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Correction Concours ENSAM Maroc 2023 — Mathématiques

Correction Concours ENSAM Maroc 2023 — Mathématiques

Concours commun d’accès en 1ère année ENSAM — Session du 24 juillet 2023.

Correction pédagogique des 25 questions de mathématiques.

Cette page présente la correction détaillée du Concours ENSAM Maroc 2023 — Mathématiques.

Correction détaillée question par question

Question 1 — Existence et unicité

Rappel complet de la question

Dans \([1,\pi]\), l’équation \[ \ln(x)e^x-\cos(x)-1=0 \] admet :

Réponse
Posons : \[ F(x)=e^x\ln x-\cos x-1. \] On a : \[ F(1)=-\cos(1)-1\lt0, \] et : \[ F(\pi)=e^\pi\ln\pi-\cos\pi-1=e^\pi\ln\pi\gt0. \] De plus : \[ F'(x)=e^x\ln x+\frac{e^x}{x}+\sin x. \] Sur \([1,\pi]\), on a : \[ \ln x\ge0,\qquad \frac{e^x}{x}\gt0,\qquad \sin x\ge0. \] Donc : \[ F'(x)\gt0. \] La fonction \(F\) est strictement croissante. Elle s’annule donc une seule fois dans \([1,\pi]\).
Idée utile : Montrer le changement de signe donne l’existence, et la stricte monotonie donne l’unicité.
Réponse : \(\boxed{\text{une solution unique}}\)

Question 2 — Somme géométrique

Rappel complet de la question

Pour \(n\in\mathbb{N}\), soit \[ S_n=1-\frac13-\frac1{3^2}-\cdots-\frac1{3^n}. \] Choisir la bonne réponse.

Réponse
On calcule : \[ \sum_{k=1}^{n}\frac1{3^k} = \frac{\frac13(1-(\frac13)^n)}{1-\frac13} = \frac12\left(1-\frac1{3^n}\right). \] Donc : \[ S_n=1-\frac12\left(1-\frac1{3^n}\right) = \frac12+\frac{1}{2\cdot3^n}. \] Ainsi : \[ S_n\to\frac12. \]
Idée utile : Utiliser la somme des termes d’une suite géométrique.
Réponse : \(\boxed{S_n=\frac12+\frac{1}{2\cdot3^n}\quad\text{et}\quad S_n\to\frac12}\)

Question 3 — Suite récurrente

Rappel complet de la question

Soit la suite \((u_n)\) définie par : \[ \begin{cases} u_0=\dfrac12,\\[4pt] u_{n+1}=\sqrt[3]{u_n^2+2u_n},\quad \forall n\ge0. \end{cases} \] Sachant que la suite \((u_n)_n\) est croissante, choisir la bonne réponse.

Réponse
On cherche une limite éventuelle \(\ell\). Si \((u_n)\) converge, alors : \[ \ell=\sqrt[3]{\ell^2+2\ell}. \] Donc : \[ \ell^3=\ell^2+2\ell, \] d’où : \[ \ell(\ell^2-\ell-2)=0. \] Ainsi : \[ \ell\in\{0,-1,2\}. \] Comme \(u_0=\frac12\) et la suite est croissante, la seule limite possible est : \[ \ell=2. \] De plus, si \(0\lt u_n\lt2\), alors \(u_{n+1}\lt2\). La suite est donc croissante et majorée par \(2\), donc convergente vers \(2\).
Idée utile : Pour une suite récurrente monotone, chercher d’abord les points fixes.
Réponse : \(\boxed{\lim u_n=2}\)

Question 4 — Dérivabilité en zéro

Rappel complet de la question

Soit \(f\) une fonction dérivable en \(0\) telle que \(f(0)=0\) et \(f'(0)=\dfrac12\). La limite \[ \ell=\lim_{x\to0}\frac{x}{f(x)+2f\left(\frac{x}{2}\right)+\cdots+n f\left(\frac{x}{n}\right)} \] est égale à :

