148
© Hachette Livre 2019 – Guide pédagogique, mathématiques 1re Spécialité, collection Barbazo Chapitre 6 Fonction exponentielle
• e2x
ex+1 =e−4x+2 ⇔e2x−x−1=e−4x+2 ⇔x−1=−4x+2 2⇔5x=3⇔x= 3
5 6 == 3
{ }
5• e2x+1×ex−3=e2x+3 ⇔e3x−2 =e2x+3 ⇔3x−2=2x+3⇔ 3⇔x=5
6 =={ }5
• ex2 =ex−3⇔x2 =x−3⇔x2−x+3=0. Le trinôme x2−x+3 a pour discriminant ∆=( )−12−4×1×3=−11.
∆,0, le trinôme n’admet pas de racine dans R.
6 ==∅
43 1. Graphiquement, il semble que le taux d’alcool dans le sang passe en dessous de 0,25 g/L environ 3 heures après l’ingestion.
2. f( )9 ,8 ≈1 ,1×1 0−3 ; f( )9 ,9 ≈9 ,9 ×1 0−4. Le taux d’alcool dans le sang est négligeable au bout de 9,9 heures.
3. Pour tout réel t[
[
0 ,0 2 5 ;+`[
, on a :′
f t( )=2 e−t−(2t−0 ,0 5)e−t =e−t(−2t+2 ,0 5). 4. Pour tout réel t[
[
0 ,0 2 5 ;+`[
,e−t.0 et −2t+2 ,0 5 >0 ⇔t<1 ,0 2 5.
La fonction f' est positive sur
[
0 ,0 2 5 ;1 ,0 2 5]
et négative sur 1 ,0 2 5 ;+`[ [
. On en déduit que la fonction f est croissante sur l’intervalle[
0 ,0 2 5 ;1 ,0 2 5]
et décroissante sur[
1 ,0 2 5 ;+`[
.La fonction f admet un maximum atteint pour t=1 ,0 2 5. f(1 ,0 2 5)=(2 ×1 ,0 2 5 −0 ,0 5)e−1 ,0 2 5 =2 e−1 ,0 2 5 ≈0 ,7 2. Le taux maximum d’alcool dans le sang est de 2 e−1 ,0 2 5 g/L soit environ 0,72 g/L.
44 1. Soit A x( ) l’aire du panneau publicitaire en fonction de x l’abscisse du point B, avec x appartenant à l’intervalle
0 ;+`
[ [
.A x( )=x×4 e−0 ,4x et en particulier A( )2 =2 ×4 e−0 ,4×2 =8 e−0 ,8 ≈3 ,6.
Si AB=2 m, alors le panneau publicitaire à une aire d’environ 3,6 m2.
2. La fonction A est définie et dérivable sur l’intervalle
[
0 ;+`[
.′
A x( )=4 e−0 ,4x−0 ,4 ×4 x×e−0 ,4x =e−0 ,4x(−1 ,6 x+4). Pour tout réel x[
[
0 ;+`[
,e−0 ,4x.0 et −1 ,6x+4 >0 ⇔x<2 ,5. On en déduit que la fonction A est croissante sur l’intervalle
[
0 ; 2 ,5]
et décrois- sante sur l’intervalle[
2 ,5 ;+`[
. La fonction A admet un maximum atteint pour x=2 ,5.f( )2 ,5 =4 e−0 ,4×2 ,5 = 4
e≈1 ,4 7. Le panneau publicitaire rectangulaire possédant l’aire la plus grande à une longueur de 2,5 m et une largeur d’environ 1,47 m.
45 1.
0 1 x
y
1
2. Plus les valeurs de x sont grandes et plus la fonction f se rapproche de 0 sans jamais l’atteindre.
3.
