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pbm_006.tex

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\exo {Un problème \og standard\fg \ ({\sl Bac gm, septembre 96})}
 
\let \partie \centerpartie
 
\partie {A}
 
On considère la fonction $g$ de la variable $x$, définie sur $\rset $
par~:
$$
   g (x) = e^{2x} - 2x -1.
$$
Le but de cette première partie est l'étude, pour tout réel $x$, du
signe de $g (x)$.
 
\itemnum Résoudre dans $\rset $ l'inéquation d'inconnue $x$~: \quad
$e^{2x} - 1 \geq 0$.
 
\itemitemalphnum \' Etudier le sens de variation de la fonction $g$
(l'étude des limites n'est pas demandée).
 
\itemitemalph En déduire que, pour tout $x$ de $\rset $, $g (x) \geq
0$.
 
\partie {B}
 
L'objet de cette deuxième partie est l'étude de la fonction $f$ de la
variable $x$, définie sur $\rset $ par~:
$$
   f (x) = (x+1) e^{-2x} + x + 1.
$$
On note $C_f$ la courbe représentative de la fonction $f$ dans le plan
rapporté à un repère orthonormé $(O, \vec \imath , \vec \jmath )$
(unité~: 2~cm). L'axe des abscisses est noté $Ox$, celui des ordonnées
est noté $Oy$.
 
\itemnum Calculer la limite de $f (x)$ quand $x$ tend vers $-\infty $.
 
\itemitemalphnum Vérifier que, pour tout réel $x$~:
$$
   f (x) = (xe^{-x})e^{-x} + e^{-2x} + x + 1.
$$
 
\itemitemalph En déduire la limite de $f (x)$ quand $x$ tend vers
$+\infty $.
 
\itemitemalph Montrer que la droite $\Delta $, d'équation $y = x+1$ ,
est asymptote à $C_f$ quand $x$ tend vers $+\infty $.
 
\itemitemalph Montrer que si $x\geq -1$, alors $f (x) \geq x+1$. En
déduire la position de la courbe $C_f$ par rapport à $\Delta $ lorsque
$x \geq -1$.
 
\itemitemalphnum Montrer que la fonction dérivée $f'$ de $f$ est
définie, pour tout $x$ réel, par~:
$$
   f' (x) = e^{-2x} g (x).
$$
 
\itemitemalph \' Etudier pour tout $x$ réel le signe de $f' (x)$ et
établir le tableau de variation de $f$.
 
\itemitemalphnum Reproduire et compléter le tableau suivant (donner
pour $f (x)$ des valeurs arrondies à $10^{-2}$).
$$\vcenter {\offinterlineskip 
   \def \cc#1{%
      \hbox to 10mm {\hfill #1\hfill }}
\halign {
   % preamble
      #\tv && \cc {$#$}& #\tv
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & x&& -2&& -1, 5&& -1, 3&& -1, 1&& -1&& -0, 5&& 0&& 0, 5&& 1&&
2&& 3&& 4& 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & f (x)&& && && && && && && && && && && && & 
   \cr
   \noalign {\hrule }
}}
$$
 
\itemitemalph Tracer la droite $\Delta $ et la courbe $C_f$ dans le
plan rapporté au repère $(O, \vec \imath , \vec \jmath )$.
 
\partie {C}
 
On considère les fonctions $H$ et $h$, respectivement définie sur
$\rset $ par~:
$$
   H (x) = \left( - {1\over 2} x - {3\over 4}\right) e^{-2x}
      \qquad {\rm et} \qquad
   h (x) = (x+1)e^{-2x}.
$$
 
\itemnum Vérifier que $H$ est une primitive de $h$ sur $\rset $.
 
\itemnum En déduire une primitive $F$ de $f$ sur $\rset $.
 
\itemnum Calculer l'aire de la partie du plan limité par la courbe
      $C_f$, l'axe des abscisses et les droites d'équations $x=-1$ et
      $x=0$. (On donnera la valeur exacte exprimée en cm$^2$).
 
\finexo
 
\corrige
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
%
\num \ On a 
$$
   e^{2x} - 1 \geq 0
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \ln \left( e^{2x} \right) \geq \ln (1)
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   2x \geq 0
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \dresultat {x \geq 0}
$$
 
\alphnum \ On a $g' (x) = 2 e^{2x} - 2$, soit \dresultat {g' (x) = 2
      \big( e^{2x} - 1\big)}. Donc $g'$ est du signe de $e^{2x} - 1$,
      et la question {\bf 1.} nous prouve que \tresultat {$g' (x)$
      est positif si $x$ est positif, négatif sinon}. D'où le tableau
      de variations de $g$~:
$$\dresultat {\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& -\infty && 0&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      g' (x)&& &-& 0& +
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \buucenter {$g (x)$}&& &
      \brightddownarrow & \down{$0$}& 
      \brightuuparrow & \buup {\phantom {1}}
   \cr
}}}
$$
 
\alph \ Comme le minimum de $g$ est $g (0) = 0$, on en déduit que
\tresultat {$g (x) \geq 0$ pour tout $x$ réel}.
 
\partie {B}
%
\num \ On a 
$$
   \lim _{x \to -\infty } f (x) = \lim _{x \to -\infty } \downto
   {(x+1)}{-\infty } \downto {\phantom {(}e^{-2x}}{+\infty }
   + \downto {\phantom {(}x}{-\infty } + 1 
      \qquad {\rm soit}\qquad 
  \dresultat {\lim _{x \to -\infty } f (x) = -\infty }
$$
 
\alphnum \ On vérifie facilement l'égalité proposée en utilisant le fait
   que $e^{-x} \times e^{-x} = e^{-2x}$.
 
