ENSAE (ETS) - Épreuve de Mathématique 2017

 
 
Le sujet comporte cinq exercices.
 
La réponse à chaque question doit être bien rédigé.
 
Tout résultat non justifié est considéré comme non valable.

Exercice 1  (9 points)

1. Résoudre dans $\mathbb{C}$ l'équation
$$(E)\ :\ z^{3}-(7\sqrt{3}-3\mathrm{i})z^{2}+8(6-\mathrm{i}\sqrt{3})z-32(\sqrt{3}-\mathrm{i})=0$$
 
sachant qu'elle admet trois solutions notées $a$, $b$ et $c$ vérifiant $c=4a$  et  $ab=8$   (1.5 point)
 
2. On considère la suite $\left(M_{n}\right)$ de points d'affixes $z_{n}=2^{n}\mathrm{e^{\mathrm{i}(-1)n\dfrac{\pi}{6}}}$, $n\in\mathbb{N^{\ast}}$
 
a) Vérifier que $z_{1}$, $z_{2}$ et $z_{3}$ sont les solutions de $(E).$  (1.5 point)
 
b) Placer les points $M_{1}$, $M_{2}$, $M_{3}$ et $M_{4}$ dans muni d'un repère orthonormé $(O\;,\ \vec{i}\;,\ \vec{j}.)$  (1 point)
 
c) Calculer les longueurs $M_{1}M_{2}$ et $M_{3}M_{4}$ et montrer que $\forall\,n\in\mathbb{N^{\ast}}$, $M_{n}M_{n+1}=2^{n}\sqrt{3}.$  (2 point)
 
d) Montrer que $O$, $M_{2}$ et $M_{4}$ sont alignés et que $M_{2}M_{3}M_{4}$ est un triangle rectangle.  (0.5+1 point)
 
e) On note $S_{n}=M_{1}M_{2}+M_{2}M_{3}+\ldots+M_{n}M_{n+1}.$
 
Montrer que $S_{n}=2\sqrt{3}(2^{n}-1)\;,\ \forall\,n\in\mathbb{N^{\ast}}.$  (0.5 point) 
 
Déterminer le plus petit entier $n$ tel que $S_{n}\geq 1000.$  (1 point)

Exercice 2  (7 point)

Un sac contient $12$ jetons indiscernables au toucher numérotés comme suit : cinq jetons portent le numéro $0$, un seul porte le numéro $1000$, trois portent le numéro $2000$, deux portent le numéro $5000$, un seul porte le numéro $4000.$
 
On tire au hasard un jeton du sac.
 
Le prix à payer pour jeter une partie est de $3000\.F\ CFA.$
 
Le joueur reçoit, en francs $CFA$ le montant indiqué sur le jeton tiré.
 
1. Quelle est la probabilité de recevoir plus que l'on a payé pour jouer ?  (1 point)
 
2. Soit $X$ la variable aléatoire représentant le gain (positif ou négatif) du joueur à l'issue d'une partie.
 
a) Déterminer l'ensemble des valeurs de $X.$  (0.5 point)
 
b) Déterminer la loi de probabilité de $X.$  (2.5 point)
 
3. Soit $E(X)$ l'espérance mathématique $X.$
 
a) Calculer $E(X)$ et interpréter sa valeur.  (1 point)
 
b) Ce jeu est-il plus favorable à l'organisateur ou au joueur ?
 
Justifier.  (1 point)
 
c) Déterminer le prix de la partie pour que le jeu soit équitable.  (1 point)

Exercice 3  (7 point)

Soit $\left(U_{n}\right)$ la suite telle que : $$U_{n+1}=\dfrac{1}{2}\left(U_{n}+\dfrac{2}{U_{n}}\right)\quad\text{et}\quad U_{0}=2.$$
 
1. Montrer que $\left(U_{n}\right)$ est bien définie et $U_{n}\geq\sqrt{2}\;,\ \forall\,n\in\mathbb{N}.$  (1 point)
 
Montrer que $\left(U_{n}\right)$ est convergente puis calculer sa limite.  (1.5 point)
2. a) On pose $f(x)=\dfrac{1}{2}\left(x+\dfrac{2}{x}\right)\;,\ \forall\,x\geq\sqrt{2}.$
 
