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equ1_032.tex

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\exo {Hauteurs de crues et probabilités, \sl bts mai, session 2004}
 
{\sl Dans cet exercice, on étudie une fonction qui intervient dans des
calculs de probabilité à propos de la crue d'un fleuve. (Source~: un
bureau d'étude du domaine de l'équipement.)}
 
\centerline {\bf Les trois parties de cet exercice peuvent être
traitées de façon indépendante.}
 
\partie {\sl A - Résolution d'une équation différentielle}
 
On considère l'équation différentielle
$$
   (E)~: y' + (0, 4x)y = 0, 4x
$$
où $y$ est une fonction de la variable réelle $x$, définie et
dérivable sur $[0; +\infty [$, et $y'$ sa fonction dérivée.
 
\itemnum Déterminer les solutions de l'équation différentielle
$$
   (E_0)~: y' + (0, 4x)y = 0.
$$
 
\itemnum Montrer que la fonction constante $h$, définie sur $[0;
+\infty [$ par $h (x) = 1$, est une solution particulière de
l'équation $(E)$.
 
\itemnum En déduire l'ensemble des solutions de l'équation $(E)$.
 
\itemnum Vérifier que la fonction $F$ définie sur $[0; +\infty [$ par 
$\displaystyle {
   F (x) = 1 - e^{-0, 2x^2}
}$
est la solution particulière de l'équation différentielle $(E)$ qui
vérifie la condition initiale $F (0) = 0$.
 
\partie {\sl B - \' Etude d'une fonction}
 
Soit $f$ la fonction définie sur $[0; +\infty [$ par
\qquad
$\displaystyle {
   f (x) = 0, 4 x e^{-0, 2x^2}
}$.
 
On désigne par $C$ la courbe représentative de $f$ dans un repère
orthogonal $(O, \vec \imath , \vec \jmath \,)$, les unités graphiques
étant de $2$~cm sur l'axe des abscisses et de $10$~cm sur l'axe des
ordonnées.
 
\itemnum On admet que 
$\displaystyle {
   \lim _{x\to +\infty } f (x) = 0
}$.
Que peut-on en déduire pour la courbe $C$~?
 
\itemitemalphnum Démontrer que, pour tout $x$ de $[0; +\infty [$, 
$$
   f' (x) = 0, 4 \left( 1 - \sqrt {0, 4}x\right) \left( 1 + \sqrt {0,
   4} x \right)  e^{-0, 2x^2}.
$$
 
\itemitemalph En déduire le signe de $f' (x)$ sur $[0; +\infty [$.
 
\itemitemalph Donner le tableau de variation de $f$ sur $[0; +\infty
   [$.
 
\itemitem {} On y fera figurer la valeur approchée à $10^{-2}$ près du
maximum de la fonction $f$.
 
\itemnum Un logiciel de calcul formel fournit pour $f$ le
développement limité suivant, à l'ordre $3$, au voisinage de $0$~:
$$
   f (x) = 0, 4 x - 0, 08 x^3 + x^3 \varepsilon (x)
      \qquad {\rm avec} \qquad
   \lim _{x\to 0} \varepsilon (x) = 0.
$$
{\bf Ce résultat est admis et n'est donc pas à démontrer.}
 
\item {} En déduire une équation de la tangente $T$ à la courbe $C$
au point d'abscisse $0$, et la position relative de $T$ et $C$ au
voisinage de ce point.
 
\itemnum Tracer sur la copie la tangente $T$ et la courbe $C$ dans le
repère $(O, \vec \imath ,\vec \jmath )$ défini au début de la partie
$B$. 
 
\partie {\sl C - Application à un problème de probabilité}
 
{\sl Une étude statistique, fondée sur un historique des crues d'un
fleuve, permet de faire des prévisions dur sa hauteur maximale
annuelle, en mètres.}
 
On note $X$ la variable aléatoire qui, à une année prise au hasard dans
une longue période, associe la hauteur maximale du fleuve en mètres.
 
Soit $x$ un réel positif. La probabilité qu'una année donnée la
hauteur maximale du fleuve soit inférieure à $x$ mètres est
$$
   p (X \leq x) = \int _0^x f (t) \, {\rm d}t
$$
où $f$ est la fonction définie dans la partie {\sl B}.
 
On admet que~: \qquad
$\displaystyle {
   \int _0^x f (t) \, {\rm d}t = 1 - e^{-0, 2x^2}
}$.
 
\itemnum Les digues actuelles ne protègent l'agglomération que lorsque
la hauteur du fleuve est inférieure à $4$ mètres.
 
\item {} Calculer la probabilité $p (X\leq 4)$ qu'une année donnée,
l'agglomération soit protégée de la crue; arrondir le résultat à
$10^{-2}$.
 
\itemnum Afin de réaliser des travaux pour améliorer la protection de
l'agglomération, on cherche la hauteur $x_0$, en mètres, telle que $P
(X\leq x_0) = 0, 99$.
 
\itemitemalph Montrer que $x_0$ est solution de l'équation~:
\qquad
$e^{-0, 2 x_0^2} = 0, 01$.
 
\itemitemalph Déterminer la valeur approchée arrondie à $10^{-2}$ près
de $x_0$.
 
