79
Lyon, Paris, Rennes, Strasbourg & Toulouse
Bordeaux, Lille, Lyon & Paris Lyon, Paris,
& Toulouse
Lyon
& Paris
ENSEIGNEMENT OPTIONNEL DE MATHÉMATIQUES
COMPLÉMENTAIRES
ÉPREUVE DE MATHÉMATIQUES
(Enseignement optionnel de Mathématiques Complémentaires)
CONSIGNES AUX CANDIDATS
Durée de l’épreuve : 30 minutes
L’oral de mathématiques permet de vous évaluer sur la qualité de votre démarche de résolution des exercices en rapport avec le programme, votre maîtrise du programme, ainsi que l’agilité et la vitesse de résolution dont vous saurez faire preuve. Il permet en outre d’harmoniser votre niveau avec celui de tous les autres candidats.
Déroulement
• Afin de tenir compte de l’avancement de chacun dans le programme de Terminale et de vous permettre de démontrer vos compétences dans les meilleures conditions, vous disposerez d’une certaine marge de choix : vous pourrez éliminer un certain nombre de thèmes sur lesquels vous ne serez pas interrogé.
• Deux ou trois exercices vous seront ensuite proposés par l’examinateur. Après un temps de préparation, vous échangerez avec lui sur votre méthode de résolution.
Critères d’évaluation
• Maîtrise des savoirs disciplinaires liés au programme de terminale
• Capacités à dérouler un raisonnement et l’exposer de manière claire et rigoureuse • Autonomie dans la résolution des exercices (avec ou sans aide de l’examinateur)
Notation
• Résolution de l’exercice
• Connaissance du cours associé au thème retenu
• Rapidité dans la résolution de l’exercice
Il est conseillé de s’exercer sur chacun des thèmes proposés et de s’entraîner à résoudre les exercices « à haute voix », seul ou avec des camarades de classe, en explicitant votre méthode de résolution ainsi que les éléments de cours mis en oeuvre dans la même limite de temps que le jour de l’épreuve orale.
81
OPTION MATHÉMATIQUES COMPLÉMENTAIRES
Nous allons étudier les thèmes suivants :
• Suites
• Limites de fonctions
• Dérivée d’une fonction, convexité et variation
• Fonctions logarithmes et exponentielles
• Statistique et probabilités
THÈME 1 : SUITES
83
Suite arithmético-géométrique
u v u0 = 1 n,
un+1= 1
2un+ 3 vn=un−6.
(un)
(vn)
vn un n.
(un) n
un+1 =un+r, r .
(un) q n
un+1=q×un, q .
un+1−un
n, (un)
u0= 1, u1 u2 u1= 1
2u0+ 3 = 7
2, u2 =1
2u1+ 3 = 1 2 ×7
2+ 3 = 19 4 u1−u0= 52
u2−u1#= 52
!
⇒(un)
un+1
un n,
(un)
u1 u0 = 72
u2 u1 #= 72
!
⇒(un) (un)
n∈N,
vn =un−6 ⇒vn+1 =un+1−6 = 1
2un+ 3−6 = 1 2un−3
⇒vn+1 = 1
2 (un−6) = 1 2vn.
(vn) 12.
(vn) n∈N,
vn =v0×
!1
2
"n
.
vn =un−6, v0 =u0−6 =−5.
vn =−5×
!1
2
"n
.
vn =un−6⇒ un =vn+ 6
⇒un =−5×
!1
2
"n
+ 6.
85
(un) u0=−2 r= 5. u15.
(vn) v6= 4 r=−3. v15.
(wn) w4= 2 w10 = 14. r w0.
(tn) t2+t3+t4 = 12. t3.
(un) r n, un=u0+nr.
(un)
un =u0+nr=−2 + 5n⇒u15 =−2 + 5×15 = 73.
v0. (vn)
vn =v0+nr⇒v6=v0+ 6r=v0+ 6×(−3) =v0−18 v6 = 4⇒v0−18 = 4⇒v0= 22.
vn = 22 +n×(−3)⇒v15 = 22 + 15×(−3) =−23.
