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Correction Concours ENSAM 2015 — Mathématiques

Correction Concours ENSAM 2015 — Mathématiques

Sciences Mathématiques A et B — Vendredi 24 juillet 2015.

Correction pédagogique détaillée des 25 questions.

Cette page présente la correction détaillée de l’épreuve de mathématiques du concours ENSAM 2015. Chaque résultat est accompagné des conditions et des calculs nécessaires.

Correction détaillée

Question 1 — Logique — négation et valeur de vérité

Énoncé

Soit la proposition :

\[ P:\quad \forall a\in\mathbb R_+^\ast,\qquad a+\frac{1}{a}\ge2. \]

Donner la négation et le tableau de vérité de la proposition \(P\).

Propriété utilisée

La négation de « pour tout \(a\), \(R(a)\) » est « il existe \(a\) tel que non \(R(a)\) ».

La négation de :

\[ P:\quad \forall a\in\mathbb R_+^\ast,\qquad a+\frac{1}{a}\ge2 \]

est :

\[ \overline P:\quad \exists a\in\mathbb R_+^\ast,\qquad a+\frac{1}{a}\lt2. \]

Pour \(a\gt0\), on a :

\[ a+\frac{1}{a}-2 = \frac{(a-1)^2}{a}\ge0. \]

Ainsi, \(a+\frac{1}{a}\ge2\) pour tout \(a\gt0\).

Réponse finale : \(\overline P:\exists a\in\mathbb R_+^\ast,\ a+\frac{1}{a}\lt2\), et la proposition \(P\) est vraie.

Question 2 — Dénombrement — code bancaire

Énoncé

Le code confidentiel d’une carte bancaire est constitué d’un nombre de \(4\) chiffres non nuls.

Combien y a-t-il de codes contenant une fois, et une seule, le chiffre \(1\) ?

Principe de dénombrement

On choisit d’abord la position du chiffre \(1\), puis les trois autres chiffres.

Le chiffre \(1\) peut occuper l’une des \(4\) positions.

Dans chacune des trois positions restantes, on peut placer l’un des chiffres :

\[ 2,3,4,5,6,7,8,9, \]

soit \(8\) choix par position. Les répétitions sont autorisées.

\[ N=4\times8^3=2048. \]
Réponse finale : \(2048\) codes.

Question 3 — Nombres complexes et somme trigonométrique

Énoncé

Soient les nombres complexes suivants :

\[ z=e^{\frac{2\pi}{7}i}, \qquad a=z+z^2+z^4, \qquad b=z^3+z^5+z^6. \]

Sachant que :

\[ a+b=-1 \qquad\text{et}\qquad \overline b=a, \]

donner la valeur de la somme :

\[ S= \cos\left(\frac{2\pi}{7}\right) + \cos\left(\frac{4\pi}{7}\right) + \cos\left(\frac{8\pi}{7}\right). \]
Propriété utilisée

Pour tout nombre complexe \(w\), \(\displaystyle \operatorname{Re}(w)=\frac{w+\overline w}{2}\).

On a :

\[ a=z+z^2+z^4 \]

et :

\[ S= \cos\left(\frac{2\pi}{7}\right) +\cos\left(\frac{4\pi}{7}\right) +\cos\left(\frac{8\pi}{7}\right) =\operatorname{Re}(a). \]

Or \(\overline b=a\), donc \(\overline a=b\). Ainsi :

\[ S=\operatorname{Re}(a) =\frac{a+\overline a}{2} =\frac{a+b}{2}. \]

Comme \(a+b=-1\), on obtient :

\[ S=-\frac{1}{2}. \]
Réponse finale : \(\displaystyle S=-\frac{1}{2}\).

Question 4 — Rotation dans le plan complexe

Énoncé

Dans le plan complexe muni d’un repère orthonormé direct \((O,\vec u,\vec v)\), on considère les points \(A\), \(B\) et \(C\) d’affixes respectivement :

\[ a=2, \qquad b=-1+i\sqrt3, \qquad c=-1-i\sqrt3. \]

Donner la forme trigonométrique de :

\[ z=\frac{c-a}{b-a}, \]

et déduire l’angle \(\theta\) de la rotation qui transforme \(B\) en \(C\).

