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Devoir surveillé : Généralités sur les fonctions, variations et fonctions affines

Maths 2ⁿᵈᵉ · un devoir qui mélange 3 chapitres, en 3 niveaux : ★ les bases, ★★ niveau DS classique, ★★★ pour aller plus loin. Sujets et corrigés détaillés, à faire en temps limité puis à corriger.

Sujet et corrigé prêts à imprimer.

Niveau ★ les bases · Durée 60 min · Noté sur 20
60:00
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Devoir surveillé – Généralités sur les fonctions, variations et fonctions affines — niveau ★

Durée : 60 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 2ⁿᵈᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Automatismes

(5 pts)
  1. a)Soit f(x)=x2−3x+5. Calculer l'image de −1 par f.
  2. b)Pour quelle valeur de x l'expression 2x+16x−21 n'est-elle pas définie ? Pour quelle valeur est-elle nulle ?
  3. c)Donner le coefficient directeur et l'ordonnée à l'origine de la fonction affine g(x)=2,5−1,2x, puis son sens de variation sur ℝ.
  4. d)Une fonction h est strictement décroissante sur [−3;4] et h(1)=0. Donner le signe de h(−2,5) et celui de h(3).
  5. e)Déterminer le réel c tel que le point A(2;−3) appartienne à la courbe représentative de la fonction k:x↦x3−4x+c.

Exercice 2 – Lire un tableau de variations

(5 pts)
  1. a)La fonction g est définie sur [−6;5] ; elle est strictement monotone sur chaque intervalle de son tableau de variations ci-dessous. On admet que sa courbe se trace sans lever le crayon.
    x−6−215
    g(x)−1↗4↘−3↗2
    Donner le sens de variation de g sur chacun des intervalles [−6;−2], [−2;1] et [1;5].
  2. b)Donner le maximum et le minimum de g sur [−6;5], en précisant en quelle valeur chacun est atteint.
  3. c)Comparer g(−1) et g(0) en justifiant.
  4. d)On note α, β et γ (avec α<β<γ) les solutions de l'équation g(x)=0 sur [−6;5]. Justifier que α∈]−6;−2[, β∈]−2;1[ et γ∈]1;5[, puis dresser le tableau de signes de g(x) sur [−6;5].
  5. e)On admet que, pour tout x de [1;5], g(x)=1,25x−4,25. Vérifier que cette expression redonne les valeurs du tableau en 1 et en 5, puis calculer la valeur exacte de γ.

Exercice 3 – Une fonction affine, de sa définition à son signe

(5 pts)

La fonction affine f vérifie f(2)=−2 et, chaque fois que x augmente de 1, f(x) diminue de 3.

  1. a)Donner son coefficient directeur, puis montrer que f(x)=−3x+4.
  2. b)Donner, en justifiant, le sens de variation de f sur ℝ, puis le maximum et le minimum de f sur l'intervalle [−2;2].
  3. c)Dresser le tableau de signes de f(x) sur ℝ.
  4. d)Résoudre l'inéquation f(x)⩾−2.
  5. e)Les points B(−23;6) et C(1,5;−1) appartiennent-ils à la droite qui représente f ?

Exercice 4 – Problème — Un ballon-sonde

(5 pts)
  1. a)Un ballon-sonde météorologique est lâché depuis une station située à 0,3 km d'altitude. On relève son altitude A(t), en km, t minutes après le lâcher :
    t (min)0102540
    A(t) (km)0,33,37,812,3
    Calculer les quotients variation de Avariation de t entre colonnes successives. Que peut-on en conclure ? Montrer que A(t)=0,3t+0,3 et interpréter le nombre 0,3 qui multiplie t.
  2. b)Le ballon éclate lorsqu'il atteint 30 km d'altitude. Montrer que le modèle est valable pour t∈[0;99], puis donner le sens de variation de A sur cet intervalle, son minimum et son maximum.
  3. c)Déterminer l'antécédent de 9,3 par A et interpréter le résultat.
  4. d)On admet qu'au-dessus de 12 km d'altitude, le ballon se trouve dans la stratosphère. Résoudre l'inéquation A(t)>12 sur [0;99] et interpréter.
  5. e)Les points (50;15) et (70;21,3) appartiennent-ils à la droite qui représente A ? Un capteur d'humidité ne fonctionne que lorsque le ballon est entre 3 km et 9 km d'altitude. Pendant combien de minutes fonctionne-t-il ?

Bon courage !

