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TD 2021 MATHEMATIQUES

ENNONCE

Partie A : Évaluation des ressources (15 points)

Cette partie est constituée de trois exercices indépendants numérotés de 1 à 3.

Exercice 1 : (4 points)

On considère la fonction numérique f définie sur R par : f(x)=36x2 2x3
1. Montrer que f est une solution sur R de l'équation différentielle (E) :
36y+6y +y=2592 2x3 1pt
2. Étudier les variations de la fonction f sur l'intervalle [0,18] et déterminer la valeur de x pour laquelle f atteint son maximum sur cet intervalle. 1,5pt
3. Une région reçoit 36 doses de vaccin à la COVID -19 dont n doses proviennent d'une firme A, n doses proviennent d'une firme B et le reste d'une firme C (avec 1n17).
On tire au hasard et simultanément 3 doses de vaccin du lot.
a) Démontrer que le nombre de tirages donnant une dose de chaque firme est f(n).0,5pt
b) Soit P(n) la probabilité de tirer une dose de chaque firme. Exprimer P(n) à l'aide de
f(n) et en déduire la valeur de n pour laquelle P(n) est maximale. 1pt

Exercice 2 : (5 points)

Le plan est muni d'un repère orthonormé (O,I,J). On considère dans C l'équation :
(E):z3 (6+i3)z2+ (11+4i3)z 63i3=0
1. Montrer que l'équation (E) (z24z+3) (z2i3) =0 0,5pt
2. Résoudre dans C l'équation (E). 0,75 pt
3. On considère les points A, B, C et D d’affixes respectives 3, 2+i3 , 7 et 11+4i3
a) Démontrer que le triangle IAB est équilatéral. 0.5pt
b) Soit r la rotation de centre le point F et d'angle π3; d'écriture complexe :
z=(12+i32)z +32+23+ (2332)i.
Déterminer l’affixe du point F et montrer que r(C)=D, en déduire alors que le triangle DFC est équilatéral. 1,5pt
c) Déterminer l'écriture complexe de l'homothétie h qui transforme I en D et B en C. 1pt
d) Déterminer l'expression complexe de la transformation S=hr. 0,75 pt

Exercice 3 (4,25 points)

On définit les fonctions h et h sur ]0,+[ par: f(x)=ex+1x et k(x)=x +xlnx
1. Démontrer que l'équation k(x)=1 admet une unique solution α dans [3;4]. 1pt
2. Démontrer que k(x)=1 si et seulement si h(x)=x. 0,25 pt
3. Démontrer que pour tout x élément de [3;4] , h(x) est aussi un élément de [3;4]. 0,5pt
4. Démontrer que |h(x)|12 à pour tout x élément de [3;4]. 0,5pt
5. Soit U la suite définie par : {U0=3Un+1=h(Un), avec nN
a) Démontrer par récurrence que pour tout entier naturel n. Un[3;4]. 0.5pt
b) Démontrer que pour tout entier naturel n. |Un+1α| 12|Unα| 0 ,5pt
c) En déduire que pour tout entier naturel n , |Unα| (12)n 0,5pt
d) Démontrer que la suite U est convergente et déterminer sa limite. 0,5pt

Partie B : Évaluation des compétences (6,75 points)

Situation :
Une réserve naturelle contient essentiellement trois espèces de singes : des macaques ; des orang-outans et des chimpanzés. Les relevés topographiques de cette réserve naturelle simulés dans un laboratoire montrent que celle-ci est limitée dans un repère orthonormé (O,I,J) à l'échelle 1cm pour 4km, par la courbe (C) d'équation y=x3 3x2+4, la droite (OI) et les droites (D1) et (D2) d'équations respectives x=1 et x=2.
Deux routes rectilignes assimilées aux droites (OJ) et (D) d'équation x=1 divisent la réserve en trois sites distincts :
♦ Le site A contenant des macaques est délimité par la courbe (C), les droites (OI), (D1) et (OJ)
♦ Le site B contenant des orang-outans est délimité par la courbe (C), les droites (OI), (OJ) et (D).
 Le site C contenant des chimpanzés est délimité par la courbe (C), les droites (OI), (D) et (D2).
La densité de la population de macaques est de 15 macaques par km’, celle d'orang-outans est de 10 orang-outans par km2 et celle des chimpanzés est de 12 chimpanzés par km2. Pour protéger certains animaux de la réserve contre les zoonoses (maladies des bêtes), les chercheurs les vaccinent 3 fois. La première vaccination nécessite 1 ,136 litre de vaccin. La deuxième nécessite 1,54 litre. Les doses de vaccin (en millilitres) par animal sont données par le tableau suivant :

  macaque orang-outan chimpanzé
1ère dose de vaccin 2 ml 1 ml 3 ml
2ème dose de vaccin 2 ml 3 ml 4 ml
3ème dose de vaccin 2 ml 5 ml 5 ml

Dans la réserve. 15% de chimpanzés ont une maladie M1. Parmi les chimpanzés atteints par la maladie M1, 20% ont une maladie M2 et parmi les chimpanzés non atteints par la maladie M1, 4% ont la maladie M2. On choisit un chimpanzé au hasard pour une étude dans un laboratoire.

