Corrigé du bac Maths, S Pondichéry juin 2000
Exercice 1 4 points
Commun à tous les candidats
Un professeur se trouve en possession de 5 clefs de salles. Il se tient devant une porte et il sait que, parmi ses 5 clefs, 2 n'ouvrent pas la porte parce qu'elles sont défectueuses mais les autres le peuvent. Il veut alors les tester toutes, une à une. Le choix des clefs est effectué au hasard et sans remise. On appelle clef numéro x la clef utilisée au x-ième essai.
- On appelle D1 l'évènement : " La clef numéro 1 n'ouvre pas la porte ". Calculer sa probabilité.
On a bien sûr p(D1)=25.
- On appelle D2 l'évènement : " La clef numéro 2 n'ouvre pas la porte" . Calculer la probabilité que l'évènement D2 se réalise, sachant que l'évènement D1 est réalisé.
Si la clef numéro 1 n’a pas ouvert la porte il reste une clef défectueuse sur les quatre encore à essayer, donc pD1(D2)=14.
En déduire la probabilité de l'évènement D1∩D2.
On a p(D1∩D2)=p(D1)×pD1(D2)=25×14=110.
On pourra, pour la suite de l'exercice, s'aider d'un arbre pondéré.
- Quelle est la probabilité de l'évènement : " Les clefs numéros 1 et 2 ouvrent la porte et la clef numéro 3 ne l'ouvre pas" ?
En suivant la septième branche (à partir du haut), on obtient :
p(¯D1∩¯D2∩D3)=35×24×23=210=15=0,2.
- Pour 1⩽i<j⩽5, on note (i ; j) l'évènement : " Les clefs qui n'ouvrent pas la porte sont les clefs numéros i et j ", et P(i ; j) la probabilité de cet évènement.
a. En suivant la troisième branche Calculer P(2 ; 4).
P(2 ; 4)=p(¯D1∩D2∩¯D3∩D4∩¯D5)=35×24×23×12=3×2×2×15×4×3=110=0,1
b. Calculer P(4 ; 5).
Si les clefs qui n'ouvrent pas sont les deux dernières, c'est que les trois premières ouvrent, donc :
P(4 ; 5)=p(¯D1∩¯D2∩¯D3)=35×24×13=110.
Exercice 2 5 points
Candidats n'ayant pas choisi l'enseignement de spécialité}
Le plan complexe est muni d'un repère orthonormal direct (O,→u,→v) ; unité graphique 4~cm.
On appelle B le point d'affixe i et M1 le point d'affixe :
- Déterminer le module et un argument de z1.
On a |z1|2=(√3−12)2+(−√3−12)2=14[(√3−1)2+(√3−1)2]
=14[2(√3−1)2]=24(√3−1)2.
Donc |z1|=√22(√3−1).
On peut écrire en factorisant ce module :
z1=√22(√3−1)(√22−i√22)=√22(√3−1)(cos−π4+isin−π4)
=√22(√3−1)e−iπ4.
- Soit M2 le point d'affixe z2, image de M1 par la rotation de centre O et d'angle π2.
Déterminer le module et un argument de z2.
On sait que l'écriture complexe de la rotation est z⟼zeiπ2 ou simplement z⟼iz.
Donc z2=iz1=eiπ2[√22(√3−1)e−iπ4]=√22(√3−1)eiπ4.
Donc |z2|=|z1|=√22(√3−1) et un argument de z2 est π4.
Montrer que le point M2 est un point de la droite (D) d'équation y=x.
Comme un argument est égal à π4 la partie réelle est égale à la partie soit x=y imaginaire, soit x=y. Donc M2 est un point de la droite (D) d'équation y=x.
- Soit M3 le point d'affixe z3, image de M2 par l'homothétie de centre O et de rapport √3+2.
a. Montrer que z3=√3+12(1+i).
Par définition de l'homothétie, on a z′=(√3+2)z.
Donc z3=(√3+2)z2=(√3+2)×[√22(√3−1)eiπ4]
=(√3+2)×[√22(√22+i√22)]=√3+12(1+i).
b. Montrer que les points M1 et M3 sont situés sur le cercle de centre B et de rayon √2.
On a BM21=|√3−12(1−i)−i|2=|√3−12−i√3+12|2=(√3−1)24+(√3+1)24
=+3+1−2√3+3+1+2√34=84=2, donc BM1=√2.
BM23=|√3+12(1+i)−i|2=|√3+12−i√3+12|2=(√3+1)24+(√3+1)24
=+3+1+2√3+3+1−2√34=84=2, donc BM3=√2.
Les points M1 et M3 sont situés sur le cercle de centre B et de rayon √2.
- Construire, à la règle et au compas, les points M1,~ M2 et M3 en utilisant les questions précédentes ; on précisera les différentes étapes de la construction.