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Corrigé et barème – Généralités sur les fonctions, variations et fonctions affines — niveau ★

Durée : 60 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 2ⁿᵈᵉ

Exercice 1 – Automatismes

(5 pts)
  1. a)f(−1)=(−1)2−3×(−1)+5=1+3+5=9. (1 pt) (1)
  2. b)6x−21=0⟺x=216=72 : la valeur interdite est 72=3,5. 2x+1=0⟺x=−12, qui n'est pas la valeur interdite : l'expression est nulle en −0,5. (1 pt) (1)
  3. c)g(x)=−1,2x+2,5 : m=−1,2 et p=2,5. Comme m<0, g est strictement décroissante sur ℝ. (1 pt : 0,5 pt pour m et p, 0,5 pt pour le sens de variation) (1)
  4. d)−2,5, 1 et 3 appartiennent à [−3;4] et h y est strictement décroissante : elle inverse l'ordre. Comme −2,5<1, h(−2,5)>h(1)=0 : h(−2,5) est positif. Comme 3>1, h(3)<h(1)=0 : h(3) est négatif. (1 pt) (1)
  5. e)k(2)=23−4×2+c=8−8+c=c. Le point A appartient à la courbe de k si et seulement si k(2)=−3, c'est-à-dire c=−3. (1 pt) (1)

Erreur fréquente — Une fonction décroissante inverse l'ordre : de −2,5<1 on déduit h(−2,5)>h(1), et non une inégalité dans le même sens.

Exercice 2 – Lire un tableau de variations

(5 pts)
  1. a)g est strictement croissante sur [−6;−2], strictement décroissante sur [−2;1] et strictement croissante sur [1;5]. (1 pt) (1)
  2. b)Les images écrites dans le tableau sont −1, 4, −3 et 2. Le maximum vaut 4, atteint en −2 ; le minimum vaut −3, atteint en 1. (1 pt) (1)
  3. c)−1 et 0 appartiennent à [−2;1], où g est strictement décroissante, et −1<0 : donc g(−1)>g(0). (1 pt) (1)
  4. d)On raisonne flèche par flèche. Sur [−6;−2], g passe de −1 à 4 et 0 est compris entre ces nombres : une seule solution α, différente des bornes car g(−6)≠0 et g(−2)≠0, donc α∈]−6;−2[. Sur [−2;1], de 4 à −3 : une seule solution β∈]−2;1[. Sur [1;5], de −3 à 2 : une seule solution γ∈]1;5[. Comme g(−6)=−1<0 :
    x−6αβγ5
    g(x)−0+0−0+
    (1 pt) (1)
  5. e)1,25×1−4,25=−3 et 1,25×5−4,25=6,25−4,25=2 : on retrouve g(1)=−3 et g(5)=2. Puis 1,25x−4,25=0⟺x=4,251,25=3,4, et 3,4∈]1;5[ : γ=3,4. (1 pt : 0,5 pt pour la vérification, 0,5 pt pour la solution) (1)

Méthode — Pour compter les solutions de g(x)=k, on lit le tableau flèche par flèche : chaque flèche dont les deux extrémités encadrent k fournit exactement une solution.

Exercice 3 – Une fonction affine, de sa définition à son signe

(5 pts)
  1. a)Le coefficient directeur est la variation de f(x) quand x augmente de 1 : m=−3. Puis p=f(2)−m×2=−2+6=4. Donc f(x)=−3x+4 ; contrôle : f(2)=−6+4=−2. (1 pt) (1)
  2. b)f est affine de coefficient directeur −3<0 : elle est strictement décroissante sur ℝ. Sur [−2;2], le maximum est f(−2)=6+4=10, atteint en −2, et le minimum est f(2)=−6+4=−2, atteint en 2. (1 pt) (1)
  3. c)−3x+4=0⟺x=43. Le coefficient directeur −3 est négatif : f(x) est positif avant 43 et négatif après.
    x−∞43+∞
    f(x)+0−
    (1 pt) (1)
  4. d)−3x+4⩾−2⟺−3x⩾−6⟺x⩽2 (on divise par −3<0 : le sens de l'inégalité change). 𝒮=]−∞;2]. (1 pt) (1)
  5. e)f(−23)=−3×(−23)+4=2+4=6 : B appartient à la droite. f(1,5)=−4,5+4=−0,5≠−1 : C n'appartient pas à la droite. (1 pt) (1)

Piège — Le signe de m donne le sens de variation, pas le signe de f(x) : f est décroissante, et pourtant f(x) est positif pour tous les x inférieurs à 43.

Exercice 4 – Problème — Un ballon-sonde

(5 pts)
  1. a)Quotients entre colonnes successives : 3,3−0,310−0=310=0,3 ; 7,8−3,325−10=4,515=0,3 ; 12,3−7,840−25=4,515=0,3. Ils sont tous égaux : c'est une fonction affine de coefficient directeur 0,3, avec p=A(0)=0,3. Donc A(t)=0,3t+0,3 : le ballon monte de 0,3 km, soit 300 m, par minute. (1 pt) (1)
  2. b)0,3t+0,3=30⟺0,3t=29,7⟺t=99 : le ballon éclate au bout de 99 min, d'où t∈[0;99]. A est affine de coefficient directeur 0,3>0 : elle est strictement croissante. Minimum A(0)=0,3 km, maximum A(99)=30 km. (1 pt) (1)
  3. c)0,3t+0,3=9,3⟺0,3t=9⟺t=30. Le ballon est à 9,3 km d'altitude 30 minutes après le lâcher. (1 pt) (1)
  4. d)0,3t+0,3>12⟺0,3t>11,7⟺t>39. Avec t∈[0;99] : 𝒮=]39;99]. Le ballon est dans la stratosphère pendant les 60 dernières minutes de son vol. (1 pt) (1)
  5. e)A(50)=15+0,3=15,3≠15 : le point (50;15) n'est pas sur la droite ; A(70)=21+0,3=21,3 : le point (70;21,3) y est. 3⩽0,3t+0,3⩽9⟺2,7⩽0,3t⩽8,7⟺9⩽t⩽29 : le capteur fonctionne de la 9e à la 29e minute, soit pendant 20 minutes. (1 pt : 0,5 pt pour les points, 0,5 pt pour le capteur) (1)