Rappel utile
Si \(f\) est dérivable en \(0\) et \(f(0)=0\), alors on peut écrire : \[ f(t)=t\left(f'(0)+\varepsilon(t)\right), \qquad \varepsilon(t)\to0 \quad (t\to0). \] Dans cette correction, la notation \(u(t)\sim v(t)\) signifie : \[ \lim \frac{u(t)}{v(t)}=1. \] Autrement dit, \(u(t)\) et \(v(t)\) ont le même terme principal pour le calcul de la limite.
Réponse
Ici \(f(0)=0\) et \(f'(0)=\dfrac12\). Donc : \[ f(t)=t\left(\frac12+\varepsilon(t)\right), \qquad \varepsilon(t)\to0. \] Pour \(k\in\{1,2,\ldots,n\}\), on applique cette relation à \(t=\dfrac{x}{k}\). Lorsque \(x\to0\), on a \(\dfrac{x}{k}\to0\), donc : \[ f\left(\frac{x}{k}\right) = \frac{x}{k}\left(\frac12+\varepsilon\left(\frac{x}{k}\right)\right). \] Ainsi : \[ k f\left(\frac{x}{k}\right) = x\left(\frac12+\varepsilon\left(\frac{x}{k}\right)\right). \] Le dénominateur devient : \[ \sum_{k=1}^{n}k f\left(\frac{x}{k}\right) = x\left(\frac n2+\sum_{k=1}^{n}\varepsilon\left(\frac{x}{k}\right)\right). \] Comme \(n\) est fixé et \(\varepsilon\left(\frac{x}{k}\right)\to0\), on obtient : \[ \frac{\sum_{k=1}^{n}k f\left(\frac{x}{k}\right)}{x} \to \frac n2. \] Donc : \[ \ell= \lim_{x\to0} \frac{x}{\sum_{k=1}^{n}k f\left(\frac{x}{k}\right)} = \frac{1}{n/2} = \frac2n. \]
Idée utile : Utiliser directement l’équivalent issu de la dérivabilité en \(0\).
Réponse : \(\boxed{\frac2n}\)

Question 5 — Étude locale en zéro

Rappel complet de la question

Soit \(f\) la fonction définie sur \(\mathbb{R}\) par : \[ f(x)=\frac{e^{x^2}-\cos(x)}{x}\quad \text{si }x\ne0 \] et \(f(0)=0\), et soit \(C_f\) la courbe représentative de \(f\). Choisir la bonne réponse.

Développement limité utilisé
Au voisinage de \(0\), on garde les termes utiles jusqu’à l’ordre \(2\). On écrit les petites erreurs avec des fonctions \(\varepsilon_1\) et \(\varepsilon_2\) qui tendent vers \(0\).

On a : \[ e^{x^2}=1+x^2+x^2\varepsilon_1(x), \qquad \varepsilon_1(x)\to0, \] et : \[ \cos x=1-\frac{x^2}{2}+x^2\varepsilon_2(x), \qquad \varepsilon_2(x)\to0. \]
Réponse
On calcule le numérateur : \[ e^{x^2}-\cos x = \left(1+x^2+x^2\varepsilon_1(x)\right) - \left(1-\frac{x^2}{2}+x^2\varepsilon_2(x)\right). \] Donc : \[ e^{x^2}-\cos x = x^2\left(\frac32+\varepsilon_1(x)-\varepsilon_2(x)\right). \] Pour \(x\ne0\), on obtient : \[ f(x)= \frac{e^{x^2}-\cos x}{x} = x\left(\frac32+\varepsilon_1(x)-\varepsilon_2(x)\right). \] Comme \(\varepsilon_1(x)\to0\) et \(\varepsilon_2(x)\to0\), on a : \[ f(x)\to0=f(0). \] Donc \(f\) est continue en \(0\). De plus : \[ \frac{f(x)-f(0)}{x} = \frac{f(x)}{x} = \frac32+\varepsilon_1(x)-\varepsilon_2(x) \to \frac32. \] Ainsi : \[ f'(0)=\frac32. \] La tangente en \(O\) est donc : \[ y=\frac32x. \]
Idée utile : Développer seulement jusqu’à l’ordre \(2\) suffit ici.
Réponse : \(\boxed{f\text{ est dérivable en }0\text{ et la tangente en }O\text{ est }y=\frac32x}\)