Soit A le point d'affixe 1. le triangle OAB est rectangle isocèle et AB =√2. On a donc le rayon du cercle de centre qui contient les points M1 et M3. Le point M1 est sur la bissectrice des axes d'équation y=−x et M3 sur la bissectrice des axes d'équation y=x.
Enfin M2 est lui aussi sur la première bissectrice et tel que OM2=OM1.
- À tout point M du plan d'affixe z (distinct de B), on associe le point M′, d'affixe Z telle que Z=1i−z.
Déterminer et construire l'ensemble (E) des points M du plan (M distinct de B) tels que M′ appartienne au cercle de centre O et de rayon 1.
On a OM′=|Z|=|1i−z|=1|i−z|=1BM.
Donc OM′=1⟺1BM=1⟺BM=1.
L'ensemble (E) est donc le cercle de centre B et de rayon 1.
Exercice 2 5 points
Candidats ayant choisi l'enseignement de spécialité
Dans tout l'exercice, n désigne un entier naturel non nul.
a. ~Pour 1⩽n⩽6, calculer les restes de la division euclidienne de 3n par 7.
Or 72=700+28=7×100+7×4=7×(100+4)=7×104.
b. Démontrer que, pour tout n,3n+6−3n est divisible par 7.
En déduire que 3n et 3n+6 ont le même reste dans la division par 7.
3n+6−3n=3n×36−3n=3n(36−1)=3n(729−1)=728×3n.
728 et par conséquent 3n+6−3n est multiple de 7 pout tout naturel.
c. À l'aide des résultats précédents, calculer le reste de la division euclidienne de 31000 par 7.
On a 1000=6×166+4, donc d'après le résultat précédent les nombres 31000,31000−6,31000−2×6,…,31000−6×166 ont le même reste dans la division par 7.
Mais 31000−6×166=34 qui a d'après la première question comme reste 4.
d. De manière générale, comment peut-on calculer le reste de la division euclidienne de 3n par 7, pour n quelconque ?
Pour n quelconque : n=6n′+r avec 0⩽r⩽5 ; le reste de la division de n par 7 est le même que le reste de la division par de 3r par 7
Si r=0, le reste de la division par 7 est le même que le reste de la division par 7 de 36, soit d'après la première question : 1. Or 1 est le reste de la division de 30 par 7.
Dans tous les cas le reste de la division euclidienne de 3n par 7, pour n quelconque est égal au reste de la division par de 3r où r est le reste de la division euclidienne de n par 6.
e. En déduire que, pour tout entier naturel n,3n est premier avec 7.
D'après les résultats a. et d., pour n≠0,
3n=7q+r, avec 1⩽r⩽6.
3n n'est donc pas multiple de 7 qui est premier, donc 3n est premier avec 7.
- Soit Un=1+3+32+⋯+3n−1=i=n−1∑i=03i, où n est un entier naturel supérieur ou égal à 2.
a Montrer que si Un est divisible par 7, alors 3n−1 est divisible par 7.
Un est la somme des termes d'une suite géométrique de premier terme 1 et de raison 3, donc :
Un=3n−3−1=3n−12.
Comme Un est une somme d'entiers, c'est un entier, donc 3n−1 est multiple de 2.
3n−1=2Un. Donc si Un est divisible par 7, alors 3n−1 est divisible par 7.
b. Réciproquement, montrer que si 3n−1 est divisible par 7, alors Un est divisible par 7.
En déduire les valeurs de n telles que Un soit divisible par 7.
D'après le calcul précédent, si 3n−1 est divisible par 7, alors 2Un est aussi divisible par 7 ; mais 7 et 2 sont des entiers premiers, donc premiers entre eux ; d'après le théorème de Gauss Un est divisible par 7.
On a vu que quand Un est multiple de 7, 3n−1 l'est aussi ; ceci est réalisé quand le reste de la division de 3n par 7 est égal à 1, donc si n est un multiple de 6.
Dernier exemple du tableau 36−1=729−1=728=7×104.
Problème 11 points}
Partie A
⋆ Étude de la fonction g : x↦ln(3+x3−x)
Soit la fonction g définie sur ]−3 ; 3[ par : g(x)=ln(3+x3−x).
- Étudier la parité de la fonction g.
Sur ]−3 ; 3[, g(−x)=ln(3−x3+x)=ln(3−x)−ln(3+x)=−[ln(3+x)−ln(3−x)]
=ln(3+x3−x)=g(x) : la fonction g est paire sur l'intervalle ]−3 ; 3[.
a. Calculer les limites de g en −3 et en 3.
On a lim et \displaystyle \lim_{x \to - 3}3 + x = 0, donc \displaystyle \lim_{x \to - 3}g(x) = - \infty.