Méthode — Pour reconnaître un modèle affine dans un tableau, on calcule les quotients « variation de A sur variation de t » entre colonnes successives : ils doivent tous être égaux, et leur valeur commune est le coefficient directeur.

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Sujet et corrigé prêts à imprimer.

Niveau ★★ niveau DS classique · Durée 120 min · Noté sur 20
120:00
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Devoir surveillé – Généralités sur les fonctions, variations et fonctions affines — niveau ★★

Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 2ⁿᵈᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Automatismes

(3 pts)
  1. a)Déterminer l'ensemble de définition de la fonction u:x↦4x−1x+5.
  2. b)f est une fonction affine telle que f(9)−f(−3)=10. Calculer son coefficient directeur.
  3. c)Le nombre 3 a-t-il des antécédents par la fonction x↦x2+4 ? Justifier.
  4. d)Déterminer les antécédents de 1 par la fonction v:x↦5−(x+2)2.

Exercice 2 – Démontrer — Variations d'une fonction affine

(4 pts)
  1. a)Soit f la fonction définie sur ℝ par f(x)=mx+p, avec m>0. Soient u et v deux réels tels que u<v. Démontrer que f(v)−f(u)=m(v−u), puis en déduire que f est strictement croissante sur ℝ.
  2. b)Soit h(x)=3x4−x−62. Montrer que h est une fonction affine et donner son sens de variation.
  3. c)Sans calculer les images, comparer h(−2,8) et h(−2,71).
  4. d)Dresser le tableau de variations de h sur [−8;4] et donner le minimum et le maximum de h sur cet intervalle.
  5. e)Résoudre l'inéquation h(x)<0 et interpréter le résultat sur la droite représentant h.

Exercice 3 – Valeurs, variations et équations

(4 pts)

Soit f la fonction définie sur [−2;6] par f(x)=x2−2x−6.

  1. a)Recopier et compléter le tableau de valeurs de f :
    x−2−10123456
    f(x)
  2. b)Démontrer que, pour tout réel x, f(x)=(x−1)2−7. En déduire le minimum de f sur [−2;6] et en quelle valeur il est atteint.
  3. c)On admet que f est strictement décroissante sur [−2;1] et strictement croissante sur [1;6]. On admet que sa courbe se trace sans lever le crayon. Dresser le tableau de variations de f, donner son maximum sur [−2;6], puis le nombre de solutions de l'équation f(x)=0 sur cet intervalle.
  4. d)Résoudre algébriquement l'équation f(x)=−6 sur [−2;6].
  5. e)À l'aide des variations de f, déterminer les réels x de [−2;6] tels que f(x)⩽2.

Exercice 4 – Qui a raison ?

(4 pts)

Pour chaque affirmation, dire si elle est vraie ou fausse, en justifiant par une démonstration ou un contre-exemple.

  1. a)Sam : « Si une fonction f est croissante sur [1;2] et croissante sur [2;4], alors f est croissante sur [1;4]. »
  2. b)Lina : « Si f est une fonction affine telle que f(3)>f(5), alors f(x)>0 pour tout réel x négatif. »
  3. c)Malo : « Les points E(−2;5) et F(−2;−3) peuvent appartenir tous les deux à la courbe d'une même fonction. »
  4. d)Inès : « Sur [−1;3], la fonction x↦x2 a pour minimum 1, atteint en −1. »

Exercice 5 – Problème — Le verger

(5 pts)

Un arboriculteur plante x pommiers par hectare, avec 20⩽x⩽80. Plus les arbres sont serrés, moins chacun produit : chaque arbre ajouté fait baisser d'une même quantité la récolte de chaque arbre. Avec 30 arbres, chacun donne 45 kg de pommes ; avec 50 arbres, chacun en donne 35 kg. On note r(x) la récolte d'un arbre, en kg.