(wn) w4 = 2 w10 = 14. (wn)
w10 =w4+ 6r w4 w10 6
w10 =w4+ 6r⇒14 = 2 + 6r⇒6r= 12⇒r= 2.
w4 =w0+ 4r⇒w0=w4−4r= 2−4×2⇒w0 =−6.
(tn) t2+t3+t4 = 12. t3
t4
t3 =t2+r ⇒t2 =t3−r t4 = t3+r. t2 t4
t2+t3+t4 = (t3−r) +t3+ (t3+r) = 3t3
t2+t3+t4= 12⇒3t3 = 12⇒t3= 4.
Déterminer la raison et calculer des termes
70
2020, 7 63
20% 20%
un 2020 +n. u0 = 7.
u1= 18,2
un+1= 0,6un+ 14 n.
(un)
un n n.
n→lim+∞(un)
u1 =u0×0,80 + (70−u0)×0,20 = 7×0,80 + (70−7)×0,20 = 7×0,80 + 63×0,20 = 18,2.
n un+1=un×0,80+(70−un)×0,20 = 0,80un+70×0,20−0,20un = 0,6×un+14.
n un+1= 0,6×un+ 14.
(un) a= 0,6 b= 14.
(un) 3
1 l=al+b⇔ l= 0,6l+ 14⇔ 0,4l= 14⇔l= 0,414 = 35
2 vn vn =un−35, n.
(vn) a= 0,6
n vn+1=un+ 1−35 = 0,6×un+ 14−35 = 0,6×un−21.
Suite arithmético-géométrique
87
0,6×vn= 0,6×(un−35) = 0,6×un−0,6×35 = 0,6×un−21.
vn+1 = 0,6×vn, n.
(vn) 0,6.
3 v0 =u0−35 = 7−35 =−28.
(vn) 0,6 −28,
vn = (−28)×0,6n. vn=un−35, vn+ 35 = un.
un = (−28)×0,6n+ 35
n→+∞lim (0,6n) = 0. lim
n→+∞(un) = 35.
35
70 35
20 000
30%
n q 1
1 +q+q2+· · ·+qn = 1−qn+1
1−q
(un) 30%
1−30% un+1= 0,7un
(un) q = 0,7 u0 = 20 000.
Sn =u0+u1+u2+· · ·+u11
= 20 000 + 20 000×0,7 + 20 000×0,72+· · ·+ 20 000×0,711
= 20 000×(1 + 0,7 + 0,72+· · ·+ 0,711)
= 20 000× 1−0,712 1−0,7
≈65 744
n→lim+∞Sn.
1, Sn =u0+u1+u2+· · ·+un
= 20 000× 1−0,7n+1 1−0,7
Modéliser un problème à l’aide d’une suite géométrique
89 n→lim+∞0,7n+1 = lim
n→+∞0,7×0,7n = 0, 0≤q= 0,7<1.
n→lim+∞Sn= 20 000× 1−0,7n+1 1−0,7
= 20 000× 1 1−0,7
= 20 000 0,3
≈66 666,67
66 666,67
THÈME 2 : LIMITES DES FONCTIONS
91
1) lim
x→+∞2x3−5x2+ 1, 2) lim
x→+∞
2 1−x,
3) lim
x→−∞
x3+x−1
2x2+x , 4) lim
x→+∞(2x−3)× 1 x+ 1.
x→lim+∞2x3−5x2+ 1.
x→+∞lim 2x3 = +∞
x→lim+∞−5x2=−∞
x→lim+∞1 = 1
⇒ lim
x→+∞2x3−5x2+ 1 = +∞ − ∞
2x3−5x2+1.
2x3−5x2+ 1 =x3
%
2− 5x2 x3 + 1
x3
&
=x3
% 2− 5
x+ 1 x3
&
x→lim+∞x3= +∞
x→lim+∞−x5 +x13 = 0
x→lim+∞2− x5 +x13 = 2
⇒ lim
x→+∞2x3−5x2+1= (+∞)×2= +∞. +∞.
x→lim+∞ 2 1−x.
x→+∞lim 2 = 2
x→lim+∞1−x=−∞
'
⇒ lim
x→+∞
2
1−x =0.
y = 0 +∞.