\alph \ Il vient alors~:
$$
   \lim _{x \to +\infty } f (x) = \lim _{x \to +\infty }
(xe^{-x})e^{-x} + e^{-2x} + x + 1
      \qquad {\rm soit}\qquad 
  \dresultat {\lim _{x \to +\infty } f (x) = +\infty }
$$
\bgroup \everymath = {\displaystyle }
puisque $ \lim _{x \to +\infty }xe^{-x} = 0$ d'après le cours, et que
$\lim _{x \to +\infty } e^{-x} = \lim _{x \to +\infty } e^{-2x} = 0$ 
\egroup
 
\alph \ Pour montrer que $\Delta $ est asymptote à $C_f$, on calcule
la limite de la différence entre $f (x)$ et $x+1$. Il vient alors
$$
   \lim _{x \to +\infty } f (x) - (x+1) = \lim _{x \to +\infty
   }(x+1)e^{-x}
   = \lim _{x \to +\infty }xe^{-x} + e^{-x} = 0
$$
pour les mêmes raisons qu'à la question précédente.
Donc \tresultat {$\Delta $ asymptote à $C_f$ en $+\infty $}.
 
\alph \ On sait que 
$$
   f (x) - (x+1) = (x+1) e^{-2x}.
$$
Et comme l'exponentielle est toujours positive, cette différence est
du signe de $x+1$, c'est à dire négative pour $x\leq -1$ et positive
pour $x\geq -1$.
Autrement dit \tresultat {$f (x) \geq x+1$ pour $x\geq -1$}, et
\tresultat {$f (x) \leq x+1$ sinon}.
En conclusion, \tresultat {$C_f$ est au-dessus de $\Delta $ pour $x\geq
-1$ et en-dessous sinon}.
 
\alphnum \ On a $f (x) = (x+1) e^{-2x} + x + 1$, et donc
$$
   f' (x) = e^{-2x} - 2 (x+1)e^{-2x} + 1
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {f' (x) = - e^{-2x} - 2 x e^{-2x} + 1}
$$
Or 
$$
   e^{-2x} g (x) = e^{-2x} \left( e^{2x} - 2x -1 \right)
      = e^{-2x+2x} -2x e^{-2x} - e^{-2x}
      = 1 -2x e^{-2x} - e^{-2x}
$$
donc on a bien \dresultat {f' (x) = e^{-2x} g (x)}.
 
\alph \ L'exponentielle étant toujours positive, on a donc $f'$ qui
est du signe de $g$, et on utilise alors la partie {\bf A.} pour
établir le tableau de variations de $f$~:
$$\dresultat {\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& -\infty && 0&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      f' (x)&& &+& 0& +
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \buucenter {$f (x)$}&& \down {$-\infty $}&
      \brightuparrow & \buucenter {$2$}& 
      \bup {\brightuparrow }& \buup {$+\infty $}
   \cr
}}}
$$
 
 
\alphnum \ On trouve
$$\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm
   \def \cc#1{%
       \hbox to 12mm {\hfill #1\hfill }}
\halign {
   % preamble
      #\tv && \cc {$#$}& #\tv
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & x&& -2&& -1, 5&& -1, 3&& -1, 1&& -1&& -0, 5&& 0&& 0, 5&& 1&&
2&& 3&& 4& 
   \cr
   \noalign {\hrule }
      & f (x)&& -55, 60&& -10, 54&& -4, 34&& -1&& 0&& 1, 86&& 2&& 2,
05&& 2, 27&& 3, 05&& 4, 01&& 5& 
   \cr
   \noalign {\hrule }
}}
$$
 
 
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/exp/}
\epsfxsize 100mm
 
\alph 
$$
   \superboxepsillustrate {pbm_006.ps}
$$
 
\partie {C}
%
\num \ La fonction $H$ est un produit de fonctions. On utilise la
formule $(uv)' = u'v+uv'$ pour obtenir
$$
   H' (x) = - {1\over 2} e^{-2x} - 2 \left( - {1\over 2} x - {3\over
   4}\right) e^{-2x} 
   = - {1\over 2} e^{-2x} + x e^{-2x} + {3\over 2} e^{-2x}
$$
soit \mresultat {H' (x) = h (x)}. On a bien le fait que \tresultat {$H$ est une
primitive de $h$ sur $\rset $}.
 
\num \ Et comme $f (x) = h (x) + x + 1$, on en déduit qu'une primitive
de la fonction $f$ est la fonction $F$ définie par
$$
   \dresultat {F (x) = H (x) + {x^2\over 2} + x}
$$
 
\num \ L'unité d'aire étant de $2\times 2 = 4\cm ^2$, l'aire demandée
est donnée par le calcul
$$\eqalign {
   {\cal A} &= 4\times \int _{-1}^0 f (x)\, dx
       = 4\times \big[ F (x)\big] _{-1}^0
      = 4 (F (0) - F (-1))
      = 4 \left( H (0) - H (-1) - {1\over 2} + 1\right)
\cr
   &= 4 \left( - {3\over 4} + {1\over 4}e^2 + {1\over 2} \right) 
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {{\cal A}= (e^2 - 1) \cm ^2 \approx 6, 39 \cm ^2}
\cr }$$
 
\fincorrige