Question 6 — Branche infinie

Rappel complet de la question

Soit \[ f(x)=\frac{e^x}{\sqrt{x}}-\frac{\ln(x)}{1+x}. \] La courbe représentative \(C_f\) de \(f\) admet en \(+\infty\) :

Réponse
Quand \(x\to+\infty\), on a : \[ \frac{e^x}{\sqrt x}\to+\infty, \] car l’exponentielle \(e^x\) devient beaucoup plus grande que \(\sqrt x\).

D’autre part : \[ \frac{\ln x}{1+x}\to0. \] Donc : \[ f(x)=\frac{e^x}{\sqrt{x}}-\frac{\ln(x)}{1+x}\to+\infty. \] Pour étudier la direction de la branche infinie, on calcule : \[ \frac{f(x)}{x} = \frac{e^x}{x\sqrt x} - \frac{\ln x}{x(1+x)}. \] Or : \[ \frac{e^x}{x\sqrt x}\to+\infty, \qquad \frac{\ln x}{x(1+x)}\to0. \] Donc : \[ \frac{f(x)}{x}\to+\infty. \] La courbe n’admet donc ni asymptote horizontale ni asymptote oblique en \(+\infty\). Elle possède une branche infinie de direction l’axe des ordonnées.
Idée utile : Comparer \(f(x)\) et \(\frac{f(x)}x\) pour classifier la branche infinie.
Réponse : \(\boxed{\text{branche infinie de direction }(Oy)}\)

Question 7 — Lieu complexe

Rappel complet de la question

Pour \(z\in\mathbb{C}\), on note par \(M(z)\) le point du plan complexe d’affixe \(z\). L’ensemble \[ A=\{M(z):2z+2\overline{z}+z\overline{z}=0\} \] est :

Réponse
Posons : \[ z=x+iy. \] Alors : \[ z+\overline z=2x, \] et : \[ z\overline z=x^2+y^2. \] Donc : \[ 2z+2\overline z+z\overline z=0 \] équivaut à : \[ 4x+x^2+y^2=0. \] Ainsi : \[ (x+2)^2+y^2=4. \] C’est un cercle de centre \((-2,0)\) et de rayon \(2\).
Idée utile : Passer de \(z\) à \(x+iy\) transforme l’équation complexe en équation cartésienne.
Réponse : \(\boxed{\text{cercle de centre }(-2,0)\text{ et de rayon }2}\)

Question 8 — Distance d’un point à un plan

Rappel complet de la question

Dans l’espace muni d’un repère orthonormé \((O,\vec{i},\vec{j},\vec{k})\) avec \(\|\vec{i}\|=\|\vec{j}\|=\|\vec{k}\|=1\,\text{cm}\), on considère le plan \((P)\) passant par \(O\) et de vecteur normal \(\vec n(2,-1,3)\).

La distance \(d\) du point \(A(1,0,-1)\) au plan \((P)\) est égale à :

Réponse
Comme \((P)\) passe par \(O\) et a pour vecteur normal \((2,-1,3)\), son équation est : \[ 2x-y+3z=0. \] La distance de \(A(1,0,-1)\) au plan est : \[ d=\frac{|2\cdot1-0+3(-1)|}{\sqrt{2^2+(-1)^2+3^2}}. \] Donc : \[ d=\frac{|2-3|}{\sqrt{14}} = \frac1{\sqrt{14}}. \]
Idée utile : Utiliser la formule de distance point-plan.
Réponse : \(\boxed{\frac1{\sqrt{14}}\ \text{cm}}\)

Question 9 — Deux intégrales liées

Rappel complet de la question

Pour \(n\in\mathbb{N}\), soit \[ I_n=\int_0^1\frac{x^n}{1+x^n}\,dx \quad\text{et}\quad J_n=\int_0^1\frac{1}{1+x^n}\,dx. \] Choisir la bonne réponse.

