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Correction du problème 6 — Fonctions exponentielles — Examen national

Correction du problème 6

Fonctions exponentielles, symétrie et suite de points fixes

Se préparer aux examens — Examen national 2015, session de rattrapage

Objectifs et parcours de résolution

Ce problème étudie une famille de fonctions à valeurs strictement comprises entre zéro et un. La forme exponentielle permet de calculer les limites, de démontrer la croissance et de reconnaître un centre de symétrie. Pour chaque entier, une équation de point fixe définit ensuite une unique solution. Le point essentiel est de comparer la pente de la fonction à celle de la droite \(y=x\), puis de suivre l’effet du passage de \(n\) à \(n+1\) sur les racines. Cette démarche conduit à une suite décroissante dont la limite est zéro.

Rappels de cours utiles

Pour \(n\ge1\), le dénominateur \(1+e^{\frac32(n-x)}\) est strictement supérieur à un. Ainsi, \(0\lt f_n(x)\lt1\). La dérivation de l’exposant introduit le facteur \(-3/2\), puis la dérivation de l’inverse change à nouveau le signe.

Un point \(I(a,b)\) est centre de symétrie d’une courbe lorsque le domaine est stable par \(x\mapsto2a-x\) et que \(f(2a-x)+f(x)=2b\). Ici le domaine est \(\mathbb R\).

Pour \(0\le t\le1\), \(t(1-t)=1/4-(t-1/2)^2\le1/4\). Cette identité donne \(0\lt f_n'(x)\le3/8\), puis \((f_n(x)-x)'\le-5/8\). La différence avec la droite est donc strictement décroissante, même si \(f_n\) est croissante.

Une suite décroissante et minorée converge. Pour déterminer sa limite dans une équation dépendant de \(n\), il faut aussi suivre le terme \(n-u_n\) : la bornitude de \(u_n\) implique qu’il tend vers \(+\infty\).

Problème 6 Se préparer aux examens

1.a Limites de fₙ

Soit \(n\in\mathbb N^*\). On considère la fonction \(f_n\) définie sur \(\mathbb R\) par :

\[ f_n(x)=\frac1{1+e^{\frac32(n-x)}}. \]

Calculer :

\[ \lim_{x\to-\infty}f_n(x) \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to+\infty}f_n(x), \]

puis interpréter graphiquement les résultats.

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Lorsque \(x\to-\infty\), on a \(n-x\to+\infty\), donc :

\[ e^{\frac32(n-x)}\longrightarrow+\infty. \]

Par conséquent :

\[ f_n(x)\longrightarrow0. \]

Lorsque \(x\to+\infty\), on a \(n-x\to-\infty\), donc :

\[ e^{\frac32(n-x)}\longrightarrow0. \]

Ainsi :

\[ f_n(x)\longrightarrow1. \]
\[ \boxed{ \lim_{x\to-\infty}f_n(x)=0, \qquad \lim_{x\to+\infty}f_n(x)=1 } \]

Les droites \(y=0\) et \(y=1\) sont des asymptotes horizontales à \(\mathcal C_n\), respectivement au voisinage de \(-\infty\) et de \(+\infty\).

1.b Dérivabilité et expression de fₙ′

Montrer que \(f_n\) est dérivable sur \(\mathbb R\), puis calculer \(f_n'(x)\).

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Posons :

\[ E(x)=e^{\frac32(n-x)}. \]

Alors \(E'(x)=-\dfrac32E(x)\), et :

\[ \begin{aligned} f_n'(x) &= -\frac{E'(x)}{(1+E(x))^2}\\ &= \frac{ \frac32e^{\frac32(n-x)} }{ \left(1+e^{\frac32(n-x)}\right)^2 }. \end{aligned} \]
\[ \boxed{ f_n'(x) = \frac{ \frac32e^{\frac32(n-x)} }{ \left(1+e^{\frac32(n-x)}\right)^2 } } \]
1.c Monotonie de fₙ

Montrer que \(f_n\) est strictement croissante sur \(\mathbb R\).

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Pour tout réel \(x\), on a :

\[ e^{\frac32(n-x)}>0. \]

Le dénominateur de \(f_n'(x)\) est strictement positif. Donc :

\[ f_n'(x)>0. \]
\[ \boxed{ f_n\text{ est strictement croissante sur }\mathbb R } \]
2.a Centre de symétrie de Cₙ

Montrer que le point :

\[ I_n\left(n,\frac12\right) \]

est un centre de symétrie de la courbe \(\mathcal C_n\).

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Pour tout réel \(x\) :

\[ \begin{aligned} f_n(2n-x) &= \frac1{1+e^{\frac32(x-n)}}\\ &= \frac{e^{\frac32(n-x)}}{ 1+e^{\frac32(n-x)} }\\ &= 1-f_n(x). \end{aligned} \]

Donc :

\[ f_n(2n-x)+f_n(x)=1. \]

Les deux points de la courbe d’abscisses \(x\) et \(2n-x\) ont pour milieu :

\[ \boxed{ I_n\left(n,\frac12\right) }. \]
2.b Construction de la courbe C₁

Construire la courbe \(\mathcal C_1\).