\itemitemalph On considère l'affirmation suivante~: \og \sl En
surélevant les digues d'un mètre, la probabilité qu'une année prise au
hasard, l'agglomération soit protégée est supérieure à $0, 99$\fg .
 
\itemitem {} Cette affirmation est-elle vraie~? (Donner la réponse
sans explication.)
 
\finexo
 
\corrige
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
\vskip -5mm
\itemnum Il vient
$$
   y' + (0, 4x)y = 0
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   y' = -0, 4x y.
$$
Ici, $a (x) = -0, 4x$, et une primitive est $A (x) = -0, 2x^2$. La
solution générale de $E_0$ est donc
\dresultat {y_0 (x) = ke^{-0, 2x^2}, k\in \rset }.
 
\itemnum Si $h (x) = 1$, alors $h' (x) = 0$, et il est évident que $h'
+ 0, 4 xh = 0, 4x$, donc \tresultat {$h (x) = 1$ est solution
particulière de $(E)$}
 
\itemnum La solution générale de $(E)$ est donc \dresultat {1 + k
e^{-0,2x}, k \in \rset }.
 
\itemnum La fonction $F (x) = 1 - e^{-0,2x^2}$ est bien une \tresultat
{solution de $(E)$} puisque de la forme donnée dans le {\bf 3.} avec
$k = -1$. De plus il est facile de vérifier que l'on a bien \mresultat
{F (0) = 0}.
 
\partie {B}
\vskip -5mm
\itemalphnum La limite donnée prouve une \tresultat {asymptote horizontale
d'équation $y=0$} pour la courbe $C$.
 
\itemnum Il vient $f' (x) = 0, 4 e^{-0, 2x^2} - 0, 16x^2e^{-0, 2x^2} =
0, 4 (1-0, 04x^2) e^{-0,2x^2}$. Et comme 
$(1-x\sqrt {0,4})(1+x\sqrt {0,4}) = (1-0, 4x)$, on a bien l'expression
proposée~: 
\dresultat {f' (x) = 0, 4 \left( 1 - \sqrt {0, 4}x\right) \left( 1 + \sqrt {0,
   4} x \right)  e^{-0, 2x^2}}, d'où le tableau de variation de $f$~:
$$\dresultat {
\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&&  0&& 1/\sqrt {0,4}&& +\infty 
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      0,4x&&  &+&\tv & +&
   \cr
   \noalign {\hrule }
      1 + x\sqrt {0,4}&&  &+&\tv & +&
   \cr
   \noalign {\hrule }
      1 - x\sqrt {0,4}&&  &+& 0& -&
   \cr
   \noalign {\hrule}
      e^{-0,2x^2}&&  &+&\tv & +&
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      f' (x)&&  &+& 0& -&
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \buucenter {$f (x)$}&& \down {$0 $}&
      \brightuuparrow & \buup {$\approx 0,38$}&
      \brightddownarrow & \down{$0$}
   \cr
}}
}$$
 
\itemnum Pour l'équation de la tangente en $0$, il suffit de prendre
   le développement limité d'ordre $1$. D'où l'équation cherchée~:
   \dresultat {y = 0,4x}.
 
\item {} Pour les positions relatives, il nous faut étudier le signe
   de la différence entre $f (x)$ et la tangente. Comme, au voisinage
   de $0$, cette différence est égale à $-0, 08x^3$, on a facilement
   le tableau récapitulatif suivant~:
$$\dresultat {
\vcenter{\offinterlineskip \halign{
   % preamble
      & \cc {$#$}& #& $#$ & \cc {$#$}& \cc {$#$}& \cc {$#$}&
\cc {$#$}& $#$
   \cr
      x& \tv & \, && 0 &&
   \cr
   \noalign{\hrule}
      -0,08x^3 & \tv && + & 0 & - &
   \cr
   \noalign{\hrule}
      f (x) - T& \tv && + & 0 & - &
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \tvi height 15pt depth 10pt \hbox {positions relatives}& \tv && 
      \matrix{C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessus\ de\ } T }& \tv &
      \matrix{C_f {\rm \ au}\cr {\rm dessous\ de\ } T }
   \cr
}}  
}$$
 
\def \epspath {
   $HOME/tex_doc/lycee/database/btsmai/analyse/equadiff/}
\itemnum
$$
   \superboxepsillustrate {equ1_032.ps}
$$
 
\partie {D}
\vskip -7mm
\itemnum Il vient \dresultat {p (X\leq 4) = 1 - e^{-0,2\times 4^2}
\approx 0, 96}
 
\itemalphnum On a
$$
   p (X\leq x_0) = 0, 99
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   1 - e^{-0,2\times x_0^2} = 0,99
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \dresultat {e^{-0,2\times x_0^2} = 1 - 0,99 = 0, 01}
$$
 
\itemalph D'où $-0, 2 x_0^2 = \ln (0, 01)$, soit
\dresultat {x_0 = \sqrt {-{\ln 0, 01\over 0,2}} \approx 4, 80}
 
\itemalph L'affirmation proposée est \tresultat {vraie}, puisque en
      surélevant la digue d'un mètre, l'agglomération sera protégée
      jusqu'à $5$ mètres de crue, valeur supérieure au $x_0$
      précédemment calculé.
 
\fincorrige