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pbm_013.tex

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\exo {\' Etude d'une fonction logarithme {\sl bac sti gm, juin 2002}}
 
\let \partie \centerpartie
 
\partie {A -- \' Etude du signe de $x^3 - 1 + 2\ln x$}
 
Soit $g$ la fonction définie sur $]0; +\infty [$ par~:
$$
   g (x) = x^3 - 1 + 2\ln x.
$$
 
\itemnum Calculer $g' (x)$ et étudier son signe.
 
\itemnum Dresser le tableau de variation de la fonction $g$. (Les
limites ne sont pas demandées.)
 
\itemnum Calculer $g (1)$.
 
\itemnum Déduire des questions précédentes le signe de $g (x)$ sur
$]0; +\infty [$.
 
\partie {B -- Courbe représentative d'une fonction et calcul d'aire}
 
On considère la fonction $f$ définie sur $]0; +\infty [$ par~:
$$
   f (x) = x - 1 - {\ln x\over x^2}.
$$
On appelle $\cal C$ sa courbe représentative dans le plan rapporté à
un repère orthogonam $(O, \vec \imath , \vec \jmath \/)$ (unités~: $3\cm $ sur l'axe
des abscisses et $2\cm $ sur l'axe des ordonnées.)
 
\itemitemalphnum Déterminer
$\displaystyle {
   \lim _{x\to +\infty } f (x)
}$
et
$\displaystyle {
   \lim _{x\to 0 } f (x)
}$.
 
\itemitemalph Montrer que la droite $\cal D$ d'équation $y = x - 1$
   est asymptote oblique à $\cal C$.
Y a-t-il une autre asymptote à $\cal C$~? Si oui donner son équation.
 
\itemitemalph Calculer $f' (x)$ et montrer  que l'on peut écrire
$$
   f' (x) = {g (x) \over x^3}.
$$
 
\itemitemalph En utilisant les résultats de la partie {\bf A },
déterminer le signe de $f' (x)$, puis dresser le tableau de variation
de la fonction $f$.
 
\itemitemalph Calculer les coordonnées du point d'intersection entre
l'asymptote $\cal D$ et la courbe $\cal C$. \' Etudier la position de
la courbe $\cal C$ par rapport à la droite $\cal D$.
 
\itemitemalph Tracer dans le repère $(O, \vec \imath, \vec \jmath \/)$
la courbe $\cal C$ et la droite $\cal D$.
 
\itemitemalphnum Montrer que la fonction $H$ définie par~:
$$
   H (x) = - {1\over x} (1 + \ln x)
$$
est une primitive de la fonction $h$ définie sur $]0; +\infty [$ par~:
$$
   h (x) = {\ln x\over x^2}.
$$
 
\itemitemalph Soit $\Delta $ le domaine plan limité par $\cal D$,
$\cal C$ et les droites d'équation $x=1$ et $x=\sqrt e$. Hachurer
$\Delta $. Calculer la valeur exacte de l'aire, en $\cm ^2$, de
$\Delta $ puis en donner une valeur approchée au $\mm ^2$ près.
 
\finexo
 
\corrige
 
\let \partie \llappartie
 
\partie {A}
%%
\vskip -8mm
%
\itemnum Il vient
\dresultat {g' (x) = 3x^2 + {2\over x}}. Et comme $x$ est strictement
positif (puisque l'intervalle de définition de $g$ est $]0;+\infty
[$), on en déduit que \tresultat {$g' (x)$ est toujours positif},
comme somme de termes positifs.
 
\itemnum \num \ \num \ On trouve \dresultat {g (1) = 0}, ce qui nous
donne alors le tableau récapitulatif suivant~:
$$\vcenter {\halign {\offinterlineskip
   %% preamble
      \cc {#}& #\tv && #
   \cr
      $x$&& $-\infty $&& \hskip .2em $1$&& $+\infty $
   \cr
   \noalign {\hrule }
      $g' (x)$&& && \hskip .2em $+$&
   \cr
   \noalign {\hrule }
      \bup {\down {$g (x)$}}&&& \brightuparrow & \hss \bup {\down
{$0$}}\hss & \bup {\brightuparrow }
   \cr
   \noalign {\hrule }
      signe de $g (x)$&&& \cc {$-$}& \hskip .5em\tv & \cc {$+$}
   \cr
   \noalign {\hrule }
}}
$$
 
\partie {B}
%%
\vskip -5mm
%%
\itemalphnum En $+\infty $, il vient
$$
   \lim _{x\to +\infty } f (x) 
      = \lim _{x\to +\infty } x - 1 - {\ln x\over x^2}
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {\lim _{x\to +\infty } f (x) = +\infty }
$$
puisque
$$
   \lim _{x\to +\infty } x-1 = +\infty
      \qquad {\rm et} \qquad
   \lim _{x\to +\infty } {\ln x \over x^2} = 0
      \quad \hbox {d'après le cours}.
$$
 
\item {} Et en $0$, il vient
$$
   \lim _{x\to 0} f (x) 
      = \lim _{x\to 0^+} x - 1 - {\ln x\over x^2}
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {\lim _{x\to 0^+} f (x) = +\infty }
$$
puisque
$$
   \lim _{x\to 0} x-1 = -1
      \qquad  \qquad
   \lim _{x\to 0^+} \ln x  = -\infty
      \qquad  \qquad
   \lim _{x\to 0^+} x^2  = 0^+
      \qquad {\rm et} \qquad
   \lim _{x\to 0^+} {\ln x\over x^2}  = -\infty
$$
 