Limite d’une fonction - forme indéterminée - asymptote
limx→−∞ x3+x−1
2x2+x . +∞ − ∞.
x3+x−1
2x2+x = x3!
1 + xx3 − x13
"
x2! 2 + xx2
" = x!
1 + x12 − x13
"
2 + x1
x→−∞lim x=−∞
x→−∞lim 1 + x12 − x13 = 1
#
⇒ lim
x→−∞x!
1 + x12 − x13
"
=−∞
x→−∞lim 2 + 1x = 3
#
⇒ lim
x→−∞
x3+x−1
2x2+x =−∞.
−∞.
x→lim+∞(2x−3)× x+11 . +∞ ×0.
(2x−3)× 1
x+ 1 = 2x−3 x+ 1 = x!
2− x3
"
x!
1 + x1" = 2− x3 1 + 1x.
x→lim+∞2− x3 = 2
x→lim+∞1 + 1x = 1
#
⇒ lim
x→+∞(2x−3)× 1
x+1 =2.
y = 2 +∞.
93
1) lim
n→+∞
!2 3
"n
, 2) lim
n→+∞
1
2n, 3) lim
n→+∞
3n 22n,
4) lim
n→+∞(−1)n, 5) lim
n→+∞
(−1)n 2n .
qn
• q >1, lim
n→+∞qn = +∞.
• q = 1, lim
n→+∞qn = 1.
• −1 < q <1, lim
n→+∞qn= 0.
• q ≤ −1, (qn)
n→lim+∞
#2
3
$n
. q = 23, −1< 23 <1
n→+∞lim
!2 3
"n
= 0.
n→lim+∞ 1
2n. q = 2, 2>1.
n→lim+∞2n = +∞.
⇒ lim
n→+∞
1 2n = 0.
1 2n =#1
2
$n
. q = 12, −1< 12 <1.
n→lim+∞
!1 2
"n
= 0⇔ lim
n→+∞
1 2n = 0.
Limite de suite géométrique
n→lim+∞ 3n
22n. 232nn qn.
3n
22n = 3n
(22)n = 3n 4n =
!3
4
"n
. q= 34, −1< 34 <1.
n→lim+∞
!3
4
"n
= 0⇔ lim
n→+∞
3n 22n = 0.
n→+∞lim (−1)n. q=−1 q≤ −1.
((−1)n)
n→lim+∞ (−1)n
2n . (−21)nn qn.
(−1)n 2n =
!−1
2
"n
. q= −21, −1< −21 <1.
n→+∞lim
!−1
2
"n
= 0⇔ lim
n→+∞
(−1)n 2n = 0.
95
Limite d’une fonction - asymptote
1) lim
x→−∞
8
1 + 2ex, 2) lim
x→+∞(x+ 1)ex, 3) lim
x→+∞
! x3+ 1
x+ 3
"
√x, 4) lim
x→−∞
1 + lnx x2 .
x→−∞lim
8
1+2ex. lim
x→−∞ex= 0,
x→−∞lim 8 = 8
x→−∞lim 1 + 2ex= 1
#
⇒ lim
x→−∞
8
1+2ex =8.
y= 8 −∞.
x→lim+∞(x+ 1)ex. lim
x→+∞ex= +∞,
x→lim+∞x+ 1 = +∞
x→lim+∞ex = +∞
#
⇒ lim
x→+∞(x+1)ex = +∞. +∞.
x→+∞lim
$x3+x1 + 3%√ x.
x→+∞lim x3 = +∞
x→lim+∞ 1 x = 0
x→lim+∞3 = 3
⇒ lim
x→+∞x3+ 1x+ 3 = +∞
x→lim+∞
√x= +∞
#
⇒ lim
x→+∞
! x3+1
x +3
"
√x= +∞.
+∞.
xlim→0 1+lnx
x2 . lim
x→0lnx=−∞,
xlim→01 + lnx=−∞
xlim→0x2= 0, x2
#
⇒ lim
x→0
1+ lnx
x2 =−∞.
x= 0 0.