Interprétation complexe

Si une rotation de centre \(A\) transforme \(B\) en \(C\), alors :

\[ \frac{c-a}{b-a}=e^{i\theta}. \]

On calcule :

\[ c-a=-3-i\sqrt3, \qquad b-a=-3+i\sqrt3. \]

Les deux nombres ont le même module \(2\sqrt3\). Leurs arguments peuvent être choisis égaux à :

\[ \arg(c-a)=\frac{7\pi}{6}, \qquad \arg(b-a)=\frac{5\pi}{6}. \]

Par conséquent :

\[ z=\frac{c-a}{b-a} = \cos\left(\frac{\pi}{3}\right) +i\sin\left(\frac{\pi}{3}\right). \]
Réponse finale : \(\displaystyle z=\cos\left(\frac{\pi}{3}\right)+i\sin\left(\frac{\pi}{3}\right)\) et \(\displaystyle \theta=\frac{\pi}{3}\pmod{2\pi}\).

Question 5 — Inéquation exponentielle et trigonométrique

Énoncé

Résoudre dans \(\mathbb R\) l’inéquation :

\[ 3^{\cos x}+3^{\cos(\pi-x)+1}\le2\sqrt3. \]
Inégalité utilisée

Pour tout \(t\gt0\), \(\displaystyle t+\frac{3}{t}\ge2\sqrt3\), avec égalité si et seulement si \(t=\sqrt3\).

Comme :

\[ \cos(\pi-x)=-\cos x, \]

l’inéquation devient :

\[ 3^{\cos x}+3^{1-\cos x}\le2\sqrt3. \]

Posons :

\[ t=3^{\cos x}\gt0. \]

Alors :

\[ 3^{1-\cos x}=\frac{3}{t}, \]

et l’inéquation s’écrit :

\[ t+\frac{3}{t}\le2\sqrt3. \]

Or le membre de gauche est toujours supérieur ou égal à \(2\sqrt3\). Il faut donc avoir l’égalité :

\[ t=\sqrt3. \]

Ainsi :

\[ 3^{\cos x}=3^{1/2} \iff \cos x=\frac{1}{2}. \]
Réponse finale : \(\displaystyle S=\left\{2k\pi-\frac{\pi}{3},\ 2k\pi+\frac{\pi}{3}\mid k\in\mathbb Z\right\}\).

Question 6 — Limite en zéro

Énoncé

Calculer :

\[ \lim_{x\to0}f(x), \qquad\text{où}\qquad f(x)=\frac{e^{x^2}-\cos x}{2x^2}. \]
Limites usuelles \[ \lim_{u\to0}\frac{e^u-1}{u}=1, \qquad \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1. \]

On décompose :

\[ \frac{e^{x^2}-\cos x}{2x^2} = \frac{e^{x^2}-1}{2x^2} + \frac{1-\cos x}{2x^2}. \]

Pour le premier terme :

\[ \frac{e^{x^2}-1}{2x^2} = \frac{1}{2}\frac{e^{x^2}-1}{x^2} \longrightarrow\frac{1}{2}. \]

Pour le second terme, en utilisant \(1-\cos x=2\sin^2\left(\frac{x}{2}\right)\) :

\[ \frac{1-\cos x}{2x^2} = \frac{\sin^2\left(\frac{x}{2}\right)}{x^2} = \frac{1}{4} \left( \frac{\sin\left(\frac{x}{2}\right)}{\frac{x}{2}} \right)^2 \longrightarrow\frac{1}{4}. \]
Réponse finale : \(\displaystyle \lim_{x\to0}f(x)=\frac{3}{4}\).

Question 7 — Continuité en zéro

Énoncé

Soit \(g\) la fonction définie sur \([0,+\infty[\) par :

\[ g(x)= \ln\left(\frac{x}{x+1}\right) -\frac{\ln x}{x+1}+1 \quad\text{si }x\gt0, \]

et :

\[ g(0)=a\in\mathbb R. \]

Déterminer la valeur de \(a\) pour que \(g\) soit continue sur \([0,+\infty[\).