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Pour \(n=1\) :

\[ f_1(x)=\frac1{1+e^{\frac32(1-x)}}. \]

Les éléments essentiels du tracé sont :

  • \(y=0\) est asymptote à gauche ;
  • \(y=1\) est asymptote à droite ;
  • \(f_1\) est strictement croissante ;
  • \(I_1\left(1,\dfrac12\right)\) est un centre de symétrie ;
  • \[ f_1'(1)=\frac38. \]
-201240.250.50.751 I₁(1, 1/2) C₁ y = 1

La courbe C₁ est strictement croissante, admet les asymptotes horizontales y = 0 et y = 1, et possède le centre de symétrie I₁(1, 1/2).

3.a Existence et unicité de uₙ

Montrer que l’équation :

\[ f_n(x)=x \]

admet une unique solution \(u_n\) dans l’intervalle \(]0,n[\).

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Considérons :

\[ h_n(x)=f_n(x)-x. \]

La fonction \(h_n\) est continue. De plus :

\[ f_n'(x) = \frac32f_n(x)\left(1-f_n(x)\right). \]

Comme \(0\lt f_n(x)\lt 1\), on a :

\[ f_n(x)\left(1-f_n(x)\right)\le\frac14. \]

Donc :

\[ f_n'(x)\le\frac38. \]

Ainsi :

\[ h_n'(x) = f_n'(x)-1 \le -\frac58 \lt 0. \]

La fonction \(h_n\) est strictement décroissante.

\[ h_n(0)=f_n(0)>0 \]

et :

\[ h_n(n) = \frac12-n \lt 0. \]

Le théorème des valeurs intermédiaires donne une solution dans \(]0,n[\), et la stricte décroissance donne son unicité.

\[ \boxed{ \exists!\,u_n\in]0,n[ \text{ tel que }f_n(u_n)=u_n } \]
3.b Comparaison de fₙ₊₁ et fₙ

Montrer que :

\[ \forall n\in\mathbb N^*, \quad \forall x\in\mathbb R, \qquad f_{n+1}(x)\lt f_n(x). \]
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Pour tout réel \(x\) :

\[ \frac32(n+1-x) > \frac32(n-x). \]

Donc :

\[ e^{\frac32(n+1-x)} > e^{\frac32(n-x)}. \]

Par conséquent :

\[ 1+e^{\frac32(n+1-x)} > 1+e^{\frac32(n-x)}. \]
\[ \boxed{ f_{n+1}(x)\lt f_n(x) } \]
3.c Monotonie et convergence de (uₙ)

Montrer que la suite \((u_n)_{n\ge1}\) est strictement décroissante, puis en déduire qu’elle est convergente.

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Posons :

\[ h_{n+1}(x)=f_{n+1}(x)-x. \]

Comme dans la question 3.a, \(h_{n+1}\) est strictement décroissante.

Or :

\[ f_{n+1}(u_n) \lt f_n(u_n) = u_n. \]

Donc :

\[ h_{n+1}(u_n)\lt 0. \]

D’autre part :

\[ h_{n+1}(0)=f_{n+1}(0)>0. \]

L’unique zéro \(u_{n+1}\) de \(h_{n+1}\) appartient donc à \(]0,u_n[\).

\[ u_{n+1}\lt u_n. \]

La suite est strictement décroissante et minorée par \(0\). Elle est donc convergente.

\[ \boxed{ (u_n)\text{ est strictement décroissante et convergente} } \]
3.d Limite de la suite (uₙ)

Calculer :

\[ \lim_{n\to+\infty}u_n. \]
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Posons :

\[ \ell=\lim_{n\to+\infty}u_n. \]

Comme \(0\lt u_n\le u_1\), la suite est bornée. Donc :

\[ n-u_n\longrightarrow+\infty. \]

Or :

\[ u_n = \frac1{ 1+e^{\frac32(n-u_n)} }. \]

Ainsi :

\[ e^{\frac32(n-u_n)} \longrightarrow+\infty. \]
\[ \boxed{ \lim_{n\to+\infty}u_n=0 } \]

Résultats essentiels

\[ \lim_{x\to-\infty}f_n(x)=0, \qquad \lim_{x\to+\infty}f_n(x)=1. \] \[ I_n\left(n,\frac12\right) \text{ est un centre de symétrie de }\mathcal C_n. \] \[ f_{n+1}(x)\lt f_n(x), \qquad u_{n+1}\lt u_n. \] \[ \boxed{ \lim_{n\to+\infty}u_n=0 }. \]
Préparé par :
Hammou Boudraa — Enseignant des mathématiques
Lycée Oum Rabiaâ — M’rirt
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Correction rédigée par Professeur Hammou Boudraa — Parcours Maths Maroc (PMM)

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