Réponse
On additionne les intégrandes : \[ \frac{x^n}{1+x^n}+\frac1{1+x^n}=1. \] Donc : \[ I_n+J_n=\int_0^1 1\,dx=1. \] De plus, pour \(x\in[0,1[\), on a \(x^n\to0\). Ainsi : \[ I_n\to0, \qquad J_n\to1. \]
Idée utile : Additionner les deux intégrandes simplifie immédiatement la question.
Réponse : \(\boxed{I_n+J_n=1,\quad I_n\to0,\quad J_n\to1}\)

Question 10 — Valeur d’un polynôme

Rappel complet de la question

Pour \(n\in\mathbb{N}^*\) et \(a\in\mathbb{R}\), soit le polynôme \[ P=X^n+aX^{n-1}+aX^{n-2}+\cdots+aX+a. \] Le nombre réel \(P(1-a)\) est égal à :

Réponse
Posons : \[ r=1-a. \] Alors : \[ a=1-r. \] On obtient : \[ P(r)=r^n+(1-r)(r^{n-1}+r^{n-2}+\cdots+r+1). \] Or : \[ (1-r)(1+r+\cdots+r^{n-1})=1-r^n. \] Donc : \[ P(r)=r^n+1-r^n=1. \] Ainsi : \[ P(1-a)=1. \]
Idée utile : Reconnaître la somme géométrique \(1+r+\cdots+r^{n-1}\).
Réponse : \(\boxed{1}\)

Question 11 — Équation fonctionnelle

Rappel complet de la question

Soit \(f\) une fonction de \(\mathbb{R}\) vers \(\mathbb{R}^*\) telle que : \[ f(x-y)=f(x)f(y),\qquad \forall(x,y)\in\mathbb{R}^2. \] Choisir la bonne réponse.

Réponse
En prenant \(x=y\), on obtient : \[ f(0)=f(x)^2. \] En prenant \(x=y=0\), on obtient : \[ f(0)=f(0)^2. \] Comme \(f(0)\ne0\), on a : \[ f(0)=1. \] Donc : \[ f(x)^2=1. \] En prenant \(x=0\), on obtient : \[ f(-y)=f(y), \] donc \(f\) est paire. Ainsi : \[ f(x)=f\left(\frac{x}{2}-\left(-\frac{x}{2}\right)\right) =f\left(\frac{x}{2}\right)f\left(-\frac{x}{2}\right) =f\left(\frac{x}{2}\right)^2=1. \] Donc : \[ f(x)=1,\quad \forall x\in\mathbb R. \]
Idée utile : Utiliser la divisibilité de \(\mathbb R\) : tout \(x\) s’écrit \(x/2+x/2\).
Réponse : \(\boxed{f\equiv1}\)

Question 12 — Équation trigonométrique

Rappel complet de la question

L’équation \[ 1+\cos(x)+\cos(2x)=0 \] admet dans \(]-\pi,\pi]\) :

Réponse
On utilise : \[ \cos(2x)=2\cos^2x-1. \] L’équation devient : \[ 1+\cos x+2\cos^2x-1=0. \] Donc : \[ \cos x(2\cos x+1)=0. \] Ainsi : \[ \cos x=0 \quad\text{ou}\quad \cos x=-\frac12. \] Dans \(]-\pi,\pi]\), les solutions sont : \[ -\frac\pi2,\quad \frac\pi2,\quad -\frac{2\pi}{3},\quad \frac{2\pi}{3}. \]
Idée utile : Remplacer \(\cos(2x)\) par \(2\cos^2x-1\).
Réponse : \(\boxed{4\ \text{solutions}}\)

Question 13 — Équation dans \(\mathbb Z^2\)

Rappel complet de la question

Dans \(\mathbb{Z}^2\), l’équation \[ x^2-3y^2=8 \] admet :