Condition de continuité

La fonction est continue en \(0\) si et seulement si \(\displaystyle \lim_{x\to0^+}g(x)=g(0)=a\).

Pour \(x\gt0\) :

\[ g(x) = \ln x-\ln(1+x)-\frac{\ln x}{1+x}+1. \]

Donc :

\[ g(x) = \frac{x\ln x}{1+x}-\ln(1+x)+1. \]

Or :

\[ \lim_{x\to0^+}x\ln x=0 \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to0^+}\ln(1+x)=0. \]

Ainsi :

\[ \lim_{x\to0^+}g(x)=1. \]
Réponse finale : \(\displaystyle a=1\).

Question 8 — Fonction réciproque

Énoncé

Soit :

\[ f(x)=\ln\left(1+e^{-x}\right). \]

Déterminer \(f^{-1}\).

Étapes nécessaires

On détermine d’abord l’image de \(f\), puis on résout l’équation \(y=f(x)\).

La fonction :

\[ f(x)=\ln(1+e^{-x}) \]

est strictement décroissante sur \(\mathbb R\), car :

\[ f'(x)=-\frac{e^{-x}}{1+e^{-x}}\lt0. \]

De plus :

\[ \lim_{x\to-\infty}f(x)=+\infty, \qquad \lim_{x\to+\infty}f(x)=0. \]

Ainsi :

\[ f(\mathbb R)=]0,+\infty[. \]

Soit \(y\gt0\). On résout :

\[ y=\ln(1+e^{-x}) \iff e^y=1+e^{-x} \] \[ \iff e^{-x}=e^y-1 \iff x=-\ln(e^y-1). \]
Réponse finale : \(\displaystyle D_{f^{-1}}=]0,+\infty[\) et \(\displaystyle f^{-1}(x)=-\ln(e^x-1)\).

Question 9 — Primitive avec condition initiale

Énoncé

Déterminer la primitive \(F\) de la fonction :

\[ x\longmapsto\frac{1}{x\ln x} \]

sur \(]1,+\infty[\), qui vaut \(1\) en \(e\).

Reconnaissance d’une dérivée \[ \left(\ln(\ln x)\right)'=\frac{1}{x\ln x} \quad\text{sur } ]1,+\infty[. \]

Les primitives sont donc de la forme :

\[ F(x)=\ln(\ln x)+C. \]

La condition \(F(e)=1\) donne :

\[ 1=\ln(\ln e)+C=\ln1+C=C. \]
Réponse finale : \(\displaystyle F(x)=\ln(\ln x)+1\).

Question 10 — Somme de Riemann

Énoncé

Calculer, en utilisant les sommes de Riemann, la limite de la suite :

\[ u_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{n}{n^2+k^2}. \]
Somme de Riemann

Si \(h\) est continue sur \([0,1]\), alors :

\[ \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}h\left(\frac{k}{n}\right) \longrightarrow \int_0^1h(x)\,dx. \]

On écrit :

\[ u_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{n}{n^2+k^2} = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{1+\left(\frac{k}{n}\right)^2}. \]

Avec :

\[ h(x)=\frac{1}{1+x^2}, \]

on obtient :

\[ \lim_{n\to+\infty}u_n = \int_0^1\frac{dx}{1+x^2} = \left[\arctan x\right]_0^1 = \frac{\pi}{4}. \]
Réponse finale : \(\displaystyle \lim_{n\to+\infty}u_n=\frac{\pi}{4}\).

Question 11 — Aire sous une courbe

Énoncé

Soient :

\[ f(x)=\frac{x}{1+x^2}-\arctan(x) \]

et \(C_f\) sa courbe représentative dans un repère orthonormé \((O,\vec i,\vec j)\) tel que :

\[ \|\vec i\|=\|\vec j\|=1\ \text{cm}. \]

Calculer l’aire \(A\) de la surface délimitée par \(C_f\) et les droites :

\[ x=0, \qquad x=1, \qquad y=0. \]
Méthode

Il faut d’abord déterminer la position de \(C_f\) par rapport à l’axe des abscisses sur \([0,1]\).