46 Graphiquement, f( )0 =1 et f′ 1
( )
2 =0 . Pour tout réel x, on a :′
f x( )=ae−x−(ax+b)e−x =e−x(−ax+a−b). f( )0 =1
′ f 1
( )
2 =0 ⇔⎧⎨⎪⎩⎪ e−12(
−12ba+=1a−1)
=0⎧
⎨⎪
⎩⎪
⇔ b=1
21a−1=0
⎧
⎨⎪
⎩⎪
⇔ b=1 a=2
⎧⎨
⎩
47 1. a. Pour tout réel x, on a :
′
f x( )=(2 x−2 ,5)ex+
(
x2 −2 ,5x+1)
exx =ex
(
x2 −0 ,5x−1 ,5)
.b. Pour tout réel x, ex.0. Le trinôme x2 −0 ,5 x−1 ,5 a pour discriminant ∆=(−0 ,5)2 −4 ×1 × −1 ,5( )=6 ,2 5.
∆>0 ,le trinôme x2 −0 ,5x−1 ,5 admet deux racines distinctes :
x1 = 0 ,5 − 6 ,2 5
2 =−1 et x2 = 0 ,5 + 6 ,2 5
2 =3
2 . Le trinôme x2 −0 ,5x−1 ,5 est du signe a, donc positif, sur l’intervalle
]
−`;−1]
<⎡⎣23;+`⎡⎣ et négatif sur l’intervalle−1; 32
⎡⎣ ⎤
⎦.
On en déduit que la fonction f' est positive sur l’intervalle
−`;−1
] ]
<⎡⎣32;+`⎡⎣ et négative sur l’intervalle ⎡−1 ; 32⎣ ⎤
⎦. c.
x –` –1 1
2 + `
f' (x) + 0 – 0 +
f (x) 4.5e–1
0
2. Au point A d’abscisse –1, la tangente à la courbe #f est horizontale et a pour équation y= f( )−1 = 4 ,5
e .
L’abscisse du point M est solution de l’équation f x( )= 4 ,5 e . À la calculatrice, une valeur approchée de l’abscisse du point M est 2,1.
3. Au point B d’abscisse 0, la tangente à la courbe #f a pour équation :
y= f′( )0 (x−0)+ f( )0 ⇔y=−1 ,5 x+1.
Chapitre 6 Fonction exponentielle 149
© Hachette Livre 2019 – Guide pédagogique, mathématiques 1re Spécialité, collection Barbazo
4.
48 1. Réponse b.
2. Réponse c.
3. Réponse a.
49 1. v1 0 =9 ,8 1 × 6
3 ,9 ×⎛1−e−3 ,96 ×1 0
⎝⎜ ⎞
⎠⎟≈1 5
La vitesse de la goutte 10 s après sa chute est d’environ 15 m/s.
Tn=vn+1 −vn=9 ,8 1 m
k⎛1 −e−mk(n+1)
⎝⎜ ⎞
⎠⎟ −9 ,8 1 m
k⎛1 −e−mkn
⎝⎜ ⎞
⎠⎟
⎞⎠⎟=9 ,8 1m
k⎛e−mkn−e−mkn−mk
⎝⎜ ⎞
⎠⎟=9 ,8 1 m
ke−mkn⎛1−e−mk
⎝⎜ ⎞
⎠⎟
Tn+1 =9 ,8 1 m
ke−mk(n+1)⎛1 −e−mk
⎝⎜ ⎞
⎠⎟=e−mk ×Tn T0 =9 ,8 1 ×m
k⎛1−e−mk
⎝⎜ ⎞
⎠⎟
La suite
( )
Tn est donc géométrique de premier terme T0 =9 ,8 1× mk⎛1 −e−mk
⎝⎜ ⎞
⎠⎟ et de raison q=e−mk. q=e−3 ,96 =e−35 , or 0,e−35,1, T0 =9 ,8 1× 6
3 ,9 ⎛1−e−3 ,96
⎝⎜ ⎞
⎠⎟≈7 ,2 .0, la suite
( )
Tn est décroissante pour tout n [ N.À la calculatrice, on trouve que Tn est inférieure à 0,001 m/s au bout de 14 s.