  1. a)Justifier que r est une fonction affine, puis montrer que r(x)=60−0,5x. Interpréter le nombre −0,5.
  2. b)On note P(x) la production totale d'un hectare, en kg. Montrer que P(x)=60x−0,5x2, puis calculer P(40).
  3. c)Démontrer que P(x)=1800−0,5(x−60)2. En déduire le nombre d'arbres qui rend la production maximale, et cette production.
  4. d)Résoudre l'équation P(x)=1750. On admet que P est croissante sur [20;60] et décroissante sur [60;80] : en déduire pour quels nombres d'arbres la production atteint au moins 1750 kg.
  5. e)Les pommes sont vendues 1,50 € le kg et chaque arbre coûte 12 € par an. Le bénéfice annuel d'un hectare est alors B(x)=1,5P(x)−12x=78x−0,75x2, en euros. Le programme Python ci-dessous renvoie 52.
    def B(x):
        return 78*x - 0.75*x**2
    
    def meilleur():
        xm = 20
        for x in range(20, 81):
            if B(x) > B(xm):
                xm = x
        return xm
    Expliquer ce que fait ce programme, puis démontrer que B(x)=2028−0,75(x−52)2 et conclure.

Bon courage !

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Voir le corrigé et le barème
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Corrigé et barème – Généralités sur les fonctions, variations et fonctions affines — niveau ★★

Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 2ⁿᵈᵉ

Exercice 1 – Automatismes

(3 pts)
  1. a)Il faut x+5⩾0 (racine carrée) et x+5≠0 (dénominateur), donc x+5>0, soit x>−5 : Du=]−5;+∞[. (1 pt) (0,75)
  2. b)Pour une fonction affine, f(9)−f(−3)=m(9−(−3))=12m. Donc 12m=10 et m=1012=56. (0,5 pt) (0,75)
  3. c)Un carré est positif ou nul, donc x2+4⩾4>3 pour tout réel x : l'équation x2+4=3 n'a pas de solution, et 3 n'a aucun antécédent. (0,5 pt) (0,75)
  4. d)v(x)=1⟺5−(x+2)2=1⟺(x+2)2=4⟺x+2=2 ou x+2=−2, soit x=0 ou x=−4. Contrôle : v(0)=5−4=1 et v(−4)=5−4=1. Les antécédents de 1 par v sont −4 et 0. (1 pt) (0,75)

Piège — Une racine carrée placée au dénominateur impose une inégalité stricte : x+5 existe pour x=−5, mais vaut alors 0 et rend le quotient impossible.

Exercice 2 – Démontrer — Variations d'une fonction affine

(4 pts)
  1. a)f(v)−f(u)=(mv+p)−(mu+p)=mv−mu=m(v−u). Comme u<v, on a v−u>0 ; et m>0 : le produit m(v−u) est strictement positif. Donc f(u)<f(v) pour tous réels u<v : f est strictement croissante sur ℝ. (1,5 pt : 0,5 pt pour le calcul, 1 pt pour le signe et la conclusion) (0,8)
  2. b)h(x)=0,75x−0,5x+3=0,25x+3 : h est affine, de coefficient directeur 14>0, donc strictement croissante sur ℝ d'après a). (0,5 pt) (0,8)
  3. c)−2,8<−2,71 et h est strictement croissante : h(−2,8)<h(−2,71). (0,5 pt) (0,8)
  4. d)h(−8)=−2+3=1 et h(4)=1+3=4.
    x−84
    h(x)1↗4
    Sur [−8;4], le minimum de h est 1, atteint en −8, et le maximum est 4, atteint en 4. (1 pt) (0,8)
  5. e)0,25x+3<0⟺0,25x<−3⟺x<−12 : 𝒮=]−∞;−12[. La droite représentant h est strictement au-dessous de l'axe des abscisses à gauche du point (−12;0). (0,5 pt) (0,8)

Méthode — Pour démontrer un sens de variation, on prend deux réels quelconques u<v et on étudie le signe de f(v)−f(u) : un exemple numérique ne prouve jamais une propriété vraie « pour tous ».

Exercice 3 – Valeurs, variations et équations

(4 pts)
  1. a)
    x−2−10123456
    f(x)2−3−6−7−6−32918
    Par exemple f(−2)=4+4−6=2 et f(6)=36−12−6=18. (0,5 pt) (0,8)
  2. b)(x−1)2−7=x2−2x+1−7=x2−2x−6=f(x). Un carré est positif ou nul, donc f(x)⩾−7 ; et f(1)=−7 avec 1∈[−2;6]. Le minimum de f est −7, atteint en 1. (1 pt) (0,8)
  3. c)
    x−216
    f(x)2↘−7↗18
    Le maximum de f sur [−2;6] est 18, atteint en 6. Sur [−2;1], f passe de 2 à −7 : une solution de f(x)=0 ; sur [1;6], de −7 à 18 : une solution. L'équation a 2 solutions. (1 pt) (0,8)
  4. d)x2−2x−6=−6⟺x2−2x=0⟺x(x−2)=0⟺x=0 ou x=2, deux valeurs de [−2;6] : 𝒮={0;2}, en accord avec le tableau de valeurs. (1 pt) (0,8)
  5. e)Sur [−2;1], f décroît de f(−2)=2 à −7, donc f(x)⩽2 pour tout x de cet intervalle. Sur [1;6], f est strictement croissante et f(4)=2 : f(x)⩽2⟺x⩽4. Donc 𝒮=[−2;4]. (Contrôle : f(x)⩽2⟺(x−1)2⩽9⟺−3⩽x−1⩽3.) (0,5 pt) (0,8)

Astuce — Sur un intervalle où f est monotone, une inéquation f(x)⩽k se résout en repérant le nombre dont l'image vaut k.