On a \(f(0)=0\) et :

\[ f'(x) = \frac{1-x^2}{(1+x^2)^2} - \frac{1}{1+x^2} = -\frac{2x^2}{(1+x^2)^2}\le0. \]

Ainsi, \(f\) est décroissante sur \([0,1]\), donc :

\[ f(x)\le f(0)=0. \]

L’aire cherchée est alors :

\[ A=-\int_0^1f(x)\,dx = \int_0^1 \left( \arctan x-\frac{x}{1+x^2} \right)dx. \]

Par intégration par parties :

\[ \int_0^1\arctan x\,dx = \left[ x\arctan x-\frac{1}{2}\ln(1+x^2) \right]_0^1 = \frac{\pi}{4}-\frac{1}{2}\ln2. \]

Et :

\[ \int_0^1\frac{x}{1+x^2}\,dx = \frac{1}{2}\ln2. \]

Donc :

\[ A=\frac{\pi}{4}-\ln2. \]
Réponse finale : \(\displaystyle A=\left(\frac{\pi}{4}-\ln2\right)\text{ cm}^2\).

Question 12 — Limite d’une intégrale

Énoncé

Soit :

\[ I_n=\int_0^1x^n\ln(1+x)\,dx, \qquad \forall n\ge1. \]

Calculer :

\[ \lim_{n\to+\infty}I_n. \]
Encadrement

Sur \([0,1]\), on a \(0\le\ln(1+x)\le\ln2\).

Comme \(x^n\ge0\) sur \([0,1]\) :

\[ 0\le I_n = \int_0^1x^n\ln(1+x)\,dx \le \ln2\int_0^1x^n\,dx. \]

Or :

\[ \int_0^1x^n\,dx=\frac{1}{n+1}. \]

Donc :

\[ 0\le I_n\le\frac{\ln2}{n+1}. \]

La borne de droite tend vers \(0\). Par encadrement :

Réponse finale : \(\displaystyle \lim_{n\to+\infty}I_n=0\).

Question 13 — Équation différentielle

Énoncé

Sachant que la fonction :

\[ x\longmapsto\sin^2x \]

est une solution de l’équation différentielle :

\[ (E):\quad y''+4y-2=0, \]

déterminer la solution particulière \(y_0\) de \((E)\) telle que sa courbe passe par :

\[ A(0,\sqrt2) \]

et possède en \(A\) une tangente de coefficient directeur \(1\).

Structure des solutions

Comme \(x\mapsto\sin^2x\) est une solution particulière, toute solution de \((E)\) s’écrit :

\[ y(x)=\sin^2x+A\cos(2x)+B\sin(2x). \]

La condition \(y(0)=\sqrt2\) donne :

\[ A=\sqrt2. \]

La dérivée est :

\[ y'(x) = \sin(2x)-2A\sin(2x)+2B\cos(2x). \]

La tangente en \(A\) a pour coefficient directeur \(1\), donc \(y'(0)=1\). Ainsi :

\[ 2B=1 \iff B=\frac{1}{2}. \]
Réponse finale : \(\displaystyle y_0(x)=\sin^2x+\sqrt2\cos(2x)+\frac{1}{2}\sin(2x)\).

Question 14 — Plan tangent à une sphère

Énoncé

Soit \(S\) la sphère d’équation cartésienne :

\[ x^2+y^2+z^2-2x-2y=0. \]

Déterminer l’équation \((E)\) du plan tangent \(P\) à \(S\) au point :

\[ O(0,0,0). \]
Propriété géométrique

Le plan tangent à une sphère en un point est perpendiculaire au rayon passant par ce point.

L’équation de la sphère s’écrit :

\[ (x-1)^2+(y-1)^2+z^2=2. \]

Son centre est donc :

\[ C(1,1,0). \]

Un vecteur normal au plan tangent en \(O\) est le vecteur \(\overrightarrow{CO}\). Comme \(O\) est l’origine du repère :

\[ \overrightarrow{CO} = -\overrightarrow{OC}. \]

Or \(C(1,1,0)\), donc :

\[ \overrightarrow{CO}=(-1,-1,0). \]

Comme le plan passe par \(O(0,0,0)\), son équation est :

\[ -x-y=0. \]
Réponse finale : \(\displaystyle (E):x+y=0\).