50 e2 5 ≈7 ,2 ×1 01 0. Pour visualiser la courbe de la fonction exponentielle sur l’intervalle
[
0 ; 25]
, il faut que la page ait une hauteur d’environ 7 ,2 ×1 01 0 cm.51 1. C( )0 ,5 =5 0 0 0 ×e0 ,0 1 5×0 ,5 ≈5 0 3 7 ,6 4 €
Au bout de 6 mois, le capital obtenu est d’environ 5 0 3 7 ,6 4 €. 2. C t′( )=0 ,0 1 5 ×5 0 0 0 ×e0 ,0 1 5t =7 5 ×e0 ,0 1 5t
Or, 7 5 ×e0 ,0 1 5t.0 pour tout t[
[
0 ;+`[
. La fonction C est donc croissante sur l’intervalle[
0 ;+`[
.3. Graphiquement, il semble que le capital obtenu sera de 5 750 au bout d’environ 9 ans.
4. Graphiquement, le capital devient supérieur à 5 250 € au bout d’environ 3 ans.
52 1. f
(
1949)
=350⇔keλ(1949−1949)=350⇔k=350 2. f(
1 9 5 9)
=3 5 0 ×e0 ,0 1 2 1 9 5 9( −1 9 4 9) =3 5 0 ×e0 ,0 1 2×1 0 ≈3 9 4 ,6 253 1.
0 1 x
y
1
Graphiquement, #g, la courbe représentative de la fonction g, est au-dessus de #f, la courbe représentative de la fonction f, sur l’intervalle
]
−`;1 ,2[
.2. 1
ex−3.e3x−2 ⇔e−x+3.e3x−2 ⇔e−x+3
e3x−2 .1⇔e−4x+5.1 1⇔ e−4x+5.e0⇔ −4x+5.0⇔x,5
4 Donc g x( ).f x( ) ⇔x[
]
−`;1 ,2 5[
.54 1. f( )0 =2 ;f( )2 ≈3 ,5 ;f( )4 ≈3 ,8 ;f( )6 ≈3 ,7 ;
7 ; f( )8 ≈3 ,5. La fonction f donne une approximation satisfai- sante des frais au millier d’euros près.
2. f x′( )=e−3x− 1
3(x−1)e−x3 =−1
3e−3x(x−4). On en déduit que f' est positive sur
[ ]
0 ; 4, négative sur[
4 ;+`[
et que lafonction f est croissante sur
[ ]
0 ; 4 et décroissante sur[
4 ;+`[
.Les frais de fonctionnement ont augmenté de 2010 à 2014 et baissent depuis 2014.
3. Le sens de variation de la fonction f laisse supposer que le gérant a raison de croire qu’à terme les frais de fonctionne- ment atteindront leur niveau de 2010.
4.
0 2 x
y
1
On remarque, graphiquement, que la fonction semble tendre vers une limite égale à 3 lorsque x tend vers des valeurs de plus en plus grandes. Plus x est grand et plus la fonction e−x3 tend vers 0. La fonction f tend alors vers 3. Après 2014, l’en- treprise ne pourra pas baisser ses frais de fonctionnement en dessous de 30 000 €.
5. À la calculatrice, on trouve que les frais de fonctionnement repasseront sous la barre des 32 000 € au bout de 13 ans, ce qui correspond à l’année 2023.
55 1. Réponses b et c.
2. Réponse b.
3. Réponse b.
4. Réponse a.
5. Réponse a.
56 1. La température à l’extérieur est inférieure à la tempé- rature de la pièce, la fonction f donnant la température en degré Celsius en fonction du temps écoulé depuis 22 h devrait être décroissante sur
[ ]
0 ; 9.2. −0 ,1 2 , 0 . La fonction e−0 ,1 2t est décroissante sur
[ ]
0 ; 9. On en déduit que la fonction f est décroissante sur[ ]
0 ; 9. 3. f( )9 =9 e−0 ,1 2×9 +1 1 ≈1 4 °C. La température de la pièce à 7 h le lendemain matin est d’environ 14 °C.150
© Hachette Livre 2019 – Guide pédagogique, mathématiques 1re Spécialité, collection Barbazo Chapitre 6 Fonction exponentielle
4.