Limite et encadrement - Théorème des gendarmes
1) lim
x→+∞x+ cos(x), 2) lim
x→+∞
sin(2x)
x , 3) lim
x→+∞
x+ sin(x)
x , 4) lim
x→0
sin(2x) x .
f(x)≤g(x). lim
x→+∞f(x) = +∞ lim
x→+∞g(x) = +∞
x→+∞lim x+ cos(x).
−1≤cos(x)≤1 x−1≤x+ cos(x)≤1 +x x−1≤x+ cos(x)
x→+∞lim x−1 = +∞
!
⇒ lim
x→+∞x+ cos(x) = +∞.
x→lim+∞ sin(2x)
x .
f(x)≤g(x)≤h(x). lim
x→+∞f(x) = L lim
x→+∞h(x) = L lim
x→+∞g(x) = +∞. x >0
−1≤sin(2x)≤1
−1
x ≤ sin(2x)
x ≤ 1
x
x→+∞lim
1 x = 0
x→+∞lim
−1 x = 0
!
⇒ lim
x→+∞
sin(2x) x =0.
97 x→lim+∞
x+sin(x)
x . x >0
−1≤sin(x)≤1
x−1≤x+ sin(x)≤1 +x x−1
x ≤ x+ sin(x)
x ≤ x+ 1 x
x→lim+∞ x−1
x = lim
x→+∞ x x = 1
x→lim+∞ x+1
x = lim
x→+∞ x x = 1
!
⇒ lim
x→+∞
x+ sin(x) x =1.
x→0lim
sin(2x) x .
xlim→0 sin(x)
x =1 x >0,
sin(2x)
x = 2× sin(2x) 2x .
X = 2x,
xlim→0
sin(2x)
2x = lim
X→0
sin(X) X = 1.
xlim→0
sin(2x) x =2.
THÈME 3 : DÉRIVÉE D’UNE FONCTION,
CONVEXITÉ ET VARIATION
99
x∈R 1)f(x) = ln(x2+ 1), 2)g(x) =!
ln(x2+ 1), 3)h(x) =e−2x+1+ 3 ln(x2)
f(x) lnu f"(x) = uu!
u=x2+ 1⇒u" = 2x,
f"(x) = 2x
x2+ 1.
g(x) √
u g"(x) = 2u√!u
u= ln(x2+ 1)⇒ u" =f"(x) = x2x2+1,
g"(x) =
2x x2+1
2!
ln(x2+ 1) = 2x
x2+ 1× 1 2!
ln(x2+ 1) = x (x2+ 1)!
ln(x2+ 1). h(x) eu+ 3 lnv h"(x) =u"eu+ 3vv!
u=−2x+ 1⇒u" =−2 v =x2 ⇒v" = 2x,
h"(x) = (−2)×e−2x+1+ 3× 2x
x2 =−2×e−2x+1+ 6 x.
Dérivée d’une fonction
Dérivée d’une fonction
1)k(x) = 10−x
2x , 2)g(x) =√
3x+ 1 + (−2x+ 1)3, 3)q(x) = (ln(x+ 1))2020
k(x) uv k!(x) = u!v−uvv2 !
u= 10−x⇒u! =−1 v= 2x⇒v!= 2, k!(x) = (−1)×(2x)−(10−x)×2
(2x)2 = −2x−20 + 2x
4x2 = −20
4x2 =−5 x2.
g(x) √
u+v3 g!(x) = 2u√!u + 3v!v2 u= 3x+ 1⇒ u! = 3 v =−2x+ 1⇒v! =−2,
g!(x) = 3 2√
3x+ 1+ 3×(−2)×(−2x+ 1)2 = 3 2√
3x+ 1−6×(−2x+ 1)2. q(x) u2020 q!(x) = 2020×u!×u2019
u= ln(x+ 1)⇒ u! = x+11 , q!(x) = 2020× 1
x+ 1 ×(ln(x+ 1))2019= 2020
x+ 1×(ln(x+ 1))2019.
101
Dérivées et convexité
f R
f(x) =−x3− 3 2x2+ 3
2. f.
A Cf.
f.
f ]a;b[.
∗ f!!≥0 ]a;b[, f ]a;b[.