Exercice 4 – Qui a raison ?

(4 pts)
  1. a)Vrai. Soient u⩽v deux réels de [1;4]. S'ils sont dans le même intervalle [1;2] ou [2;4], alors f(u)⩽f(v). Sinon u⩽2⩽v, et f(u)⩽f(2)⩽f(v). Dans tous les cas f(u)⩽f(v) : f est croissante sur [1;4]. (1 pt) (1)
  2. b)Faux. f(3)>f(5) avec 3<5 montre seulement que le coefficient directeur est négatif. Contre-exemple : f(x)=−x−10, avec f(3)=−13>f(5)=−15, mais f(−1)=−9<0. (1 pt) (1)
  3. c)Faux. Les deux points ont la même abscisse −2 : le nombre −2 aurait deux images, 5 et −3, alors qu'une fonction associe à chaque nombre une seule image. (1 pt) (1)
  4. d)Faux. 0∈[−1;3] et 02=0<1. En fait, pour tout réel x, x2⩾0=02 : le minimum sur [−1;3] est 0, atteint en 0, et non à une borne. (1 pt) (1)

Erreur fréquente — Pour réfuter un « pour tout », un seul contre-exemple suffit ; pour l'établir, il faut une démonstration valable dans tous les cas.

Exercice 5 – Problème — Le verger

(5 pts)
  1. a)La récolte de chaque arbre baisse de la même quantité pour chaque arbre ajouté : r varie de façon constante, c'est une fonction affine r(x)=mx+p. m=35−4550−30=−1020=−0,5 et p=45−(−0,5)×30=45+15=60, donc r(x)=60−0,5x. Chaque arbre supplémentaire fait perdre 0,5 kg de pommes à chacun des arbres. (1 pt) (1)
  2. b)P(x)=x×r(x)=x(60−0,5x)=60x−0,5x2 (et r(x)⩾r(80)=20>0 sur [20;80], le modèle a un sens). P(40)=2400−0,5×1600=2400−800=1600 kg. (1 pt) (1)
  3. c)1800−0,5(x2−120x+3600)=1800−0,5x2+60x−1800=60x−0,5x2=P(x). Comme (x−60)2⩾0, P(x)⩽1800 ; et P(60)=1800 avec 60∈[20;80]. La production est maximale avec 60 arbres par hectare : 1800 kg. (1 pt) (1)
  4. d)P(x)=1750⟺0,5(x−60)2=50⟺(x−60)2=100⟺x−60=10 ou x−60=−10, soit x=70 ou x=50. Sur [20;60], P est croissante : P(x)⩾1750=P(50)⟺x⩾50. Sur [60;80], elle est décroissante : P(x)⩾P(70)⟺x⩽70. La production atteint au moins 1750 kg pour 50⩽x⩽70. (1 pt) (1)
  5. e)Le programme calcule B(x) pour chaque entier x de 20 à 80 (balayage de pas 1) et garde celui qui donne le plus grand bénéfice. 2028−0,75(x2−104x+2704)=2028−0,75x2+78x−2028=78x−0,75x2=B(x). Donc B(x)⩽2028=B(52) pour tout x : le bénéfice est maximal avec 52 arbres (et non 60) et vaut 2028 €. (1 pt) (1)

Astuce — Une écriture « nombre moins un multiple positif d'un carré » donne directement le maximum : on le lit sur la forme, puis on vérifie que la valeur trouvée appartient à l'intervalle d'étude.

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Sujet et corrigé prêts à imprimer.

Niveau ★★★ pour aller plus loin · Durée 120 min · Noté sur 20
120:00
benprofparticulier.frMathématiques · 2ⁿᵈᵉ

Devoir surveillé – Généralités sur les fonctions, variations et fonctions affines — niveau ★★★

Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 2ⁿᵈᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Démontrer

(4 pts)
  1. a)Soit f une fonction affine telle que f(1)=f(4). Démontrer que f est constante.
  2. b)Soit f une fonction affine strictement décroissante sur ℝ, de coefficient directeur m. Démontrer que m<0.
  3. c)Soit g une fonction strictement croissante sur un intervalle I et k un réel. Démontrer que l'équation g(x)=k admet au plus une solution dans I.
  4. d)Soit g(x)=x3−48x et I=[4;+∞[. Démontrer que, pour tous réels a et b, g(b)−g(a)=(b−a)(a2+ab+b2−48), puis que g est strictement croissante sur I.
  5. e)Vérifier que x3−48x−128=(x−8)(x+4)2, puis résoudre l'équation g(x)=128 dans ℝ, puis dans I. Expliquer pourquoi le résultat ne contredit pas la question c).