Question 15 — Congruence modulo 27

Énoncé

Sachant que :

\[ 10^{3n}\equiv1\pmod{27}, \qquad \forall n\in\mathbb N, \]

déterminer le reste \(r\) de la division euclidienne de :

\[ 10^{100}+100^{10} \]

par \(27\).

Congruence utilisée

La relation \(10^{3n}\equiv1\pmod{27}\) permet de réduire les exposants modulo \(3\).

Comme :

\[ 100\equiv10^2\pmod{27}, \]

on a :

\[ 100^{10}\equiv10^{20}\pmod{27}. \]

Or :

\[ 100=3\times33+1, \qquad 20=3\times6+2. \]

Donc :

\[ 10^{100}\equiv10\pmod{27}, \qquad 10^{20}\equiv10^2\equiv100\equiv19\pmod{27}. \]

Ainsi :

\[ 10^{100}+100^{10} \equiv10+19 \equiv29 \equiv2\pmod{27}. \]
Réponse finale : \(\displaystyle r=2\).

Question 16 — Équation diophantienne

Énoncé

Résoudre dans \(\mathbb Z^2\) l’équation :

\[ x^2-2y^2+xy+2=0. \]
Factorisation \[ x^2+xy-2y^2=(x+2y)(x-y). \]

L’équation devient :

\[ (x+2y)(x-y)=-2. \]

Posons :

\[ u=x+2y, \qquad v=x-y. \]

Alors \(uv=-2\), et :

\[ x=\frac{u+2v}{3}, \qquad y=\frac{u-v}{3}. \]

Les couples de diviseurs entiers de \(-2\) sont :

\[ (-1,2),\quad(1,-2),\quad(-2,1),\quad(2,-1). \]

Ils donnent respectivement :

\[ (1,-1),\quad(-1,1),\quad(0,-1),\quad(0,1). \]
Réponse finale : \(\displaystyle S=\{(1,-1),(-1,1),(0,-1),(0,1)\}\).

Question 17 — Probabilités — contrôle de pièces

Énoncé

Une usine produit des pièces dont \(2\,\%\) sont défectueuses.

Après contrôle, on s’est aperçu que \(97\,\%\) des pièces bonnes sont acceptées et que \(99\,\%\) des pièces défectueuses sont rejetées.

Quelle est la probabilité \(P\) d’avoir une pièce bonne et rejetée ?

Notation : soit \(B\) l’événement « la pièce est bonne » et \(R\) l’événement « la pièce est rejetée ».

Comme \(2\,\%\) des pièces sont défectueuses :

\[ P(B)=0{,}98. \]

Parmi les pièces bonnes, \(97\,\%\) sont acceptées. Ainsi, \(3\,\%\) des pièces bonnes sont rejetées :

\[ P(R\mid B)=0{,}03. \]

Donc :

\[ P(B\cap R) = P(B)\,P(R\mid B) = 0{,}98\times0{,}03 = 0{,}0294. \]
Réponse finale : \(\displaystyle P=0{,}0294=2{,}94\,\%\).

Question 18 — Matrice d’ordre 3

Énoncé

Soit \(M_3(\mathbb R)\) l’espace des matrices carrées d’ordre \(3\) à coefficients réels.

La matrice :

\[ A= \begin{pmatrix} 0&0&2\\ 1&0&0\\ 0&1&0 \end{pmatrix} \]

vérifie :

A. \(A^3\ne2I\)
B. \(A\) est non inversible.
C. \(\{I,A^3\}\) est libre dans \(M_3(\mathbb R)\).
D. \(A\) est inversible et \(\displaystyle A^{-1}=\frac{1}{2}A^2\).
Calcul matriciel

On calcule une puissance de \(A\) afin de tester directement les propositions.

\[ A= \begin{pmatrix} 0&0&2\\ 1&0&0\\ 0&1&0 \end{pmatrix}. \]

On obtient :

\[ A^2= \begin{pmatrix} 0&2&0\\ 0&0&2\\ 1&0&0 \end{pmatrix}, \qquad A^3=2I. \]

Ainsi, \(A\) est inversible et :

\[ A\left(\frac{1}{2}A^2\right) = \frac{1}{2}A^3 = I. \]

Donc :

\[ A^{-1}=\frac{1}{2}A^2. \]
Réponse finale : proposition D.