Tâches :
1. Déterminer le nombre d'animaux de cette réserve. 2,25 pts
2. Déterminer le volume de vaccin en litres nécessaire pour la 3eme vaccination. 2,25 pts
3. Déterminer la probabilité pour que le chimpanzé choisi soit atteint de la maladie M2. 2,25pts

CORRECTION

Partie A : Évaluations des ressources / 15 points

Exercice 1 / 4 points

1. On donne la fonction f définie sur R par f(x)=36x2 2x3
Montrons que f est une solution sur R de l'équation différentielle
(E):36y+ 6y+y= 25922x3
Nous avons {f(x)=36x22x3f(x)=72x6x2f(x)=7212x
Pour tout xR, on a : 36f(x)+ 6f(x)+f(x) =25922x3, f est donc une solution de l'équation différentielle (E). 1 pt
2. Etudions les variations de f sur l'intervalle [0;18] et déterminons la valeur de x pour laquelle f atteint son maximum 1,5 pt
On a : f(x)=72x 6x2= 6x(12x) et f(x)=0 6x(12x) =0 {x=0x=12
D'où le tableau :
tableau variationf est strictement croissante sur [0;12] et strictement décroissante sur [12;18], alors f(12) est le maximum f sur [0;18].
La fonction f atteint donc sur [0;18] le maximum en x=12.
3-a) Démontrons que le nombre de tirages donnant une dose de chaque firme est f(n)
On choisit une dose par firme A, B et C. Ces firmes ayant respectivement n , n et 362n dose. Le tirage étant simultané, le nombre de tirages possibles donnant une dose de chaque firme est : 0,5 pt
C1n×C1n× C136n2n= n2(362n) =f(n)
3.b) Donnons l'expression de P(n) en fonction de f(n) et déterminons la valeur de n pour laquelle P(n) est maximale 1 pt
P(n) est la probabilité de tirer une dose de chaque firme.
P(n)= C1n×C1n×C136n2nC336 =f(n)7140
La valeur de n qui rend P(n) maximale est la même que celle qui rend f(n) maximale. Et d'après la question 2, une telle valeur de n est 12.

Exercice 2

(O;I,J) est un repère orthonormé du plan. On considère dans C l'équation
(E):z3 (6+i3)z2+ (11+4i3)z 63i3=0
1- Montrons que l'équation (E) (z24z+3) (z2i3) =0
En développant l’expression précédente, nous obtenons (E). D'où l’équivalence attendue. 0,5 pt
2. Résolvons dans c l'équation (E) 0,75 pt
(E) (z24z+3) (z2i3) =0 {z24z+3=0z=2+i3
L'ensemble solution de l'équation (E) est donc {1,3,2+i3}.
3.a) On donne les points A, B, C et D d’affixes respectives zA=3, zB=2+i3,\(zC=1 et zD=11+4i3
3) Démontrons me le triangle IAB est équilatéral 0,5 pt
3-a) Première approche:
IA= |zAzI|=2
IB= |zBzI| =|1+i3| =2
AB= |zBzA|= |1+i3|=2
D'où AI=IB =AB
IAB est donc un triangle équilatéral.
Deuxieme approche : On a : zBzIzAzI= 1+i32 =eiπ3. De cette relation, on a AI=IB etmes(^IA,IB) =60o, IAB est donc un triangle équilatéral.
3.b) Déterminons l’affixe du point F centre de la rotation et montrons que r(C)=D 1,5 pt
La rotation r a pour expression complexe z=(12+i32)z +23+32+ (2332)i
comme F est le centre der, on a r(F)=F.
D'où zF=3+4i
On pourra remarquer à travers des calculs que r(C)D
3.c) Donnons l'expression complexe de l’homothétie h telle h(I)=D et h(B)=C
L’homothétie h a pour expression complexe : z=a+ib avec aR.
h(I)=D az+b =11+4i3 et a(2+i3) +b=7. Ce qui donne a=4 et b=15+4i3 soit z=4z+ 15+4i3 est l'expression complexe de h.
3.d) Déterminons l'expression complexe de s=hr
r a pour expression complexe z=(12+i32)z +23+32+ (2332)i et celle de h est z=4z+ 15+4i3 ; Celle de s=hr est donc
z=4| (12+i32)z+ 23+32+ (2332)i|+ 15+4i3= (22i3)z +983+i (8+103) 0,75 pt

