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Exercices supplémentaires

40 exercices corrigés, classés par thème

Limites de Fonctions

Exercice 1Niveau 1

Calculer les limites suivantes :

a) \(\lim_{x \to +\infty} \dfrac{3x^2 - x + 1}{x^2 + 4}\)

b) \(\lim_{x \to -\infty} (2x^3 - 5x + 1)\)

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Partie a)

Stratégie : Pour une fraction de deux polynômes, on divise numérateur et dénominateur par la plus grande puissance du dénominateur.

On divise par \(x^2\) : \[\frac{3x^2 - x + 1}{x^2 + 4} = \frac{3 - \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}}{1 + \frac{4}{x^2}}\]

Quand \(x \to +\infty\), les termes \(\frac{1}{x}\), \(\frac{1}{x^2}\), \(\frac{4}{x^2}\) tendent tous vers 0 : \[\lim_{x \to +\infty} \frac{3 - \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}}{1 + \frac{4}{x^2}} = \frac{3 - 0 + 0}{1 + 0} = 3\]

Partie b)

Le terme dominant est \(2x^3\). Quand \(x \to -\infty\), \(x^3 \to -\infty\), donc \(2x^3 \to -\infty\). Les termes \(-5x+1\) sont négligeables.

\[\lim_{x \to -\infty} (2x^3 - 5x + 1) = -\infty\]

Exercice 2Niveau 2

Calculer \(\lim_{x \to 0} \dfrac{x^2 + 3x}{x}\) en justifiant la simplification possible.

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Étape 1 — Factoriser le numérateur \[\frac{x^2 + 3x}{x} = \frac{x(x + 3)}{x}\]

Étape 2 — Simplifier (pour \(x \neq 0\)) On peut simplifier par \(x\) car on s'approche de 0 sans jamais l'atteindre : \[\frac{x(x + 3)}{x} = x + 3 \quad \text{pour } x \neq 0\]

Étape 3 — Prendre la limite \[\lim_{x \to 0} (x + 3) = 0 + 3 = 3\]

La limite vaut 3. La forme initiale était indéterminée (\(\frac{0}{0}\)) mais la simplification a levé l'indétermination.

Exercice 3Niveau 2

Étudier les limites de \(f(x) = \dfrac{x + 1}{x - 2}\) en \(x = 2^+\), \(x = 2^-\), et \(x \to +\infty\).

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Limite en \(x = 2^+\) (approche par la droite)

Quand \(x \to 2^+\) (valeurs légèrement supérieures à 2) :

  • Le numérateur \(x + 1 \to 3 > 0\)
  • Le dénominateur \(x - 2 \to 0^+\) (positif et très petit)

Un nombre positif divisé par un nombre positif très petit donne \(+\infty\) : \[\lim_{x \to 2^+} \frac{x+1}{x-2} = +\infty\]

Limite en \(x = 2^-\) (approche par la gauche)

Quand \(x \to 2^-\) :

  • Le numérateur \(x + 1 \to 3 > 0\)
  • Le dénominateur \(x - 2 \to 0^-\) (négatif et très petit)

Positif divisé par négatif très petit : \(-\infty\) : \[\lim_{x \to 2^-} \frac{x+1}{x-2} = -\infty\]

La droite \(x = 2\) est une asymptote verticale.

Limite en \(x \to +\infty\)

On divise numérateur et dénominateur par \(x\) : \[\frac{x + 1}{x - 2} = \frac{1 + \frac{1}{x}}{1 - \frac{2}{x}} \to \frac{1 + 0}{1 - 0} = 1\]

La droite \(y = 1\) est une asymptote horizontale.

Exercice 4Niveau 3

Démontrer que \(\lim_{x \to +\infty} \dfrac{\sqrt{x+1} - \sqrt{x}}{1} = 0\) en multipliant par la quantité conjuguée.

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Étape 1 — Multiplier par la quantité conjuguée

On multiplie et divise par \(\sqrt{x+1} + \sqrt{x}\) : \[\sqrt{x+1} - \sqrt{x} = \frac{(\sqrt{x+1} - \sqrt{x})(\sqrt{x+1} + \sqrt{x})}{\sqrt{x+1} + \sqrt{x}}\]

Étape 2 — Utiliser \((a-b)(a+b) = a^2 - b^2\) \[= \frac{(x+1) - x}{\sqrt{x+1} + \sqrt{x}} = \frac{1}{\sqrt{x+1} + \sqrt{x}}\]

Étape 3 — Prendre la limite

Quand \(x \to +\infty\), le dénominateur \(\sqrt{x+1} + \sqrt{x} \to +\infty\), donc : \[\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{\sqrt{x+1} + \sqrt{x}} = 0\]

Exercice 5Niveau 3

Soit \(f(x) = \dfrac{2x^2 + 1}{x}\). Montrer que la droite \(y = 2x\) est une asymptote oblique de \(f\) en \(+\infty\) et \(-\infty\).

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Étape 1 — Calculer \(f(x) - 2x\)

Pour vérifier qu'une droite \(y = 2x\) est asymptote oblique, on calcule la différence et on vérifie qu'elle tend vers 0 : \[f(x) - 2x = \frac{2x^2 + 1}{x} - 2x = \frac{2x^2 + 1 - 2x^2}{x} = \frac{1}{x}\]

Étape 2 — Prendre la limite

\[\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x} = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to -\infty} \frac{1}{x} = 0\]

Puisque \(f(x) - 2x \to 0\) quand \(x \to \pm\infty\), la droite \(y = 2x\) est bien une asymptote oblique de \(f\) en \(+\infty\) et en \(-\infty\).