Question 19 — Espace vectoriel de fonctions

Énoncé

Soit l’espace vectoriel réel :

\[ E= \left\{ f:x\longmapsto(ax+b)e^{2x} \ \middle|\ a,b\in\mathbb R \right\}. \]

On considère les deux éléments de \(E\) définis par :

\[ f_1(x)=e^{2x}, \qquad f_2(x)=xe^{2x}. \]

Soit :

\[ B=\{f_1,f_2\} \]

et :

\[ g:x\longmapsto\int_0^x\left(t+\frac{1}{2}\right)e^{2t}\,dt. \]

Alors :

A. Les vecteurs \(f_1\) et \(f_2\) sont liés.
B. \(g\notin E\).
C. \(B\) est une base de \(E\) et les coordonnées de \(g\) dans \(B\) sont \(\displaystyle\left(0,\frac{1}{2}\right)\).
D. \(B\) est une base de \(E\) et les coordonnées de \(g\) dans \(B\) sont \((0,1)\).
Base et coordonnées

Tout élément de \(E\) s’écrit de manière unique \(bf_1+af_2\). Ainsi, \((f_1,f_2)\) est une base de \(E\).

On remarque que :

\[ \left(\frac{t}{2}e^{2t}\right)' = \left(t+\frac{1}{2}\right)e^{2t}. \]

Par conséquent :

\[ g(x) = \int_0^x \left(t+\frac{1}{2}\right)e^{2t}\,dt = \left[\frac{t}{2}e^{2t}\right]_0^x = \frac{x}{2}e^{2x}. \]

Ainsi :

\[ g=0\,f_1+\frac{1}{2}f_2. \]
Réponse finale : proposition C ; les coordonnées de \(g\) dans \(B\) sont \(\displaystyle\left(0,\frac{1}{2}\right)\).

Question 20 — Logique et produit cartésien

Énoncé

On considère le disque unité :

\[ D= \left\{ (x,y)\in\mathbb R^2 \ \middle|\ x^2+y^2\le1 \right\} \]

et la proposition :

\[ P:\quad \text{« Il existe }A,B\subset\mathbb R \text{ tels que }D=A\times B\text{ ».} \]

Alors :

A. \((1,0)\in D\) et \(P\) est vraie.
B. \((0,1)\in D\) et \(P\) est vraie.
C. \(P\) est fausse.
D. Aucune des trois réponses.
Raisonnement par contradiction

Dans un produit cartésien \(A\times B\), les coordonnées admissibles peuvent être combinées entre elles.

Supposons qu’il existe \(A,B\subset\mathbb R\) tels que :

\[ D=A\times B. \]

Comme :

\[ (1,0)\in D \qquad\text{et}\qquad (0,1)\in D, \]

on aurait :

\[ 1\in A,\quad0\in B,\quad0\in A,\quad1\in B. \]

Il en résulterait :

\[ (1,1)\in A\times B=D. \]

Mais :

\[ 1^2+1^2=2\gt1, \]

donc \((1,1)\notin D\). C’est une contradiction.

Réponse finale : proposition C ; \(P\) est fausse.

Question 21 — Équation avec une fonction strictement monotone

Énoncé

Soit :

\[ f:[0,1]\longrightarrow\mathbb R \]

une fonction strictement monotone telle que :

\[ f(0)=0 \qquad\text{et}\qquad f(1)=1. \]

L’équation :

\[ f(x)=1-x^n, \qquad n\ge1, \]

vérifie :

A. Elle n’a pas de solution.
B. Elle admet deux solutions distinctes.
C. Elle admet une solution unique.
D. Aucune des trois réponses.
Point essentiel

Les conditions \(f(0)=0\) et \(f(1)=1\) imposent que \(f\) soit strictement croissante, mais elles n’imposent pas sa continuité.

