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BAC Spé Maths 2024 — Métropole J1

Métropole 19 juin 2024
Aires et volumes Calcul intégral et primitives Dérivation et étude de fonctions Fonction logarithme népérien

Cet exercice est issu des annales officielles du Baccalauréat Spécialité Mathématiques (Terminale générale), session Métropole J1 2024. Il couvre 4 thèmes : Aires et volumes, Calcul intégral et primitives, Dérivation et étude de fonctions…. L'énoncé est accompagné d'indices progressifs pour guider la réflexion sans donner la réponse, et d'un corrigé détaillé.

Partie A : étude de la fonction $f$

La fonction $f$ est définie sur l'intervalle $\left]0\,;\,+\infty\right[$ par :
$$f(x) = x - 2 + \frac{1}{2}\ln x,$$
où $\ln$ désigne la fonction logarithme népérien. On admet que la fonction $f$ est deux fois dérivable sur $\left]0\,;\,+\infty\right[$, on note $f'$ sa dérivée et $f''$ sa dérivée seconde.

1.

Question Q1a

Déterminer, en justifiant, les limites de $f$ en $0$ et en $+\infty$.

Question Q1b

Montrer que pour tout $x$ appartenant à $\left]0\,;\,+\infty\right[$, on a : $f'(x) = \dfrac{2x+1}{2x}$.

Question Q1c

Étudier le sens de variation de $f$ sur $\left]0\,;\,+\infty\right[$.

Question Q1d

Étudier la convexité de $f$ sur $\left]0\,;\,+\infty\right[$.

2.

Question Q2a

Montrer que l'équation $f(x) = 0$ admet dans $\left]0\,;\,+\infty\right[$ une solution unique qu'on notera $\alpha$ et justifier que $\alpha$ appartient à l'intervalle $\left[1\,;\,2\right]$.

Question Q2b

Déterminer le signe de $f(x)$ pour $x \in \left]0\,;\,+\infty\right[$.

Question Q2c

Montrer que $\ln(\alpha) = 2(2-\alpha)$.

Partie B : étude de la fonction $g$

La fonction $g$ est définie sur $\left]0\,;\,1\right]$ par :
$$g(x) = -\frac{7}{8}x^2 + x - \frac{1}{4}x^2\ln x.$$
On admet que la fonction $g$ est dérivable sur $\left]0\,;\,1\right]$ et on note $g'$ sa fonction dérivée.

Question Q3

Calculer $g'(x)$ pour $x \in \left]0\,;\,1\right]$ puis vérifier que $g'(x) = x\,f\!\left(\dfrac{1}{x}\right)$.

2.

Question Q4a

Justifier que pour $x$ appartenant à l'intervalle $\left]0\,;\,\dfrac{1}{\alpha}\right[$, on a $f\!\left(\dfrac{1}{x}\right) > 0$.

On admet le tableau de signes suivant :

Tableau de signes de f(1/x) x f ( 1 x ) 0 1/α 1 ] + 0 Tableau de signes de f(1/x) sur ]0 ; 1]

Tableau de signes de $f\!\left(\dfrac{1}{x}\right)$

Question Q4b

En déduire le tableau de variations de $g$ sur l'intervalle $\left]0\,;\,1\right]$. Les images et les limites ne sont pas demandées.

Partie C : un calcul d'aire.

On a représenté sur le graphique ci-dessous :
- La courbe $\mathcal{C}_g$ de la fonction $g$ ;
- La parabole $\mathcal{P}$ d'équation $y = -\dfrac{7}{8}x^2 + x$ sur l'intervalle $\left]0\,;\,1\right]$.

1 0 1/α 0,1 C g P A Courbes C_g et P avec zone hachurée représentant l'aire A

Courbes $\mathcal{C}_g$ et $\mathcal{P}$ avec la zone hachurée représentant l'aire $\mathcal{A}$

On souhaite calculer l'aire $\mathcal{A}$ du domaine hachuré compris entre les courbes $\mathcal{C}_g$ et $\mathcal{P}$, et les droites d'équations $x = \dfrac{1}{\alpha}$ et $x = 1$.

On rappelle que $\ln(\alpha) = 2(2-\alpha)$.

1.

Question Q5a

Justifier la position relative des courbes $C_g$ et $\mathcal{P}$ sur l'intervalle $\left]0\,;\,1\right]$.

Question Q5b

Démontrer l'égalité :
$$\int_{\frac{1}{\alpha}}^{1} x^2 \ln x \, \mathrm{d}x = \frac{-\alpha^3 - 6\alpha + 13}{9\alpha^3}$$

Question Q6

En déduire l'expression en fonction de $\alpha$ de l'aire $\mathcal{A}$.

Énoncé : Ministère de l'Éducation nationale — Baccalauréat Spécialité Mathématiques, Métropole J1 2024. Diffusé sous Licence Ouverte 2.0 (Etalab). Indices et correction : © Objectif Maths Tours.
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