Rappel utile
La notation \(a\equiv b\pmod m\) signifie que \(a\) et \(b\) ont le même reste dans la division euclidienne par \(m\). Pour montrer qu’une équation n’a pas de solution entière, on peut chercher une contradiction sur les restes modulo un entier bien choisi.
Réponse
On raisonne modulo \(3\). L’équation donne : \[ x^2\equiv8\pmod3. \] Or : \[ 8\equiv2\pmod3. \] Donc : \[ x^2\equiv2\pmod3. \] Mais les carrés modulo \(3\) sont seulement : \[ 0\quad\text{ou}\quad1. \] C’est impossible.
Idée utile : Les congruences permettent souvent d’exclure l’existence de solutions entières.
Réponse : \(\boxed{\text{aucune solution dans }\mathbb Z^2}\)

Question 14 — Reste d’une division

Rappel complet de la question

Le reste \(r\) de la division euclidienne de \[ 2022^{2023} \] est :

Énoncé à vérifier : le diviseur n’est pas indiqué après l’expression \(2022^{2023}\). Sans diviseur, on ne peut pas déterminer un reste numérique.
Réponse
Le diviseur n’est pas précisé. Or un reste de division euclidienne n’a de sens que si le diviseur est indiqué. On ne peut donc pas déterminer \(r\) avec certitude à partir de l’énoncé disponible.
Idée utile : Toujours vérifier que le diviseur est donné dans une question de reste.
Réponse : \(\boxed{\text{énoncé incomplet à vérifier}}\)

Question 15 — Chiffre des unités

Rappel complet de la question

Soit \(u\) le chiffre des unités du nombre entier naturel \[ 4444^{6666}+6666^{4444}. \] Choisir la bonne réponse.

Réponse
Le chiffre des unités de \(4444^{6666}\) est celui de : \[ 4^{6666}. \] Les puissances de \(4\) alternent \(4,6,4,6,\ldots\). Comme \(6666\) est pair, le chiffre des unités est \(6\).

Le chiffre des unités de \(6666^{4444}\) est toujours \(6\). Donc le chiffre des unités de la somme est celui de : \[ 6+6=12. \] Ainsi : \[ u=2. \]
Idée utile : Pour le chiffre des unités, travailler seulement modulo \(10\).
Réponse : \(\boxed{2}\)

Question 16 — Probabilité totale

Rappel complet de la question

Une enquête faite auprès de la population étudiante d’un campus révèle : la population féminine représente \(48\%\) de la population totale, \(60\%\) des filles possèdent des compétences en soft skills et \(20\%\) des garçons sont sans compétences.

Quelle est la probabilité \(P\) pour qu’un étudiant interrogé au hasard soit sans compétences ?

Réponse
La proportion de filles sans compétences est : \[ 48\%\times40\%=0,48\times0,40=0,192. \] La proportion de garçons est : \[ 52\%. \] La proportion de garçons sans compétences est : \[ 52\%\times20\%=0,52\times0,20=0,104. \] Donc : \[ P=0,192+0,104=0,296. \] Ainsi : \[ P=\frac{37}{125}. \]
Idée utile : Séparer les cas filles/garçons puis additionner les probabilités.
Réponse : \(\boxed{0,296=\frac{37}{125}}\)

Question 17 — Nombre de formules de voyage

Rappel complet de la question

Une société de voyage marocaine propose aux touristes pressés une formule « Le Maroc en huit jours ». Il s’agit de visiter 4 villes principales, en passant 2 jours dans chaque ville.

Ces villes sont Meknès, Fès, Taza, Rabat, Marrakech et Agadir, suivant le goût de chaque client. Quel est le nombre \(N\) de formules possibles ?

Rappel utile
Lorsqu’on choisit \(p\) objets parmi \(n\) et que l’ordre compte, on utilise les arrangements : \[ A_n^p=n(n-1)(n-2)\cdots(n-p+1). \] Ici, une formule de voyage correspond à un itinéraire : visiter Meknès puis Fès n’est pas la même formule que visiter Fès puis Meknès.
Réponse
On doit choisir et ordonner \(4\) villes parmi les \(6\) villes proposées. Le nombre de formules possibles est donc : \[ A_6^4=6\times5\times4\times3. \] Ainsi : \[ N=360. \]
Idée utile : Une formule de voyage est généralement un itinéraire : l’ordre des villes compte.
Réponse retenue : \(\boxed{360}\)