0 1 t
T (en °C)
2
À la calculatrice, on trouve que la température de la pièce passera sous la barre des 15 °C au bout de 6,8 heures soit vers 4 h 48 min le lendemain matin.
57 1. Pour tout réel x, on a f x′( )=ex.
L’équation de la tangente à la courbe #f au point A d’abs- cisse a, a pour équation :
y= f a′( )(x−a)+ f a( )⇔y=ea(x−a)+ea ⇔y=eax+ea(1−a) y= f a′( )(x−a)+ f a( )⇔y=ea(x−a)+ea⇔y=eax+ea(1−a).
2. Le point B appartient à la droite 7 et son ordonnée est nulle. L’abscisse du point B satisfait donc l’équation suivante :
0=eaxB+ea(1−a)⇔xB =a−1.
3. BH=
(
xH−xB)
2 +(
yH−yB)
2 = (a−(a−1))2+(0−0)2 =1 BH=(
xH−xB)
2 +(
yH−yB)
2 = (a−(a−1))2+(0−0)2 =1La distance BH est indépendante de a et est égale à 1.
Exercices
58 1. Pour tout réel x[
[ ]
0;5, on a :′
f x( )=1 −e−x+0 ,5.
1 −e−x+0 ,5.0 ⇔e−x+0 ,5,1⇔e−x+0 ,5,e0 ⇔ −x+0 ,5 ,0 ⇔x.0 ,5 1 −e−x+0 ,5.0 ⇔e−x+0 ,5,1⇔e−x+0 ,5,e0 ⇔ −x+0 ,5,0 ⇔x.0 ,5
La fonction f' est négative sur
[
0 ; 0 ,5]
et positive sur[
0 ,5 ; 5]
.On en déduit que la fonction f est décroissante sur
[
0 ; 0 ,5]
etcroissante sur
[
0 ,5 ;5]
.2. a. Par lecture graphique, 2 <α<2 ,5 .
b. Graphiquement, la courbe #f est située en dessous de la droite ∆ sur l’intervalle
] ]
α;5.3. La fonction f admet un minimum atteint en x = 0,5. Il faut donc produire 50 cartes pour que le coût d’utilisation de la machine soit minimal.
4. B x( )=R x( )−C x( )=1 ,5 x−
(
x+1 +e−x+0 ,5)
=0 ,5 x−1−e−x+0 ,5B x( )=R x( )−C x( )=1 ,5 x−
(
x+1 +e−x+0 ,5)
=0 ,5 x−1−e−x+0 ,55. Pour tout réel x[
[
0 ; 5]
, on a :′
B x( )=0 ,5 +e−x+0 ,5 .0 , la fonction B est croissante sur
[ ]
0 ; 5 .6. B( )0 =−2,0 et B
( )
5 =1 ,5 −e−4 ,5.0. De plus, sur l’inter- valle[ ]
0 ;5 la fonction B est continue, dérivable et strictement croissante. L’équation B x( )=0 admet donc une solution unique α sur l’intervalle[ ]
0 ; 5.À la calculatrice, 2 ,3 2 <α<2 ,3 3. L’entreprise doit donc produire et vendre au moins 233 cartes pour réaliser un bénéfice.
59 Partie 1
1. Pour tout réel x[
[
0 ;+`[
, on a :′
g x( )=ex−ex−xex =−xex<0.
La fonction g est décroissante sur l’intervalle
[
0 ;+`[
.2. À la calculatrice, α ≈1 ,2 8.
3. g( )α =0⇔eα− αeα+1=0⇔eα(1− α)=−1⇔eα = 1 α −1 g( )α =0⇔eα− αeα+1=0⇔eα(1− α)=−1⇔eα= 1
α −1 Partie 2
1. La fonction A est définie et dérivable sur l’intervalle
[
0 ;+`[
.′
A x( )= 4 e
(
x+1)
−4xexex+1
( )
2 =4 e
(
x−xex+1)
ex+1
( )
2 =(
e4g xx+( )1)
2Le signe de A x′( ) est le même que g x( ).