De même \displaystyle \lim_{x \to 3} (3 - x) = 0 et \displaystyle \lim_{x \to - 3}(3 + x) = 6, donc \displaystyle \lim_{x \to - 3}g(x) = + \infty.
b. Étudier le sens de variation de g sur [0~;~3[.
Sur [0~;~3[, g est dérivable et en posant :\dfrac{3 + x}{3 - x} = u
g'(x) = \dfrac{u'}{u}
Or u'(x) = \dfrac{3 - x + (3 + x)}{(3 - x)^2} = - \dfrac{6}{(3 - x)^2}.
D'où g'(x) = \dfrac{dfrac{6}{(3 - x)^2}}{\frac{3 + x}{3 - x}} = \dfrac{6}{(3 + x)(3 - x)} = \dfrac{6}{9 - x^2}.
Or - 3 < x < 3 \Rightarrow 0 < x^2 < 9 \iff 9 - x^2 > 0.
La dérivée quotient de termes positifs est positive : la fonction g est croissante de moins l'infini à plus l'infini et f(0) = \ln \frac{3}{3} = \ln 1 = 0.
Dresser son tableau de variation sur ]- 3~;~3[.
- Soit (\text{O},\overrightarrow{\imath},\overrightarrow{\jmath} un repère orthonormal d'unité graphique 4 centimètres. Soit (\mathcal{C}) la courbe représentative de la fonction g dans ce repère.
a. Déterminer une équation de la tangente (T) à (\mathcal{C}) au point d'abscisse 0.
Une équation de (T) à (\mathcal{C}) au point d'abscisse 0 est :
y - g(0) = g'(0)(x - 0) ; comme g'(0) = \dfrac{6}{9} = \dfrac{2}{3}, l'équation s'écrit :
y - 0 = \dfrac{2}{3}(x - 0) soit y = \dfrac{2}{3}x.
b. Tracer dans le repère la courbe (\mathcal{C}) et sa tangente (T).
- Étudier le signe de g(x) suivant les valeurs de x.
D'après les variations de g, on a g(x) < 0 sur ]- 3~;~0[, g(x) > 0 sur ]0~;~3[ et g(0) = 0.
a. Calculer la dérivée de la fonction x \mapsto xg(x).
Si h(x) = xg(x), alors h'(x) = g(x) + xg'(x) = \ln\left(\dfrac{3 + x}{3 - x}\right) + \dfrac{6x}{(3 + x)(3 - x)}.
b. Calculer l'aire, exprimée en cm^2, de la portion de plan délimitée par la courbe (\mathcal{C}), l'axe des abscisses et les droites d'équations x = 0 et x = 1. On donnera la valeur exacte de cette aire, puis une valeur approchée au mm^2 près.
L'aire en unité d'aire de la portion de plan délimitée par la courbe (\mathcal{C}), l'axe des abscisses et les droites d'équations x = 0 et x = 1 est égale à l'intégrale :
Or d'après la question 5. a. : \left[xg\right]'(x) = g(x) + xg'(x) ou g(x) = \left[xg\right]'(x) - xg'(x) = \left[xg\right]'(x) - \dfrac{6x}{9 - x^2}.
Or \dfrac{- 6x}{9 - x^2} = 3 \times \dfrac{-2x}{9 - x^2} qui est de la forme \dfrac{u'(x)}{u(x)} qui est la dérivée de 3\ln \left(9 - x^2\right).
Finalement g(x) est donc égale à la différence de deux dérivées ou encore à la dérivée de la différence et on peut donc calculer
\displaystyle\int_0^1 g(x) \:\text{d}x = \displaystyle\int_0^1 \left[ (xg(x)) - \left(3\ln \left(9 - x^2\right)\right)\right]-(\:\text{d}x = \left[xg(x) + 3\ln \left(9 - x^2\right)\right]_0^1 = \ln 2 + 3\ln 8 - 3\ln 9 = \ln 2 + 9\ln 2 - 6\ln 3 = 10\ln 2 - 6\ln 3.
L'unité étant égale à 4~cm sur chaque axe, l'unité d'aire est égale à 4 \times 4 = 16~cm^2.
L'aire en cm^2 de la portion de plan délimitée par la courbe (\mathcal{C}), l'axe des abscisses et les droites d'équations x = 0 et x = 1 est donc égale à
16(10\ln 2 - 3\ln 3) \approx 5,44~cm^2.
Partie B
\star Étude d'une courbe paramétrée
Le plan est rapporté à un repère orthonormal (\text{O},\overrightarrow{\imath},\overrightarrow{\jmath}) d'unité graphique 4~centimètres.
Soit la courbe paramétrée (\Gamma) définie par :
où g désigne la fonction étudiée dans la partie A. On note M(t) le point de coordonnées
(x(t)~;~y (t)).
a. Comparer d'une part x(t) et x(- t) et d'autre par y(t) et y(- t).
x(- t) = -t\left(3 - (-t)^2\right) = - t\left(3 - t^2\right) = - x(t) : x est impaire.
y(- t) = - tg(- t) = tg(t) = y(t) : y est paire.
b. Par quelle transformation peut-on passer de M(t) à M(- t) ?