\itemalph De la limite de $f (x)$ en $0$, on en déduit
      que \tresultat {la droite d'équation $x= 0$ est
      asymptote verticale} à la courbe de $f$. Et on a bien la droite
      \tresultat {$y=x-1$ asymptotote oblique} puisque
$$
   \lim _{x\to +\infty} f (x) - (x-1)
      = \lim _{x\to +\infty} x - 1 + {\ln x \over x^2} - (x-1)
      = \lim _{x\to +\infty} {\ln x \over x^2} 
      = 0
      \quad \hbox {d'après le cours}.
$$
 
\itemalph Comme 
$$
   f (x) = x - 1 + {\ln x \over x^2}
      \qquad \hbox {il vient} \qquad
   f' (x) = 1 + {x^2/x - 2x\ln x\over x^4} 
      = 1 + {x - 2x\ln x\over x^4}
      = {x^3\over x^3} + {1 - 2\ln x\over x^3}
$$
donc on a bien \dresultat {f' (x) = {g (x)\over x^3}}.
 
\itemalph Reste à dresser le tableau de signe de la dérivée $f$ pour
obtenir le tableau de variation de $f$~:
$$\dresultat {
\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& 0&& 1&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      g (x)&& & -& 0& +
   \cr
   \noalign {\hrule }
      x^3&& 0& +& \tv & +
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      f' (x)&& \doublevrule & -& 0& +
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      \buucenter {$f (x)$}&& 
      \buup {$+\infty $}&
      \brightddownarrow & \down{$0$}& 
      \brightuuparrow & \buup {$+\infty $}
   \cr
}}
}$$
 
\itemalph Chercher l'intersection entre l'asymptote oblique et la
   courbe de $f$ revient à résoudre le système
$$\displaylines {
   \cases {
      y = x-1
   \cr
      y = f (x)
   \cr }
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \cases {
      y = x-1
   \cr
      x-1 = x-1 - {\ln x \over x^2}
   \cr }
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \cases {
      y = x-1
   \cr
      0 = {\ln x \over x^2}
   \cr }
\cr
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \cases {
      y = x-1
   \cr
      0 = \ln x 
   \cr }
      \quad \Longleftrightarrow \quad
   \cases {
      y = 0
   \cr
      x = 1 
   \cr }
\cr
}$$
d'où l'unique point d'intersection~: \dresultat {I (1; 0)}.
 
\item {} Pour les positions relatives, il faut étudier le signe de $f
(x) - (x-1)$. En reprenant les calculs précédents, on s'aperçoit que
ce signe est celui de $-\ln x$ puisque $f (x) - (x-1) = -(\ln x)/x^2$
avec $x^2$ toujours positif. D'où le tableau récapitulatif suivant~:
$$\dresultat {
\vcenter {\offinterlineskip \eightpoint \rm 
   \def \cc#1{ \hfil #1 \hfil }
   \halign {
   % preamble
      \cc {$#$}& #\tv && \cc {$#$}
   \cr
      x&& 0&& 1&& +\infty
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt }
      -\ln x&& & +& 0& -
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      f (x) - (x-1)&&  & +& 0& -
   \cr
   \noalign {\hrule height 1pt}
      && 
      &
      \hbox {$\cal C$ au dessus de $\cal D$}& \tv & 
      \hbox {$\cal C$ au dessous de $\cal D$}& 
   \cr
}}
}$$
 
 
\itemalphnum Comme 
$$
   H (x) = -{1\over x} (1+\ln x), 
      \quad \hbox {il vient} \quad
   H' (x) = {1\over x^2} (1+\ln x) -{1\over x} \times {1\over x}
      = {\ln x\over x^2}.
$$
Ce qui prouve que \tresultat {$H$ est une primitive de 
$\displaystyle {
   {\ln x\over x^2}
}$}.
 
\itemalph L'unité d'aire est de \dresultat {3\times 2 = 6\cm^2}. Par
définition de l'intégrale, et comme la courbe $\cal C$ est au dessous
de $\cal D$ sur l'intervalle $[1; \sqrt e]$, on aura 
$$
   \Delta = 6 \times \int _1^{\sqrt e} (x-1) - f (x) \, dx
      = 6 \times \int _1^{\sqrt e} {\ln x\over x^2}\, dx
      = 6 \times \Big[ H (x)\Big] _1^{\sqrt e}
      = 6 \times  \big( H (\sqrt e) - H (1) \big)
$$
Comme $H (1) = -1$ et que $H (\sqrt e) = -3/2\sqrt e$ (puisque $\sqrt e
= e^{1/2}$, et donc $\ln \sqrt e = 1/2$), il vient
$$
   \Delta = 6\times \left( -{3\over 2\sqrt e} + 1 \right)
      \qquad {\rm soit} \qquad
   \dresultat {\Delta = -{9\over \sqrt e} + 6 \approx 0,
   54\cm ^2 \approx 54\mm ^2}
$$
 
\item {}
\def \epspath {%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/ln/}
$$
   \superboxepsillustrate {pbm_013.ps}
$$
 
\fincorrige