Exercice 2 – Une famille de droites

(4 pts)

Pour tout réel k, on note fk la fonction définie sur ℝ par fk(x)=kx+3−2k, et 𝒟k sa droite représentative.

  1. a)Démontrer que toutes les droites 𝒟k passent par un même point A, dont on donnera les coordonnées.
  2. b)Soient k et k′ deux réels distincts. Démontrer que 𝒟k et 𝒟k′ ont A pour seul point commun.
  3. c)Déterminer k pour que 𝒟k coupe l'axe des ordonnées au point d'ordonnée 9, puis donner l'expression de fk(x) correspondante.
  4. d)On suppose k>0. Déterminer, en fonction de k, le nombre qui annule fk(x), puis dresser le tableau de signes de fk(x).
  5. e)Déterminer l'ensemble des réels k pour lesquels fk(x)>0 pour tout x de [0;4].

Exercice 3 – Problème — Le chemin le plus rapide

(4 pts)

Un marcheur se trouve dans les dunes au point A, à 3 km d'une piste rectiligne ; on note H le point de la piste le plus proche de A, de sorte que le triangle AHM est rectangle en H pour tout point M de la piste. Il veut rejoindre un village V situé sur la piste, à 8 km de H. Dans le sable, il marche à 3 km/h ; sur la piste, à 5 km/h. Il marche en ligne droite de A jusqu'à un point M du segment [HV], avec HM=x km, puis suit la piste jusqu'à V.

  1. a)Justifier que la durée du trajet, en heures, est T(x)=x2+93+8−x5, pour x∈[0;8]. Calculer T(0) et T(8) (valeur exacte, puis arrondie au centième si besoin).
  2. b)On admet que T est décroissante puis croissante sur [0;8]. On exécute le programme ci-dessous ;
    from math import sqrt
    
    def T(x):
        return sqrt(x**2 + 9)/3 + (8 - x)/5
    
    def balayage(p):
        xm = 0
        x = 0
        while x <= 8:
            if T(x) < T(xm):
                xm = x
            x = x + p
        return xm
    Calculer T(1), T(2), T(3) et T(4) à 10−3 près. En déduire la valeur renvoyée par l'appel balayage(1), puis un encadrement de la valeur de x qui rend la durée minimale.
  3. c)On admet que, pour deux réels positifs a et b, a⩾b⟺a2⩾b2. Démontrer que, pour tout x de [0;8], T(x)⩾2,4⟺5x2+9⩾3(x+4), puis que cette dernière inégalité équivaut à (4x−9)2⩾0.
  4. d)En déduire la durée minimale du trajet et la position du point M correspondante, puis le temps gagné par rapport au trajet qui rejoint la piste en H.

Exercice 4 – Problème — Consommation et vitesse

(4 pts)

Sur autoroute, la consommation d'une voiture, en litres pour 100 km, est modélisée par C(v)=0,001v2−0,14v+9,5, où v∈[40;130] est la vitesse en km/h.

  1. a)Démontrer que C(v)=0,001(v−70)2+4,6. En déduire la consommation minimale et la vitesse correspondante.
  2. b)Démontrer que C est strictement croissante sur [70;130]. (On admet que C est strictement décroissante sur [40;70].)
  3. c)Déterminer les vitesses pour lesquelles C(v)⩽6 ; donner la valeur exacte de la borne obtenue, puis son arrondi à l'unité.
  4. d)Pour un trajet de 360 km avec un carburant à 1,80 € le litre, le coût du carburant, en euros, est K(v)=6,48C(v). Justifier cette formule et expliquer pourquoi K a les mêmes variations que C. Calculer ensuite le surcoût et le temps gagné en roulant à 130 km/h plutôt qu'à 110 km/h.

Exercice 5 – Pour aller plus loin — Valeurs extrêmes imposées

(4 pts)
  1. a)On cherche les fonctions affines f dont le minimum sur [0;4] vaut 1 et le maximum vaut 9. On rappelle (exercice 2, question e)) que, sur un segment, une fonction affine atteint son minimum et son maximum aux bornes. Déterminer toutes les fonctions qui conviennent.
  2. b)Généraliser : a<b et c<d étant des réels donnés, déterminer toutes les fonctions affines dont le minimum sur [a;b] vaut c et le maximum vaut d.
  3. c)Démontrer que, pour toute fonction affine f, f(1)=f(0)+f(2)2. En déduire qu'il n'existe aucune fonction affine f dont le minimum sur [0;2] vaut 0, le maximum vaut 2, et telle que f(1)=1,5.
  4. d)Soit h(x)=−0,5x2+2x sur [0;2]. Démontrer que h est strictement croissante sur [0;2], puis vérifier qu'elle remplit les trois conditions de la question c).

Bon courage !