Montrer à l'aide de l'intégralité des accroissements finis que $|f(x)-f(y)|\leq\dfrac{1}{1}|x-y|.$  (1 point)
 
b) En déduire que pour tout $n\in\mathbb{N}$, on a $\left|U_{n}-\sqrt{2}\right|\leq\left(\dfrac{1}{2}\right)^{n}.$  (1 point)
 
c) A partir de quel entier $n$, $U_{n}$ est-elle une valeur approchée de $\sqrt{2}$ à $10^{-6}$ près ?  (1 point)
 
3. a) Montrer que $U_{n+1}-\sqrt{2}\leq\dfrac{1}{2\sqrt{2}}\left(U_{n}-\sqrt{2}\right)^{2}\;,\ \forall\,n\in\mathbb{N}$  (0.5 point)
 
b) En déduire que si $U_{n}$ est une valeur approchée de $\sqrt{2}$ à $10^{-6}$ près alors $U_{n+1}$ est une valeur approchée de $\sqrt{2}$ à $10^{-12}$ près  (1 point)

Exercice 4  (7 points)

Soit $$I_{n}=\int_{0}^{1}x^{n}\ln(1+x)\mathrm{d}x\;,\ \forall\,n\in\mathbb{N}.$$
 
1. Calculer $I_{0}.$  (0.5 point)
 
2. a) Montrer que $I_{n}\geq 0\;,\ \forall\,n\in\mathbb{N}.$  (0.5 point)
 
b) Établir que la suite $\left(I_{n}\right)$ est décroissante  (0.5 point)
 
c) En déduire que $\left(I_{n}\right)$ est convergente.  (0.5 point)
 
3. a) Justifier l'inégalité : $\forall\,n\in\mathbb{N}\;,\ \forall\,x\in[0\;,\ 1]\;,\ x^{n}(1+x)\leq x^{n}$  (0.5 point)
 
b) En déduire que $\forall\,n\in\mathbb{N}\;,\ I_{n}\leq\dfrac{1}{n+1}.$  (0.5 point)
 
c) Calculer la limite de $I_{n}.$  (0.5 point)
 
4. a) Par intégration par parties, montrer que $$I_{n}=\dfrac{\ln 2}{n+1}-\dfrac{1}{n+1}\int_{0}^{1}\dfrac{x^{n+1}}{1+x}\mathrm{d}x\quad(1\text{ point})$$
 
b) Montrer que  $$0\leq\int_{0}^{1}\dfrac{x^{n+1}}{1+x}\mathrm{d}x\leq\dfrac{1}{n+2}.\quad(1\text{ point})$$
 
c) En déduire un encadrement de $I_{n}$ puis $\lim\limits_{n\rightarrow +\infty}\left(n I_{n}\right).$  (1.5 point)

Exercice 5  (10 point)

On considère la fonction $f$ définie par : $$f(x)=\mathrm{e}^{\dfrac{1}{x}}\sqrt{|x(x+2)|}$$
 
1. Déterminer le domaine de définition $\mathcal{D_{f}}$ de $f$ puis étudier les limites de $f$ aux bornes de $\mathcal{D_{f}}.$  (2.5 point)
 
2. Justifier la continuité de $f$ sur $\mathcal{D_{f}}.$  (0.5 point)
 
3. Étudier la dérivabilité de $f$ au point $x_{0}=-2.$ 
 
Interpréter graphiquement le résultat obtenu. (1.5 point)
 
4. Étudier le sens de variation de $f$ et dresser son tableau de variation.
 
$\left(\text{On pourra calculer la dérivée de la fonction }\mapsto\ln f(x)\right).$  (2 points)
 
5. Montrer que la courbe $\mathcal{C_{f}}$ de $f$ admet une asymptote oblique $\Delta_{1}$ en $+\infty$ et une asymptote oblique $\Delta_{2}$ en $-\infty.$  (2 points)
 
6. Tracer $\mathcal{C_{f}}$ dans un repère orthonormé.
 
On admettra que $\mathcal{C_{f}}$ est au dessus de $\Delta_{1}$ et $\Delta_{2}$ au voisinage de $\infty.$  (1.5 point)
 

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