2. D’après la question précédente, A' (x) est positive sur
[ ]
0;α et négative sur[
α;+`]
. On en déduit que la fonction A est croissante sur[
0 ;α]
et décroissante sur[
α;+`]
.Partie 3
La fonction f est définie et dérivable sur l’intervalle
[
0 ;+`[
.′
f x( )=− 4ex ex+1
( )
2L’équation de la tangente à la courbe représentative de la fonction f au point M d’abscisse α a pour équation :
y= f′( )α (x− α)+ f( )α ⇔y=− 4eα eα+1
( )
2(x− α)+ eα4+1⇔y=4 1α −1 α −11+1
( )
2(x− α)+ α −141+1⇔y= 4(xα− α)+4(α −α 1)⇔y= α4x−α4y= f′( )α (x− α)+ f( )α ⇔y=− 4eα eα+1
( )
2(x− α)+eα4+1⇔y=4 1α −1 α −11+1
( )
2(x− α)+ α −141+1⇔y= 4(xα− α)+4(α −α 1)⇔y=α4x−α4y= f′( )α (x− α)+ f( )α ⇔y=− 4eα eα+1
( )
2(x− α)+eα4+1⇔y=4 1α −1 α −11+1
( )
2(x− α)+ α −141+1⇔y= 4(xα− α)+4(α −α 1)⇔y= α4x−α4y= f′( )α (x− α)+ f( )α ⇔y=− 4eα eα+1
( )
2(x− α)+eα4+1⇔y=4 1α −1 α −11+1
( )
2(x− α)+ α −141+1⇔60 y= 1. a. 4(xα− α)+4(α −α 1)⇔y= α4x−α4.C5 = 8 4
7 ⎛1−e−58 0×7
⎝⎜
⎞
⎠⎟=1 2 1
(
−e−0 ,4 3 7 5)
≈4 ,2 5 2 µ M⋅L–1b. En utilisant la table de la calculatrice, on observe que cette concentration augmente mais la croissance est de moins en moins forte et la concentration se rapproche de 12 µM⋅L−1. 2. La formule donnant la concentration devient Cn= d
3⎛1−e−3n80
⎝⎜ ⎞
⎠⎟.
n→+lim`e−3n80 =0 , donc lim
n→+`1−e−380n =1 ;
n→+`lim Cn=15 ⇔d
3 = 15, soit d = 45 µM ⋅L−1.
Chapitre 6 Fonction exponentielle 151
© Hachette Livre 2019 – Guide pédagogique, mathématiques 1re Spécialité, collection Barbazo
61 Partie A
1. La fonction cosh( )x est définie et dérivable sur R.
cosh′( )x = ex−e−x
2 =sinh( )x 2. cosh2( )x −sinh2( )x = )= ex+e−x
(
2)
2−(
ex−2e−x)
2)
2 = e2x+2exe−x+e−2x−4e2x+2exe−x−e−2x = 4e40 =13. cosh( )−x = e−x+e− −x( )
2 = e−x+ex
2 =cosh( )x La fonction cosh est paire.
sinh( )−x = e−x−e− −( )x
2 = e−x−ex
2 =−ex−e−x
2 =−sinh( )x La fonction sinh est impaire.
