultat {g' (x)
= 3x^2 - 3x - 6}, qui est bien \tresultat {du signe
de $x^2 - x -2$} puisque $g' (x) = 3 (x^2 - x - 2)$ avec $3$ positif.
 
\itemalph La
méthode du discriminant $\Delta$, ici égal à 9,  nous donne les deux
racines $x_1 = 2$ et $x_2 = -1$. Or l'on sait qu'un polynôme du second
degré est \og {\sl du signe de $-a$ entre les racines}\fg. D'où~:
\tresultat {$g'$ négatif entre $-1$ et $2$, positif sinon}.
D'où le tableau de variations de $g$~:
$$\dresultat{
\vbox{\eightpoint\rm
   \def \hfq{\hfil \ }
   \offinterlineskip
   \halign{
   % preamble
      &\cc{$#$}
   \cr
      x& \vrule depth 5pt & 
         -3&& -1&& 2&& 4&%
   \cr
   \noalign{\hrule}
      g' (x)& \vrule height 10pt depth 5pt & 
         & + &0& - &0& + &
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \bbuucenter{$g (x)$}& \vrule& 
         \down{$-21, 5$}& \bbrightuuparrow & 
         \bbuup{$9/2$}&
         \bbrightddownarrow & \down{$-9$} &
         \bbrightuuparrow & \bbuup{$17$}&
   \cr
}}
}$$
 
\itemalph La fonction $g$ est strictement croissante sur l'intervalle
   $[-3, 1]$ (d'après le tableau de va\-ria\-tions) et elle change de
   signe sur cet intervalle (puisque $g (-3) = -21, 5 < 0$ et $g (-1)
   = 4, 5
   > 0$). Donc l'équation $g (x) = 0$ admet une unique solution sur
   l'intervalle $[-3, -1]$. 
 
\item {} On tient des raisonnements analogues pour
   mon\-trer que cette équation admet également une u\-ni\-que solution sur
   l'intervalle $[-1, 2]$ ainsi qu'une unique solution sur
   l'intervalle $[2, 4]$. Finalement, l'équation $g (x) = 0$ admet
$$
   \tresultat{3 solutions sur l'intervalle $[-3, 4]$}.
$$
 
\itemalph On a \mresultat{3, 25 < \alpha < 3, 26} puisque $g (3, 25)
   \approx -0, 016$ est négatif, alors que $g (3, 26) \approx 0, 145$
   est positif.
 
\itemalph 
Pour déterminer l'intersection des deux courbes, il faut
   résoudre le système
$$\displaylines{
   \cases{
      y = g (x)
   \cr
      y = f (x)
   \cr}
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \cases{
      y = x^3 - {3\over2} x^2 - 6x + 1
   \cr
      y = -{3\over2} x^2 + 1
   \cr}
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \cases{
      -{3\over2} x^2 + 1 = x^3 - {3\over2} x^2 - 6x + 1
   \cr
      y = -{3\over2} x^2 + 1
   \cr}
\cr
   \Longleftrightarrow \quad
   \cases{
      0 = x^3 - 6x 
   \cr
      y = -{3\over2} x^2 + 1
   \cr}
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \cases{
      0 = x (x - \sqrt6) (x+\sqrt6)
   \cr
      y = -{3\over2} x^2 + 1
   \cr}
}$$
d'où les trois points d'intersection~: \mresultat{A (-\sqrt6, -8)},
   \mresultat{B (0, 1)} et \mresultat{C (\sqrt6, -8)}.
 
\itemnum Pour étudier les positions relatives des courbes $C_f$ et
$C_g$, il faut étudier le signe de $f (x) - g (x)$. Il vient~:
$$\eqalign {
   f (x) - g (x) &= 
      \left( -{3\over2} x^2 + 1\right) 
         - \left( x^3 - {3\over2} x^2 - 6x + 1\right)
\cr
   &= -x^3 + 6 x = \dresultat {x (6-x^2) = f(x) - g(x)}
}$$
Comme $6-x^2$ a les deux racines évidentes $\sqrt 6$ et $-\sqrt 6$, et
que ce polynôme est positif entre les racines (signe de $-a$), on a 
le tableau de signes et le récapitulatif~:
 
\medskip
\centerline {
$$\dresultat {
\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv width 1pt & $#$ & \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}& $#$
   \cr
      x&& -3 && -\sqrt 6 && 0&& \sqrt 6&& 4
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      x && &  - &\tv & -& 0& + & \tv & +&
   \cr
   \noalign {\hrule }
      6-x^2 && &  - & 0& + &\tv & +& 0& -&
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      f (x) - g (x) && & + & 0 & - &0& + &0 &-
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
   \hbox {positions relatives}& \tvi height 15pt& & 
      \matrix {C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessus\ de\ } C_g }& \tv &
      \matrix {C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessous\ de\ } C_g }& \tv &
      \matrix {C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessus\ de\ } C_g }& \tv &
      \matrix {C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessous\ de\ } C_g }& 
   \cr
}}}
$$
}
\medskip
 
\fincorrige
\endinput
 
 
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/1ere/sti/analyse/etudes/}
%
\epsfxsize = 80mm
%
\rightsuperboxepsillustrate{pol_001.ps}{-22}
 
\fincorrige