Exercice 3

on donne h(x)=ex+1x et k(x)=x+ xlnx définies sur ]0,+[
1. Démontrons que l'équation k(x)=1 admet une unique solution a[3,4] 1 pt
la fonction k est dérivable sur ]0,+[ et k(x)=lnx.
D'où k(x)0 pour x appartenant à l'intervalle [3,4].
k est continue et strictement croissante sur [3,4] avec 1 appartenant à
1k([3,4]) =[k(3),k(4)] =[3+3ln3, 4+4ln4], puisque -3+3ln3=0,29.. et 4+4ln4 =1,54....
L'équation k(x)=1 admet alors une unique solution a appartenant à l'intervalle [3,4]..
2. Démontrons que k(x)=1 si et seulement si h(x)=x
Soit x0, on a: k(x)=1 x+xlnx =1lnx =x+1x
x=ex+1x h(x)=x 0,25 pt
Démontrons que si x[3,4], alors h(x)[3,4] 0,5 pt
Soit x[3,4], h est une fonction dérivable sur [3,4] et h(x)=1x2ex+1x 0. h est donc strictement décroissante sur [3,4]
De 3x4, on a h(4)h(x) h(3) 3,49h(x) 3,80 ainsi 3h(x)4
3. Démontrons que |h(x)|12 pour tout x[3,4]
On a h(x)= 1x2h(x) et donc |h(x)|= 1x2h(x)
3x4 1161x2 19 et 3h(x)4 soit 3161x2h(x) 49
316|h(x)| 49 ainsi |h(x)|12 car 4912 0,5 pt
5. On donne la suite U définie par u0=3 et un+1=f(un) 0,5 pt
5.a) Démontrons que pour tout nN, un[3,4]
Procédons par récurrence.
Au rang n=0, on a u0=3 appartenant à [3,4].
Soit nN, Supposons que un[3,4]. On a d'après la question 3, on a h(un)[3,4]. D'où un+1[3,4]
Conclusion : Pour tout nN, un[3,4]
5.b) Démontrons que pour tout nN, |un+1a| 12|una|
Pour tout nN, un[3,4], et |h(x)|12, pour x appurtenant à [3,4].
Des Inégalités des Accroissements Finis, on a |h(un+1)h(a)| 12|una| . Or un+1=h(un) et h(a)=a car h(a)=1 donc |un+1a| 12|una|
5.c) Déduisons-en que pour tout nN, |una|(12)n
Procédons par récurrence.
Au rang n=0, on a |un+1a|= |u0a|= |3a||34| car a[3,4]
D’où |un+1a| (12)n pour n=0
Soit nN, Supposons que |una|(12)n
D’apres la question 5.b) on a |un+1a| 12|una| ce qui entraine |un+1a| 12(12)n (12)n+1 d’où |una|(12)n 0,5 pt
5.d ) Démontrons que la suite u est convergente et déterminons sa limite
On a |una|(12)n où la suite (12)n+1 converge vers 0; Par la propriété d'encadrement, on en déduit que (un) converge vers a.

Partie B : Évaluation des compétences

Solutions
Déterminons les nombre d’animaux de cette réserve
On procèdera par les étapes suivantes :
n On étudie les variations de la fonction g définie sur [1;+[ par : g(x)=x3 3x2+4. La fonction g est une fonction polynôme, elle est donc dérivable sur R. Sa dérivée est g(x)=3x2 6x=3x (x2). Les solutions de
l'équation g(x)=0 {x=0x=2. Le tableau de variation de g
tableau de variation 2On construit la courbe représentative (C) de g pour identifier les aires
courbe de la fonctionCalculons les aires A1,. A2 et A3 occupées respectivement par les macaques, les orang -outans et des chimpanzés en unités d’aires
A1=01g(x)dx =[14x4x3+4x]01 =114, donc A1=44 km2
A2=10g(x)dx =[14x4x3+4x]10 =134, donc A2=52 km2
A3=21g(x)dx =[14x4x3+4x]21 =34, donc A3=12 km2
On calcule le nombre d'animaux de la réserve en fonction des aires Le nombre de macaques est : N1=15×44 =660
Le nombre des orangs- outangs est: N2=10×52 =520
Le nombre de chimpanzés est de : N3=12×12 =144
Le nombre total d'animaux de la réserve est donc N1+N2+ N3=1324
Déterminons le volume de vaccin nécessaire pour la troisième vaccination
Soient x, y et z le nombre respectif de macaques, des orangs outans et des chimpanzés qui doivent être vaccinés et soit D la troisième dose administrée aux animaux.
La première dose est traduite par la relation 2x+y+ 3z=1136, E1
La deuxième dose est traduite par la relation : 2x+3y+ 4z=1540, E2
La troisième dose est traduite par la relation : 2x+5y+ 5z=D, E3
En effectuant la différence E1E2, on obtient la relation : 2y+z=404
En effectuant la différence E3E2, on obtient la relation : 2y+z= D1540
De ces deux dernières relations, D=1944. La dose cherchée est donc D=1,944 L
Déterminons la probabilité pour que le chimpanzé choisi soit atteint de la maladie M2
On note ¯M1 l'évènement : ne pas avoir la maladie M1. Les probabilités sonnées sont les suivantes :
p(M1)=15100
p(M2/M1)=20100
p(M2/¯M1)=4100
M2= (M1M2) (¯M1M2) ou (¯M1M2) et (M1M2) sont disjoints
On a la probabilité p(M2)= p(M1M2) +p(¯M1M2)
p(M2)=20100× 15100+4100× 85100=64010000 =0,064

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