Partie B
1. a. f( )−x =a×cosh −x
( )
38 +b=a×cosh( )
38x +b= f x( ) La fonction f x( ) est paire, la courbe représentative de la fonc- tion f est symétrique par rapport à l’axe des ordonnées.b. f( )0 =190 f
( )
95 =0⎧
⎨⎪
⎩⎪
⇔ a+b=190
acos h 95
( )
38 +b=0 ⇔ acos h 2 ,5a+( )
b=1 9 0+b=0⎧⎨
⎪
⎩⎪
⎧
⎨⎪
⎩⎪
⇔ a+b=1 9 0
a
(
1−cos h 2 ,5( ) )
=1 9 0⎧⎨
⎪
⎩⎪ ⇔ b=1 9 0 −a
a= 1 9 0
1 −cos h 2 ,5
( )
⎧
⎨⎪
⎩⎪
⇔ b≈2 2 7 ,0 2
a≈ −3 7 ,0 2
⎧⎨
⎪
⎩⎪
2. 6 3 ,4 0
2 =3 1 ,7. Cela revient à trouver l’image de 31,7 par la
fonction f.
f(3 1 ,7)=−3 7 ,0 2 ×cosh 3 1 ,7
( )
3 8 +2 2 7 ,0 2 ≈1 7 6 ,3 5.Le Solar Impulse ne doit pas dépasser une altitude de 176,35 m pour passer sous l’arche.
62 1. La fonction f est définie et dérivable sur
[
0 ;+`[
.′
f t( )=−1 5ae−t5
f( )0 =a+b et f′( )0 =−1 5a.
À t=0, la température est de 1 000 °C.
On en déduit le système suivant : f( )0 =1000
′ f ( )0 +1
5f( )0 =4 ⇔ a+b=1000
−1 5a+ 1
5(a+b)=4
⎧
⎨⎪
⎩⎪
⎧
⎨⎪
⎩⎪
⇔ a=1000−b 15b=4
⎧
⎨⎪
⎩⎪
⇔ a=980 b=20
⎧⎨
⎩ 2. f t′( )=−1
5×980×e−t5 =−196e−t5 ,0
La fonction f est décroissante sur l’intervalle
[
0 ;+`[
. Aussitôt le four éteint, il paraît cohérent que la température du four diminue.3. a. Le programme détermine, avec une précision de 1, la première valeur de t pour laquelle la fonction ekt est supé- rieure à une valeur égale à b.
b. Le programme fonctionne lorsque la fonction ekt est décroissante. Ainsi, il faut que la valeur de k soit négative. De plus, ek×0 =1, le seuil b sous lequel doit passer la fonction doit donc être inférieur à 1 et positif car la fonction exponen- tielle est strictement positive sur R.
c.
Il faut attendre au moins 15 heures après l’arrêt du four pour que la température de celui-ci soit inférieure à 70 °C.
63 1. f( )0 =3 et f′( )0 =−2.
2. Pour tout réel x, on a :
′
f x( )=ex+a−be−x. 3. f( )0 =3
′
f ( )0 =−2
⎧⎨
⎪
⎩⎪ ⇔ 1+b=3
1+a−b=−2
⎧⎨
⎩ ⇔ b=2
a=−1
⎧⎨
⎩
Exercices
VERS L’ÉPREUVE ÉCRITE
64 Partie A
1. Graphiquement, la concentration du produit dans le sang du patient au bout de 2 h est d’environ 0,97 g/L.
2. La courbe représentative de la fonction f est en dessous de la droite d’équation y=0 ,4 sur l’intervalle ]5,75 ; 12]. Il faut donc attendre au moins 5,75 heures pour que la personne puisse prendre le volant.
Partie B
1. f( )0 =1 ,2 ⇔b=1 ,2. Ainsi f t( )=
(
0 ,5t+1 ,2)
e−0 ,4t.2. f
( )
5 =(
0 ,5 ×5 +1 ,2)
e−0 ,4×5 =3 ,7 e−2 =3 ,7 e2 ≈0 ,5La concentration du produit dans le sang du patient au bout de 5 h est d’environ 0,5 g/L.
3. f t′( )=0 ,5 e−0 ,4t −0 ,4 0 ,5
(
t+1 ,2)
e−0 ,4tt =e−0 ,4t(−0 ,2t+0 ,0 2 ) 4. Pour tout t[
[
0 ; 24]
,e−0 ,4t.0 et −0 ,2t+0 ,0 2 >0 ⇔t<0 ,1.
On en déduit que la fonction f est croissante sur l’intervalle 0 ; 0 ,1