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Voir le corrigé et le barème
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Corrigé et barème – Généralités sur les fonctions, variations et fonctions affines — niveau ★★★

Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 2ⁿᵈᵉ

Exercice 1 – Démontrer

(4 pts)
  1. a)Notons f(x)=mx+p. Alors f(4)−f(1)=(4m+p)−(m+p)=m(4−1)=3m. Or f(4)−f(1)=0, donc m=0 et f(x)=p pour tout réel x : f est constante. (1 pt) (0,8)
  2. b)Le taux d'accroissement de f entre 0 et 1 vaut m : m=f(1)−f(0)1−0=f(1)−f(0). Comme 0<1 et f est strictement décroissante, f(1)<f(0), donc m<0. (0,5 pt) (0,8)
  3. c)Raisonnons par l'absurde : supposons que l'équation ait deux solutions distinctes a et b dans I, avec a<b. Comme g est strictement croissante sur I, g(a)<g(b), c'est-à-dire k<k : c'est impossible. L'équation a donc au plus une solution dans I. (1 pt) (0,8)
  4. d)En développant, (b−a)(a2+ab+b2)=a2b+ab2+b3−a3−a2b−ab2=b3−a3. Donc (b−a)(a2+ab+b2−48)=b3−a3−48b+48a=g(b)−g(a). Si 4⩽a<b : b−a>0, et a2⩾16, ab>16, b2>16 donnent a2+ab+b2>48. Ainsi g(b)−g(a)>0 : g est strictement croissante sur I. (1 pt) (0,8)
  5. e)(x+4)2=x2+8x+16, et (x−8)(x2+8x+16)=x3+8x2+16x−8x2−64x−128=x3−48x−128. Donc g(x)=128⟺(x−8)(x+4)2=0⟺x=8 ou x=−4 : dans ℝ, les solutions sont −4 et 8. Dans I, seule 8 convient. Pas de contradiction : g n'est pas croissante sur ℝ (par exemple 0<4 mais g(0)=0>g(4)=−128), et la propriété c) ne s'applique que sur I. (0,5 pt) (0,8)

Méthode — Une fonction strictement monotone sur un intervalle ne prend jamais deux fois la même valeur sur cet intervalle : c'est ce qui garantit l'unicité d'une solution.

Exercice 2 – Une famille de droites

(4 pts)
  1. a)fk(x)=k(x−2)+3, donc fk(2)=3 quel que soit k : toutes les droites 𝒟k passent par A(2;3). (0,5 pt) (0,8)
  2. b)fk(x)−fk′(x)=kx−2k−k′x+2k′=(k−k′)(x−2). Comme k−k′≠0, fk(x)=fk′(x)⟺x=2 : les deux droites ont un seul point commun, d'abscisse 2, c'est A(2;3). (0,5 pt) (0,8)
  3. c)fk(0)=3−2k, et 3−2k=9⟺k=−3. Alors f−3(x)=−3x+3+6=−3x+9. Contrôle : f−3(0)=9 et f−3(2)=−6+9=3. (1 pt) (0,8)
  4. d)k(x−2)+3=0⟺x−2=−3k⟺x=2−3k (k≠0). Comme k>0, fk(x) est négatif avant ce nombre et positif après.
    x−∞2−3k+∞
    fk(x)−0+
    (1 pt) (0,8)
  5. e)fk est affine, donc monotone sur [0;4] (constante si k=0) : son minimum sur [0;4] est fk(0) ou fk(4). Ainsi fk(x)>0 sur [0;4]⟺fk(0)>0 et fk(4)>0. Or fk(0)=3−2k>0⟺k<1,5 et fk(4)=2k+3>0⟺k>−1,5. Réponse : k∈]−1,5;1,5[. (1 pt) (0,8)

Astuce — Sur un segment, une fonction affine atteint son minimum et son maximum aux bornes : pour qu'elle soit positive sur tout le segment, il suffit de tester les deux bornes.

Exercice 3 – Problème — Le chemin le plus rapide

(4 pts)
  1. a)Dans le triangle AHM rectangle en H, le théorème de Pythagore donne AM=AH2+HM2=x2+9, parcourus à 3 km/h : durée x2+93. Puis MV=8−x km à 5 km/h : durée 8−x5. M est sur [HV], donc x∈[0;8]. T(0)=33+85=2,6 h et T(8)=733≈2,85 h. (1 pt) (1)
  2. b)T(1)=103+1,4≈2,454 ; T(2)=133+1,2≈2,402 ; T(3)=2+1≈2,414 ; T(4)=53+0,8≈2,467. Avec T(0)=2,6, les images décroissent jusqu'en 2 puis croissent : T étant décroissante puis croissante, les images en 5, 6, 7, 8 dépassent T(4). Le programme calcule T en 0 ; 1 ; … ; 8 et garde l'abscisse de la plus petite image : il renvoie 2. Comme T décroît puis croît, le minimum est atteint entre 1 et 3. (1 pt) (1)
  3. c)T(x)⩾2,4⟺x2+93⩾2,4−8−x5=12−8+x5=x+45⟺5x2+9⩾3(x+4) (on multiplie par 15>0). Les deux membres sont positifs car x⩾0, donc cela équivaut à 25(x2+9)⩾9(x+4)2⟺25x2+225⩾9x2+72x+144⟺16x2−72x+81⩾0⟺(4x−9)2⩾0. (1 pt) (1)
  4. d)Un carré est toujours positif ou nul : T(x)⩾2,4 pour tout x de [0;8], avec égalité si et seulement si 4x−9=0, soit x=94=2,25, qui est bien dans [1;3]. La durée minimale est 2,4 h, soit 2 h 24 min, en rejoignant la piste à 2,25 km de H. Par H, le trajet dure T(0)=2,6 h : on gagne 0,2 h, soit 12 min. (1 pt) (1)