La fonction \(x\mapsto1-x^n\) est strictement décroissante sur \([0,1]\). Par conséquent, l’équation ne peut pas avoir deux solutions distinctes. La proposition B est donc fausse.

Un exemple avec une solution unique

Pour :

\[ f(x)=x^n, \]

l’équation devient :

\[ x^n=1-x^n, \]

et admet l’unique solution :

\[ x=2^{-1/n}. \]

La proposition A n’est donc pas toujours vraie.

Un exemple sans solution

Posons \(\alpha=2^{-1/n}\) et définissons :

\[ f(x)= \begin{cases} \dfrac{x^n}{2},&0\le x\lt\alpha,\\[2mm] \dfrac{1+x^n}{2},&\alpha\le x\le1. \end{cases} \]

Cette fonction est strictement croissante, vérifie \(f(0)=0\) et \(f(1)=1\), mais :

\[ f(x)+x^n\lt1 \quad\text{si }x\lt\alpha, \]

tandis que :

\[ f(x)+x^n\gt1 \quad\text{si }x\ge\alpha. \]

L’équation n’a donc aucune solution pour cette fonction. La proposition C n’est pas toujours vraie.

Réponse finale : proposition D — aucune des trois premières affirmations n’est valable dans tous les cas.

Question 22 — Comportement d’une fonction aux infinis

Énoncé

Soit :

\[ f(x)=x-\ln\left|2e^x-1\right|. \]

Alors :

A. \(f\) est bornée au voisinage de \(-\infty\).
B. \(f\) n’est pas bornée au voisinage de \(+\infty\).
C. \(f\) est bornée au voisinage de \(+\infty\).
D. Aucune des trois réponses.
Au voisinage de \(-\infty\)

Lorsque \(x\to-\infty\) :

\[ 2e^x-1\longrightarrow-1, \qquad \ln|2e^x-1|\longrightarrow0. \]

Donc :

\[ f(x)=x-\ln|2e^x-1|\longrightarrow-\infty. \]

La fonction n’est pas bornée au voisinage de \(-\infty\). La proposition A est fausse.

Au voisinage de \(+\infty\)

Pour \(x\) assez grand :

\[ 2e^x-1=e^x(2-e^{-x}). \]

Ainsi :

\[ f(x) = x-\ln\left(e^x(2-e^{-x})\right) = -\ln(2-e^{-x}). \]

Par conséquent :

\[ \lim_{x\to+\infty}f(x)=-\ln2. \]

La fonction est donc bornée au voisinage de \(+\infty\).

Réponse finale : proposition C.

Question 23 — Branche infinie

Énoncé

Soit :

\[ f(x)=\frac{e^x-1}{x}+\ln x. \]

La courbe représentative \(C_f\) de \(f\) :

A. Admet en \(+\infty\) une branche parabolique de direction asymptotique la droite \(y=0\).
B. Admet une asymptote oblique en \(+\infty\).
C. Est au-dessus de la droite \(y=0\).
D. Aucune des trois réponses.

Le domaine de la fonction est \(]0,+\infty[\).

Position par rapport à \(y=0\)

Lorsque \(x\to0^+\) :

\[ \frac{e^x-1}{x}\longrightarrow1 \qquad\text{et}\qquad \ln x\longrightarrow-\infty. \]

Donc :

\[ f(x)\longrightarrow-\infty. \]

La courbe n’est donc pas toujours au-dessus de la droite \(y=0\). La proposition C est fausse.

Étude au voisinage de \(+\infty\)

On a :

\[ f(x)\longrightarrow+\infty. \]

De plus :

\[ \frac{f(x)}{x} = \frac{e^x-1}{x^2} + \frac{\ln x}{x} \longrightarrow+\infty. \]

La branche infinie est donc parabolique de direction asymptotique l’axe des ordonnées \(x=0\), et non la droite \(y=0\). Elle n’admet pas d’asymptote oblique en \(+\infty\).

Réponse finale : proposition D — aucune des trois premières réponses.