Les points M(t) et M(- t) ont la même ordonnée et des abscisses opposées : ils sont donc symétriques autour de l'axe des ordonnées qui est un axe de symétrie de (\Gamma).
En déduire que (\Gamma) admet un axe de symétrie que l'on précisera.
- Étudier la fonction x ~:~ t \mapsto t \left(3 - t^2\right) et dresser son tableau de variations sur [0~;~2].
x est dérivable et sur [-2~;~2], x'(t) = 3 - (t)^2 - 2t \times t = 3 - 3t^2 = 3\left( 1 - t^2\right) = 3(1 + t)(1 - t) qui est du signe de (1 + t)(1 - t) :
\bullet~~si t \in ]- 1~;~1[,\:(1 + t)(1 - t) > 0 et x't() > 0 ; la fonction x est croissante sur ]- 1~;~1[ ;
\bullet~~si t \notin ]- 1~;~1[,\:(1 + t)(1 - t) < 0 et x't() > 0 ; la fonction x est décroissante sur ]- 2~;~- 1[ et sur ]1~;~2].
- En utilisant la partie A.}, montrer que la fonction
t \mapsto y(t) est strictement croissante sur l'intervalle [0~;~2].
y est dérivable sur ]-2~;~2[ et sur cet intervalle :
y'(t) = g(t) + tg'(t) = g(t) + \dfrac{6t}{9 - t^2}.
Sur ]-2~;~2[, \:9 - t^2> 0 ; le signe de y'(t) dépend donc de t et de g(t).
On a vu dans la partie A que pour t < 0,\:g(t) < 0 et comme \dfrac{6t}{9 - t^2} < 0, on a y'(t) < 0 sur ]-2~;~0[.
De même si t > 0, on a vu que g(t) > 0 et comme \dfrac{6t}{9 - t^2} > 0, on a y'(t) > 0 sur ]0~;~2].
y est donc décroissante sur ]-2~;~0[ et croissante sur ]0~;~2].
- Dresser le tableau des variations conjointes des fonctions
t \mapsto x(t) et t \mapsto y(t) sur [0~;~2].
On peut donc dresser le tableau des variations conjointes des fonctions
t \mapsto x(t) et t \mapsto y(t) sur [0~;~2] :
- Pour quelles valeurs de t l'abscisse de M(t) est-elle nulle ?
$x(t) = 0 \iff t\left(3 - t^2\right) = 0 \iff \left\{
Préciser alors les ordonnées des points correspondants de (\Gamma).
On a M(0)(0~;~0) ; M\left(\sqrt{3}\right)\left(\sqrt{3}~;~y\left(\sqrt{3} \right)\right).
Or y\left(\sqrt{3} \right) = \sqrt{3}g\left(\sqrt{3} \right) = \sqrt{3} \times \ln \left(\dfrac{3 + \sqrt{3}}{3 - \sqrt{3}} \right) = \sqrt{3}\ln \left(\dfrac{\left(3 + \sqrt{3} \right)\left(3 + \sqrt{3} \right)}{\left(3 + \sqrt{3} \right)\left(3 - \sqrt{3} \right)} \right) = \sqrt{3}\ln \left(\dfrac{9 + 3 + 6\sqrt{3}}{9 - 3}\right) = \sqrt{3}\ln \left(2 + \sqrt{3}\right).
Donc M\left(\sqrt{3}\right)\left(\sqrt{3}~;~\sqrt{3}\ln \left(2 + \sqrt{3}\right)\right).
Enfin M\left(-\sqrt{3}\right)\left(- \sqrt{3}~;~\sqrt{3}\ln \left(2 + \sqrt{3}\right)\right) car ce point et le précédent sont symétriques autour de l'axe des ordonnées.
- Tracé de (\Gamma)
a. Placer, dans le repère (\text{O},\overrightarrow{\imath},\overrightarrow{\jmath}), les points
M(0), M(1), M\left(\sqrt{3}\right) et M(2) qui correspondent respectivement aux valeurs 0, 1, \sqrt{3} et 2 du paramètre t.
Voir la figure avec M(1)(2~;~\ln 2).
b. Préciser un vecteur directeur des tangentes à (\Gamma) aux points M(0) et M(1) et tracer ces tangentes.
En M(0) le vecteur directeur de la tangente a pour coordonnées (3~;~0) et en M(1) le vecteur directeur a pour coordonnées \left(0~;~\ln 2 + \frac{3}{4}\right).
c: Tracer (\Gamma).
Voir ci-dessus.
Source: www.apmep.fr
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