Question 18 — Tangente d’un angle

Rappel complet de la question

En donnant la forme géométrique et la forme algébrique du nombre complexe \[ \frac{1+i\sqrt3}{2-2i}, \] déterminer la valeur de \[ \tan\left(\frac{7\pi}{12}\right). \]

Réponse
On a : \[ \frac{7\pi}{12}=\frac{\pi}{3}+\frac{\pi}{4}. \] Donc : \[ \tan\left(\frac{7\pi}{12}\right) = \frac{\tan\frac{\pi}{3}+\tan\frac{\pi}{4}}{1-\tan\frac{\pi}{3}\tan\frac{\pi}{4}}. \] Ainsi : \[ \tan\left(\frac{7\pi}{12}\right) = \frac{\sqrt3+1}{1-\sqrt3}. \] En simplifiant : \[ \frac{\sqrt3+1}{1-\sqrt3} = -2-\sqrt3. \]
Idée utile : Utiliser la formule de \(\tan(a+b)\).
Réponse : \(\boxed{-2-\sqrt3}\)

Question 19 — Nature d’un quadrilatère complexe

Rappel complet de la question

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

Sachant que \[ a+c=b+d \quad\text{et}\quad \frac{c-a}{b-d}=i, \] donner la nature du quadrilatère \(ABCD\).

Réponse
La relation : \[ a+c=b+d \] signifie que les diagonales \([AC]\) et \([BD]\) ont le même milieu. Donc \(ABCD\) est un parallélogramme.

La relation : \[ c-a=i(b-d) \] signifie que les vecteurs diagonaux sont perpendiculaires et de même longueur, car la multiplication par \(i\) est une rotation d’angle \(\frac\pi2\). Dans un parallélogramme, si les diagonales sont à la fois perpendiculaires et de même longueur, alors le quadrilatère est un carré.
Idée utile : Une multiplication par \(i\) conserve la longueur et effectue une rotation de \(90^\circ\).
Réponse : \(\boxed{ABCD\text{ est un carré}}\)

Question 20 — Limite exponentielle

Rappel complet de la question

Calculer la limite \[ \lim_{x\to1^-} f(x), \] où \[ f(x)=\frac{e^{\frac{2}{\ln(x)}}}{\sqrt{x}-1}. \]

Rappel utile
Quand \(u\to0\), on a : \[ e^u-1=u+u\varepsilon(u), \qquad \varepsilon(u)\to0. \] On utilisera aussi le fait que, lorsque \(y\to+\infty\), l’exponentielle \(e^{2y}\) devient plus grande que \(y\), donc : \[ \frac{y}{e^{2y}}\to0. \]
Réponse
Posons : \[ t=\ln x. \] Quand \(x\to1^-\), on a : \[ t\to0^-. \] Comme \(x=e^t\), on obtient : \[ \sqrt{x}-1=e^{t/2}-1. \] En appliquant le rappel avec \(u=\frac t2\), on a : \[ e^{t/2}-1=\frac t2+\frac t2\,\varepsilon\left(\frac t2\right), \qquad \varepsilon\left(\frac t2\right)\to0. \] Donc : \[ \sqrt{x}-1=\frac t2\left(1+\varepsilon\left(\frac t2\right)\right). \] Ainsi : \[ f(x) = \frac{e^{2/t}}{\frac t2\left(1+\varepsilon\left(\frac t2\right)\right)}. \] Il reste à étudier \(\dfrac{e^{2/t}}{t}\) lorsque \(t\to0^-\). Posons : \[ y=-\frac1t. \] Alors \(y\to+\infty\), et : \[ \frac{e^{2/t}}{t} = -y e^{-2y} = -\frac{y}{e^{2y}} \to0. \] Donc : \[ f(x)\to0. \]
Idée utile : Quand \(t\to0^-\), \(e^{2/t}\) tend vers \(0\) plus vite que toute puissance de \(t\).
Réponse : \(\boxed{0}\)

Question 21 — Intégrale logarithmique

Rappel complet de la question

Calculer l’intégrale \[ I=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\frac{\cos(x)-\sin(x)}{\cos(x)+\sin(x)}\,dx. \]