∗ f!!≤0 ]a;b[, f ]a;b[.
a=−∞ b= +∞. f!!(x)
f!(x) = −3x2− 3
2 ×2x+ 0 =−3x2−3x⇒f!!(x) =−3×2x−3 =−6x−3.
f!!(x) = 0⇔ −6x−3 = 0⇔ −6x= 3⇔x=−1 2
−6 f!!
f ]− ∞;−0,5] [−0,5; +∞[.
f!! −12 Cf A −12
f
!
−1 2
"
=−
!
−1 2
"3
− 3 2
!
−1 2
"2
+3 2 = 1
8 − 3 2 × 1
4 +3 2 = 5
4
A (−12;54).
Dérivée et variation
f!(x) f!(x) I f I
f(x) = 5e−x2+1 I =R
f(x) = 5xlnx+x I =]0,+∞[
f(x) = 5e−x2+1 I =R.
f =k eu k= 5 u=−x2+ 1. f!(x) =k u!eu u! =−2x.
f!(x) = 5×(−2x)×e−x2+1=−10x e−x2+1. f! 2 f!(x) = 0,
∗ −10x −10 x= 0.
∗ e−x2+1
f! f f(0) = 5e−02+1= 5e.
f(x) = 5xlnx+x I =]0,+∞[
f =uv+x u= 5x v= lnx. f!(x) =u!v+uv!+ 1 u! = 5 v! = 1x. f!(x) = 5 lnx+ 5xx1 + 1 = 5 lnx+ 5 + 1 = 5 lnx+ 6. f!
x, 5 lnx+ 6>0
5 lnx+ 6 >0 ⇔5 lnx >−6 ⇔lnx >−6
5 ⇔elnx> e−65 ⇔x > e−1,2. 5 lnx+ 6 = 0⇔lnx=−65 ⇔x=e−1,2.
f! f
103
THÈME 4 : FONCTIONS LOGARITHMES
ET EXPONENTIELLES
Simplifier une expression avec des logarithmes
1) ln 6−ln 2, 2) ln(e2), 3) ln
!1
ex
"
, 4)eln 4, 5)e2 ln 5, 6)e−ln 3, 7) ln(√
e), 8) ln(e−x).
• lnab = lna−lnb, a >0 b >0.
• x∈R, lnex =x.
• elna=a, a >0.
• lnan=nlna, n∈N a >0.
• ln√
a= 12lna, a >0.
ln 6−ln 2 = ln62 = ln 3 ln(e2) = 2
ln#1
ex
$= ln 1−lnex = 0−x=−x
eln 4= 4
e2 ln 5=eln 52 = 52 = 25 e−ln 3= eln 31 = 13
ln(√
e) = 12lne= 12 ×1 = 12 ln(e−x) =−x
105
Étude de fonction logarithme
f
f(x) = 3x−ln(2x−1).
Df f.
f!(x), f Df.
f 2,5−ln23 Df.
f(x) 2x−1 >0, x > 12. Df =]12; +∞[.
u= 2x−1, u! = 2.
f(x) = 3x−lnu, f!(x) = 3− uu!. f!(x) = 3− 2
2x−1 = 3(2x−1)
2x−1 − 2
2x−1 = 6x−3−2
2x−1 = 6x−5 2x−1.
f!(x) = 0⇔ 6x2x−−51 = 0 ⇔
6x−5 = 0 2x−1$= 0
⇔
x= 56 x$= 12
f! f
f f(5
6) = 3× 5 6 −ln
$ 2× 5
6 −1
%
= 5
2 −ln2
3 = 2,5−ln2 3.
Équations avec des logarithmes
R
ln(6x−2) + ln(2x−1) = ln(x) (E)
6x−2>0 2x−1>0 x >0
⇔
6x > 2 2x > 1 x >0
⇔
x > 13 x > 12 x >0
⇔{x > 12
E x > 12. DE =]12; +∞[.
ln(6x−2) + ln(2x−1) = ln(x).