Piège — Un balayage ne donne qu'un encadrement : le minimum exact, atteint en 2,25, n'est pas un multiple du pas.

Exercice 4 – Problème — Consommation et vitesse

(4 pts)
  1. a)0,001(v−70)2+4,6=0,001(v2−140v+4900)+4,6=0,001v2−0,14v+4,9+4,6=C(v). Comme (v−70)2⩾0, C(v)⩾4,6=C(70), avec 70∈[40;130] : la consommation minimale est 4,6 L pour 100 km, à 70 km/h. (1 pt) (1)
  2. b)Soient 70⩽a<b⩽130. C(b)−C(a)=0,001[(b−70)2−(a−70)2]=0,001(b−a)(a+b−140). Or b−a>0, et a⩾70, b>70 donnent a+b−140>0 : C(b)−C(a)>0, donc C est strictement croissante sur [70;130]. (1 pt) (1)
  3. c)C(v)=6⟺0,001(v−70)2=1,4⟺(v−70)2=1400⟺v=70+1014 ou v=70−1014. Or 70−1014≈32,6 n'est pas dans [40;130]. Sur [40;70], C décroît de C(40)=5,5 à 4,6, donc C(v)⩽5,5<6. Sur [70;130], C croît : C(v)⩽6⟺v⩽70+1014. Conclusion : C(v)⩽6⟺v∈[40;70+1014], soit jusqu'à environ 107 km/h. (1 pt) (1)
  4. d)360 km, c'est 3,6 fois 100 km : on consomme 3,6C(v) litres, qui coûtent 1,8×3,6C(v)=6,48C(v) euros. La fonction linéaire y↦6,48y est strictement croissante (6,48>0) : si C(a)<C(b), alors K(a)<K(b), donc K a les mêmes variations que C. C(130)=16,9−18,2+9,5=8,2 et C(110)=12,1−15,4+9,5=6,2 : surcoût 6,48×2=12,96 €. Durées : 360130≈2,769 h et 360110≈3,273 h, soit environ 0,503 h, c'est-à-dire 30 min gagnées. (1 pt) (1)

Erreur fréquente — En résolvant (v−70)2=1400, on oublie souvent l'une des deux solutions, ou l'on garde une valeur hors de l'intervalle d'étude : on écrit les deux, puis on les confronte au domaine.

Exercice 5 – Pour aller plus loin — Valeurs extrêmes imposées

(4 pts)
  1. a)D'après le rappel, le minimum et le maximum sont f(0) et f(4) ; une fonction constante est exclue car 1≠9. Cas croissant : f(0)=1 et f(4)=9, d'où m=9−14−0=2 et f(x)=2x+1. Cas décroissant : f(0)=9 et f(4)=1, d'où m=−2 et f(x)=−2x+9. Il y a exactement deux fonctions. (1 pt) (1)
  2. b)Cas croissant : f(a)=c et f(b)=d, donc m=d−cb−a et f(x)=c+d−cb−a(x−a). Cas décroissant : f(a)=d et f(b)=c, donc f(x)=d−d−cb−a(x−a). Contrôle avec a) : 1+84x=2x+1 et 9−84x=−2x+9. (1 pt) (1)
  3. c)Avec f(x)=mx+p : f(0)+f(2)=p+2m+p=2(m+p)=2f(1). D'après a), sur [0;2] le minimum et le maximum sont f(0) et f(2), dans un ordre ou dans l'autre : ces deux nombres sont 0 et 2, donc f(1)=0+22=1≠1,5. Une telle fonction affine n'existe pas. (1 pt) (1)
  4. d)h(b)−h(a)=−0,5(b2−a2)+2(b−a)=(b−a)(2−0,5(a+b)). Si 0⩽a<b⩽2 : b−a>0 et a+b<4, donc 2−0,5(a+b)>0 : h est strictement croissante sur [0;2]. Son minimum est h(0)=0, son maximum h(2)=−2+4=2, et h(1)=−0,5+2=1,5 : h convient (elle n'est pas affine). (1 pt) (1)

Astuce — Pour une fonction affine, l'image du milieu de deux nombres est la moyenne de leurs images : c'est une conséquence directe des accroissements proportionnels.

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

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