Réponse
On remarque que : \[ (\cos x+\sin x)'=-\sin x+\cos x=\cos x-\sin x. \] Donc : \[ I=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\frac{(\cos x+\sin x)'}{\cos x+\sin x}\,dx. \] Ainsi : \[ I=\left[\ln(\cos x+\sin x)\right]_0^{\frac{\pi}{4}}. \] Or : \[ \cos\frac{\pi}{4}+\sin\frac{\pi}{4}=\sqrt2, \] et : \[ \cos0+\sin0=1. \] Donc : \[ I=\ln(\sqrt2)=\frac12\ln2. \]
Idée utile : Reconnaître une intégrale de la forme \(\frac{u'}u\).
Réponse : \(\boxed{\frac12\ln2}\)

Question 22 — Volume de révolution

Rappel complet de la question

Soit \[ f(x)=\frac{\sqrt{xe^x}}{e^x+1} \] et soit \(C_f\) sa courbe représentative dans un repère orthonormé \((O,\vec i,\vec j)\) tel que \(\|\vec i\|=\|\vec j\|=1\,\text{cm}\).

Calculer le volume \(V\) du solide engendré par la rotation de \(C_f\) autour de l’axe des abscisses et délimité par les plans d’équations \(x=0\) et \(x=1\).

Réponse
Le volume est : \[ V=\pi\int_0^1 f(x)^2\,dx. \] Or : \[ f(x)^2=\frac{xe^x}{(e^x+1)^2}. \] Donc : \[ V=\pi\int_0^1\frac{xe^x}{(e^x+1)^2}\,dx. \] On utilise : \[ \left(\frac1{e^x+1}\right)'=-\frac{e^x}{(e^x+1)^2}. \] Par intégration par parties : \[ \int_0^1\frac{xe^x}{(e^x+1)^2}\,dx = -\left[\frac{x}{e^x+1}\right]_0^1+\int_0^1\frac{dx}{e^x+1}. \] Or : \[ \int\frac{dx}{e^x+1}=x-\ln(1+e^x). \] Donc : \[ \int_0^1\frac{xe^x}{(e^x+1)^2}\,dx = -\frac1{e+1}+1-\ln(1+e)+\ln2. \] Ainsi : \[ V=\pi\left(\frac{e}{e+1}+\ln\frac{2}{e+1}\right). \]
Idée utile : Le volume de révolution autour de l’axe des abscisses est \(V=\pi\int f(x)^2\,dx\).
Réponse : \(\boxed{V=\pi\left(\frac{e}{e+1}+\ln\frac{2}{e+1}\right)}\)

Question 23 — Plan tangent à une sphère

Rappel complet de la question

Dans l’espace muni d’un repère orthonormé d’origine \(O\), on considère la sphère \(S\) d’équation cartésienne : \[ x^2+y^2+z^2-2y-2z=0. \]

Déterminer l’équation cartésienne du plan \((P)\) tangent à la sphère \(S\) au point \(O\).

Réponse
On écrit : \[ x^2+(y-1)^2+(z-1)^2=2. \] Le centre de la sphère est : \[ C(0,1,1). \] Le point de tangence est : \[ O(0,0,0). \] Le vecteur normal au plan tangent est : \[ \overrightarrow{CO}=(0,-1,-1). \] Donc l’équation du plan tangent passant par \(O\) est : \[ -y-z=0. \] Ainsi : \[ y+z=0. \]
Idée utile : Le rayon au point de tangence est normal au plan tangent.
Réponse : \(\boxed{y+z=0}\)

Question 24 — Équation différentielle

Rappel complet de la question

On considère l’équation différentielle \[ (E):\quad y''-2y'+2y=\cos(x)+2\sin(x). \]

Sachant que la fonction \(x\mapsto\cos(x)\) est une solution de \((E)\), déterminer la solution particulière \(y_0\) de \((E)\) telle que sa courbe représentative passe par l’origine \(O\) et ayant une tangente en \(O\) de coefficient directeur \(-1\).