• ln(A) + ln(B) = ln(A×B)
• ln(A) = ln(B)⇔A=B
ln(6x−2) + ln(2x−1) = ln(x)⇔ln[(6x−2)(2x−1)] = ln(x)⇔(6x−2)(2x−1) =x
⇔12x2−11x+ 2 = 0
2, ∆=b2−4ac= 25, a= 12, b=−11 c= 2.
x1= 11−5 24 = 6
24 = 1
4 x2= 11 + 5 24 = 16
24 = 2 3.
1
4 DE, x2 = 23 ∈DE.
2 3.
107
Équations - Inéquations avec des logarithmes et exponentielles
R ex+3+ 1 ≤3
R ln(x+ 2)(x−1) = ln(2x+ 10)
R. DE =R.
ex+3+ 1≤ 3⇔ex+3≤3−1⇔ex+3≤2⇔lnex+3≤ln 2⇔x+ 3≤ln 2 ⇔x≤ln 2−3.
S=]− ∞; ln2−3]. ln 2−3≈ −2,31.
lnx ]0; +∞[.
(x+ 2)(x−1)>0 2x+ 10>0.
(x+ 2)(x−1) =x2+x−2 >0, −2 1,
1 (x+ 2)(x−1)>0⇔ x∈]− ∞;−2[∪]1; +∞[.
2x+ 10>0, x >−5.
DE =]−5;−2[∪]1; +∞[.
ln(x+ 2)(x−1) = ln(2x+ 10)⇔(x+ 2)(x−1) = 2x+ 10⇔x2−x−12 = 0.
∆ = b2− 4ac = 49, a = 1, b=−1 c=−12.
x1 = 1−7 2 = −6
2 =−3 x2 = 1 + 7 2 = 8
2 = 4.
2 DE.
S={−3;4}.
THÈME 5 : PROBABILITÉS ET STATISTIQUE
109
Lois discrètes
X X
30 1 30.
30 1 3. 1,
2 3.
30 1 3. 1,
2 3.
X E ={1,2,3, ...,30}.
X(Ω) =E. k E, p(X=k) = 301.
X E
E(X) = 1 + 30
2 = 15,5.
X(Ω) ={1,2,3}.
1, p(X = 1) = 1530, 2, p(X = 2) = 1030,
3, p(X = 3) = 305.
3
X E ={1,2,3}.
X(Ω) =E. k E, p(X=k) = 1030.
X E
E(X) = 1 + 3 2 = 2.
Lois discrètes
1% 100
X
X
5 5
[2; 5].
100 2
S E
p(S) = 0,01, X
X n= 100 p= 0,01.
p(X = 5)≈ 0,0029.
p(X ≥5).
p(X ≥5) = 1−p(X <5) = 1−p(X ≤4).
p(X ≤4)≈0,9966.
p(X ≥5)≈0,0034.
p(2≤X ≤5) =p(X ≤5)−p(X <2) =p(X ≤5)−p(X ≤1).
p(X ≤5)≈0,9995 p(X ≤1)≈0,7358.
p(2≤X ≤5)≈0,9995−0,7358≈ 0,2637.
111
Lois à densité
b 1 f f(x) = x1 [1;b].
f
b f
b 1, f [1;b].
1
x ]0; +∞[, f [1;b], f
f Cf
A=
! b 1
f(x)dx
! b 1
f(x)dx=
! b 1
1
xdx= [lnx]b1 = lnb−ln 1 = lnb−0 = lnb A= lnb.
1, f
A=
! b 1
f(x)dx= 1 A= 1⇔lnb= 1⇔b=e.
f b=e.
Lois à densité
X f
y0.
P(1≤X ≤1,5).
m X
f X
[0,8; 1,7], f f(x) = 1,7−10,8 = 0,91 ≈ 1,111.
y0.
p(1≤X ≤ 1,5) =
! 1,5 1
f(x)dx=
! 1,5 1
1
0,9dx= 1 0,9
! 1,5 1
1dx= 1
0,9[x]1,51 = 1
0,9(1,5−1) p(1≤X ≤ 1,5) = 0,5
0,9 ≈0,556.
X [0,8; 1,7],
p(1≤X ≤ 1,5) = 1,5−1
1,7−0,8 = 0,5
0,9 ≈0,556.
X [a;b]
E(X) = a+b2 . m= 1,7+0,82 = 1,25.