Question 24 — Nombre de solutions d’une équation trigonométrique

Énoncé

L’équation :

\[ \cos^4x+\sin^4x=1 \]

admet dans \([-\pi,\pi]\) :

A. Une infinité de solutions.
B. \(8\) solutions.
C. \(4\) solutions.
D. Aucune solution.
Anomalie du QCM : l’équation possède \(5\) solutions dans l’intervalle fermé \([-\pi,\pi]\), mais aucune proposition ne donne ce nombre.

On utilise :

\[ \cos^4x+\sin^4x = (\cos^2x+\sin^2x)^2-2\sin^2x\cos^2x. \]

Ainsi :

\[ \cos^4x+\sin^4x=1 \iff 1-2\sin^2x\cos^2x=1 \] \[ \iff \sin x\cos x=0. \]

Donc :

\[ x=\frac{k\pi}{2}, \qquad k\in\mathbb Z. \]

Dans \([-\pi,\pi]\), les solutions sont :

\[ -\pi,\quad-\frac{\pi}{2},\quad0,\quad\frac{\pi}{2},\quad\pi. \]
Réponse finale : \(5\) solutions ; aucune des propositions A, B, C et D n’est exacte.

Question 25 — Nombre de la forme de Sophie Germain

Énoncé

Soient \(a\) et \(b\) deux entiers naturels non nuls.

Alors le nombre :

\[ N=a^4+4b^4 \]

vérifie :

A. \(\displaystyle N\lt(a-b)^2+b^2\)
B. \(\displaystyle N\lt(a+b)^2+b^2\)
C. \(N\) est premier.
D. \(N\) n’est pas premier.
Anomalie du QCM : aucune proposition n’est vraie pour tous les entiers naturels non nuls \(a\) et \(b\).
Identité de Sophie Germain \[ a^4+4b^4 = (a^2-2ab+2b^2)(a^2+2ab+2b^2). \]

On peut aussi écrire :

\[ N= \left((a-b)^2+b^2\right) \left((a+b)^2+b^2\right). \]

Les deux premières propositions sont déjà fausses pour \(a=b=1\), car :

\[ N=5, \qquad (a-b)^2+b^2=1, \qquad (a+b)^2+b^2=5. \]

La proposition C n’est pas toujours vraie : pour \(a=2\) et \(b=1\),

\[ N=2^4+4=20, \]

qui n’est pas premier.

La proposition D n’est pas toujours vraie non plus : pour \(a=b=1\),

\[ N=5, \]

qui est premier.

Réponse finale : aucune des quatre propositions n’est exacte dans le cas général.

Tableau récapitulatif des réponses

QuestionRéponse finale
Q1\(P\) vraie ; \(\overline P:\exists a\gt0,\ a+\frac{1}{a}\lt2\)
Q2\(2048\)
Q3\(-\frac{1}{2}\)
Q4\(z=e^{i\pi/3}\), \(\theta=\frac{\pi}{3}\)
Q5\(x=2k\pi\pm\frac{\pi}{3}\)
Q6\(\frac{3}{4}\)
Q7\(a=1\)
Q8\(f^{-1}(x)=-\ln(e^x-1)\), \(x\gt0\)
Q9\(F(x)=\ln(\ln x)+1\)
Q10\(\frac{\pi}{4}\)
Q11\(\left(\frac{\pi}{4}-\ln2\right)\text{ cm}^2\)
Q12\(0\)
Q13\(\sin^2x+\sqrt2\cos2x+\frac{1}{2}\sin2x\)
Q14\(x+y=0\)
Q15\(r=2\)
Q16\(\{(1,-1),(-1,1),(0,-1),(0,1)\}\)
Q17\(0{,}0294=2{,}94\,\%\)
Q18D
Q19C
Q20C
Q21D
Q22C
Q23D
Q245 solutions — aucune proposition exacte
Q25Aucune proposition exacte

Anomalies objectives du sujet

  • Q24 : l’équation possède \(5\) solutions dans \([-\pi,\pi]\), mais aucune proposition ne donne ce résultat.
  • Q25 : aucune proposition n’est vraie pour tous les entiers naturels non nuls \(a\) et \(b\).

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