Retour

equ1_029.tex

Télécharger le fichier
Image JPEG
\exo {Un petit problème avec la fonction $\ln $}
 
\let \partie \centerpartie
 
\partie {A -- Résolution d'une équation différentielle}
 
On considère l'équation différentielle
$$
   xy' - 2y = -2\ln x
\leqno
   (E)
$$
où $y$ est une fonction de la variable $x$, définie et dérivable sur
$]0, +\infty [$, et $y'$ la fonction dérivée de $y$.
 
\itemnum Résoudre sur $]0, +\infty [$ l'équation différentielle
$$
   xy' - 2y = 0.
\leqno
   (E_0)
$$
 
\itemnum Vérifier que la fonction $g$ définie sur $]0, +\infty [$ par
$$
   g (x) = {1\over 2} + \ln x
$$
est une solution particulière de $(E)$.
 
\itemnum En déduire la solution générale de $(E)$.
 
\itemnum Déterminer la solution particulière $f$ de $(E)$ prenant la
valeur $1/4$ pour $x = 1$.
 
\partie {B -- \' Etude de fonction}
 
On considère la fonction $f$ définie sur $]0, +\infty [$ par
$$
   f (x) = - {x^2\over 4} + \ln x + {1\over 2}.
$$ 
On admettra que
$$
   \lim _{x\to +\infty } f (x) = -\infty .
$$
 
\itemitemalphnum Calculer la limite de $f (x)$ lorsque $x$ tend
vers~$0$.
 
\itemitemalph \' Etudier les variations de $f$. 
 
\itemitem {} ({\sl Autrement dit~: dérivée, signe de la dérivée,
tableau de variations\dots }) 
 
\itemitemalphnum Montrer que dans l'intervalle $[\sqrt 2, +\infty [$,
l'équation $f (x) = 0$ admet une solution unique que l'on notera
$\alpha $.
 
\itemitemalph Donner une valeur approchée de $\alpha $ à $10^{-2}$
près par défaut. (Justifier.)
 
\itemnum Construire, dans un repère orthonormal $(O, \vec \imath ,
\vec \jmath \/)$ d'unité $2$~cm, la portion de la courbe $C_f$
représentative de la fonction $f$ correspondant à $x$ élément de $]0,
5]$.
 
\itemitemalphnum Vérifier que la fonction $H$, définie sur $]0,
+\infty [$ par
$$
   H (x) = x\ln x - x
$$
est une primitive de la fonction $\ln $.
 
\itemitemalph Calculer, en cm$^2$, l'aire de la portion de plan
comprise entre $C_f$, l'axe des abscisses et les droites d'équation~:
$$
   x=3
      \qquad {\rm et} \qquad
   x=5.
$$
 
\itemitem {} On donnera une valeur exacte puis une valeur approchée à
      $10^{-2}$~près. 
 
\finexo
 
\corrige {}
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
%
\vskip -5mm
\itemnum Il vient
$$
   xy' - 2y = 0
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   y' = {2\over x}y
$$
Une primitive de $2/x$ étant $2\ln x = \ln (x^2)$, la solution
générale de l'équation $(E_0)$ est
$$
   y (x) = k e^{\ln (x^2)}
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {y (x) = k x^2, \qquad k\in \rset }
$$
 
\itemnum On a
$$
   g (x) = {1\over 2} + \ln x,
      \qquad {\rm d'où} \qquad
   g' (x) = {1\over x}.
$$
Il est alors facile de vérifier que $xg' - 2g = -2\ln x$, ce qui
prouve que \hfill \break
\tresultat {$g$ est une solution particulière de $(E)$}.
 
\itemnum La solution générale de $(E)$ est donc \dresultat {y (x) = kx^2 +
{1\over 2} + \ln x, \qquad k\in \rset }.
 
\itemnum Si $f$ est solution de $(E)$, alors $f (1) = k + 1/2$. La
condition initiale impose donc
$$
   k+ {1\over 2} = {1\over 4}
       \qquad {\rm soit} \qquad
   k = -{1\over 4}
       \qquad {\rm d'où} \qquad
   \dresultat {f (x) = - {x^2\over 4} + {1\over 2} + \ln x}.
$$
 
\partie {B}
%
\vskip -5 mm
\everymath = {\displaystyle }
 
\itemalphnum On a facilement \dresultat {\lim _{x\to 0} f (x) =
       -\infty } puisque $\lim _{x\to 0} x^2 = 0$ et $\lim _{x\to 0}
        \ln x = -\infty $.
 
\itemalph On trouve 
$$
   f' (x) = - {x\over 2} + {1\over x}
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {f' (x) = {2-x^2\over 2x}}
$$
qui est du signe de $2-x^2$ puisque $2x$ est toujours positif sur
l'intervalle considéré. Or $2-x^2$ est un polynôme du second degré qui
admet 2~racines réelles ($\sqrt 2$ et $-\sqrt 2$) et qui est positif
entre ces racines (signe de $-a$). D'où le tableau de variations de
$f$~:
$$\dresultat{
\vcenter {\eightpoint \rm
   \def \hfq{\hfil \ }
   \offinterlineskip
   \halign {
   % preamble
      &\hfq #\hfq
   \cr
      $x$& \vrule depth 5pt &
         $0$&&& $\sqrt 2$&& $+\infty $%
   \cr
   \noalign{\hrule height 1pt}
      $f' (x)$& \vrule height 10pt depth 3pt & 
         \doublevrule && $+$& $0$& $-$
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \bbuucenter{$f (x)$}& \vrule& \doublevrule &
         \down {$-\infty $}& \bbrightuuparrow & \bbuup {${1\over 2}\ln
   2$}& 
         \bbrightddownarrow & \down {$-\infty$}
   \cr
}}}
$$
 
\itemalphnum La fonction $f$ est strictement décroissante sur
   l'intervalle $[\sqrt 2, +\infty [$ et elle change de signe sur cet
   intervalle (puisque $f (\sqrt 2)$ est positif alors que $\lim
   _{+\infty } f (x)$ est négatif). On peut légitimement en conclure  que la fonction
   $f$ \tresultat {s'annule une et une seule fois sur $[\sqrt 2,
   +\infty [$}.
 
\itemalph Et cette racine $\alpha $ vérifie \dresultat {2, 31 < \alpha
   < 2, 32} puisque $f (2, 31)$ est positif alors que $f (2, 32)$ est
   négatif.
 
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
 
\itemnum 
$$
   \superboxepsillustrate {equ1_029.ps}
$$
 
\itemnum Il vient
$$
   H' (x) = \ln x + {x\over x} - 1
      \qquad {\rm soit} \qquad
   H' (x) = \ln x.
$$
donc $H$ est bien \tresultat {une primitive de la fonction $\ln $}.
 
\itemalph La fonction $f$ étant négative sur $[3, 5]$, une mesure en
unité d'aire du domaine plan demandé sera~:
$$
   {\cal A} = - \int _3 ^5 f (x) \, dx 
      = - \int _3 ^5  - {x^2\over 4} + \ln x + {1\over 2}\, dx
      = - \Big[ - {x^3\over 12} + H (x) + {1\over 2} x\Big] _3 ^5  
      = \Big[ {x^3\over 12} - x\ln x + {1\over 2} x\Big] _3 ^5  
$$
On trouve, après calculs, et en tenant compte du fait qu'une unité
d'aire vaut $4~$cm$^2$~:
$$\dresultat {
   {\cal A} = 4 \left( {55\over 6} - 5\ln 5 + 3\ln 3\right) \cm ^2
      \approx {17, 66 \cm ^2.}
}$$
 
\fincorrige