Rappel utile
Pour résoudre une équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants, on commence par l’équation homogène associée. Si l’équation caractéristique admet deux racines complexes \(a\pm ib\), alors la solution homogène est : \[ e^{ax}(A\cos bx+B\sin bx). \] La solution générale de l’équation complète est : \[ \text{solution particulière}+\text{solution homogène}. \]
Réponse
L’équation homogène associée est : \[ y''-2y'+2y=0. \] Son équation caractéristique est : \[ r^2-2r+2=0, \] d’où : \[ r=1\pm i. \] La solution générale est donc : \[ y(x)=\cos x+e^x(A\cos x+B\sin x). \] La condition \(y(0)=0\) donne : \[ 1+A=0, \] donc : \[ A=-1. \] On dérive : \[ y'(0)=A+B. \] La condition \(y'(0)=-1\) donne : \[ -1+B=-1, \] donc : \[ B=0. \] Ainsi : \[ y_0(x)=\cos x-e^x\cos x. \]
Idée utile : Ajouter la solution particulière donnée à la solution générale de l’équation homogène.
Réponse : \(\boxed{y_0(x)=(1-e^x)\cos x}\)

Question 25 — Optimisation d’une boîte

Rappel complet de la question

Une boîte en carton parallélépipède rectangle ouverte sur le dessus a un volume de \(32\,\text{cm}^3\) et une arête de la base de dessous de longueur \(4\,\text{cm}\).

Quelles doivent être ses dimensions pour que sa surface totale soit minimale ?

Réponse
Soit \(x\) l’autre arête de la base et \(h\) la hauteur. Le volume donne : \[ 4xh=32, \] donc : \[ h=\frac8x. \] La surface sans couvercle est : \[ S=4x+2(4h)+2(xh). \] Donc : \[ S(x)=4x+8h+2xh. \] En remplaçant \(h=\frac8x\), on obtient : \[ S(x)=4x+\frac{64}{x}+16. \] On dérive : \[ S'(x)=4-\frac{64}{x^2}. \] Le minimum est atteint lorsque : \[ 4-\frac{64}{x^2}=0. \] Donc : \[ x^2=16, \] et comme \(x\gt0\) : \[ x=4. \] Alors : \[ h=\frac84=2. \] Les dimensions sont donc : \[ 4\,\text{cm}\times4\,\text{cm}\times2\,\text{cm}. \]
Idée utile : Exprimer la surface en fonction d’une seule variable grâce à la contrainte de volume.
Réponse : \(\boxed{4\,\text{cm}\times4\,\text{cm}\times2\,\text{cm}}\)

Tableau récapitulatif des réponses finales

QuestionRéponseRemarque
Q1Une solution unique
Q2\(\frac12+\frac{1}{2\cdot3^n}\), limite \(\frac12\)
Q3\(2\)
Q4\(\frac2n\)
Q5Tangente \(y=\frac32x\)
Q6Branche de direction \((Oy)\)
Q7Cercle de centre \((-2,0)\), rayon \(2\)
Q8\(\frac1{\sqrt{14}}\)
Q9\(I_n+J_n=1\), \(I_n\to0\), \(J_n\to1\)
Q10\(1\)
Q11\(f\equiv1\)
Q124 solutions
Q13Aucune solution
Q14Énoncé incompletDiviseur non visible dans la transcription.
Q15\(2\)
Q16\(\frac{37}{125}\)
Q17\(360\)
Q18\(-2-\sqrt3\)
Q19Carré
Q20\(0\)
Q21\(\frac12\ln2\)
Q22\(\pi\left(\frac{e}{e+1}+\ln\frac{2}{e+1}\right)\)
Q23\(y+z=0\)
Q24\((1-e^x)\cos x\)
Q25\(4\,\text{cm}\times4\,\text{cm}\times2\,\text{cm}\)

Conseil aux élèves

Cette épreuve ENSAM 2023 mobilise principalement : continuité, suites, limites, complexes, géométrie dans l’espace, intégrales, arithmétique, probabilités, dénombrement, équations différentielles et optimisation.

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