Dérivation

Exercice 1Niveau 1

Calculer les dérivées des fonctions suivantes :

a) \(f(x) = 3x^4 - 2x^2 + x - 5\)

b) \(g(x) = (2x + 1)^5\)

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Partie a) — \(f(x) = 3x^4 - 2x^2 + x - 5\)

On dérive terme par terme. Pour chaque terme \(ax^n\), la dérivée est \(anx^{n-1}\) : \[f'(x) = 3 \times 4x^3 - 2 \times 2x + 1 - 0\] \[f'(x) = 12x^3 - 4x + 1\]

Partie b) — \(g(x) = (2x + 1)^5\)

On utilise la règle de la dérivée d'une composée : si \(h(x) = u(x)^n\), alors \(h'(x) = n \cdot u'(x) \cdot u(x)^{n-1}\).

Ici \(u(x) = 2x + 1\), donc \(u'(x) = 2\), et \(n = 5\) : \[g'(x) = 5 \times 2 \times (2x + 1)^4 = 10(2x + 1)^4\]

Exercice 2Niveau 2

Déterminer l'équation de la tangente à la courbe \(f(x) = x^2 - 3x + 2\) au point d'abscisse \(x_0 = 1\).

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Étape 1 — Calculer \(f(x_0)\) \[f(1) = 1 - 3 + 2 = 0\] Le point de tangence est \(A(1\,;\,0)\).

Étape 2 — Calculer \(f'(x_0)\) (pente de la tangente) \[f'(x) = 2x - 3\] \[f'(1) = 2(1) - 3 = -1\]

La pente de la tangente est \(-1\).

Étape 3 — Écrire l'équation de la tangente L'équation d'une tangente en \((x_0, f(x_0))\) est : \[y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)\] \[y = -1(x - 1) + 0\] \[y = -x + 1\]

Exercice 3Niveau 2

Trouver les extrema locaux de \(f(x) = 2x^3 - 3x^2 - 12x + 4\).

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Étape 1 — Calculer la dérivée \[f'(x) = 6x^2 - 6x - 12\]

Étape 2 — Résoudre \(f'(x) = 0\) \[6x^2 - 6x - 12 = 0\] \[x^2 - x - 2 = 0\] \[(x - 2)(x + 1) = 0\] \[x = 2 \quad \text{ou} \quad x = -1\]

Étape 3 — Signe de \(f'(x)\)

Intervalle \(x < -1\) \(-1 < x < 2\) \(x > 2\)
\(f'(x)\) \(+\) \(-\) \(+\)

Étape 4 — Identifier les extrema

  • En \(x = -1\) : \(f'\) change de \(+\) à \(-\) → maximum local \[f(-1) = 2(-1)^3 - 3(-1)^2 - 12(-1) + 4 = -2 - 3 + 12 + 4 = 11\]

  • En \(x = 2\) : \(f'\) change de \(-\) à \(+\) → minimum local \[f(2) = 2(8) - 3(4) - 12(2) + 4 = 16 - 12 - 24 + 4 = -16\]

Exercice 4Niveau 3

La position d'un mobile (en mètres) est donnée par \(s(t) = t^3 - 6t^2 + 9t\) (avec \(t \geq 0\) en secondes). Trouver les instants où le mobile est à l'arrêt, et la distance parcourue entre \(t = 0\) et \(t = 4\).

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Étape 1 — Calculer la vitesse (dérivée de la position) \[v(t) = s'(t) = 3t^2 - 12t + 9\]

Étape 2 — Résoudre \(v(t) = 0\) \[3t^2 - 12t + 9 = 0\] \[t^2 - 4t + 3 = 0\] \[(t - 1)(t - 3) = 0\] \[t = 1 \text{ s} \quad \text{ou} \quad t = 3 \text{ s}\]

Étape 3 — Analyser les mouvements

  • \(t = 0\) : \(s(0) = 0\) m
  • \(t = 1\) : \(s(1) = 1 - 6 + 9 = 4\) m (arrêt, le mobile a avancé de 4 m)
  • \(t = 3\) : \(s(3) = 27 - 54 + 27 = 0\) m (arrêt, le mobile est revenu à l'origine)
  • \(t = 4\) : \(s(4) = 64 - 96 + 36 = 4\) m

Étape 4 — Distance totale parcourue Le mobile va de 0 à 4 (distance = 4), revient de 4 à 0 (distance = 4), repart de 0 à 4 (distance = 4) : \[d_{\text{totale}} = 4 + 4 + 4 = 12 \text{ m}\]

(Attention : distance parcourue ≠ déplacement total qui vaut \(s(4) - s(0) = 4\) m.)

Exercice 5Niveau 3

Démontrer que la fonction \(f(x) = x + \dfrac{1}{x}\) est décroissante sur \(]0\,;\,1]\) et croissante sur \([1\,;\,+\infty[\). Quel est son minimum sur \(]0\,;\,+\infty[\) ?

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Étape 1 — Calculer la dérivée \[f'(x) = 1 - \frac{1}{x^2} = \frac{x^2 - 1}{x^2}\]

Étape 2 — Étudier le signe de \(f'(x)\)

Le dénominateur \(x^2 > 0\) pour tout \(x \neq 0\). Le signe de \(f'(x)\) dépend du numérateur : \[x^2 - 1 \quad \text{est négatif pour } |x| < 1 \text{ et positif pour } |x| > 1\]

Sur \(]0\,;\,+\infty[\) :

  • Pour \(0 < x < 1\) : \(x^2 < 1 \Rightarrow x^2 - 1 < 0 \Rightarrow f'(x) < 0\) → décroissante
  • Pour \(x > 1\) : \(x^2 > 1 \Rightarrow x^2 - 1 > 0 \Rightarrow f'(x) > 0\) → croissante

Étape 3 — Minimum en \(x = 1\) \[f(1) = 1 + \frac{1}{1} = 2\]

La fonction atteint son minimum 2 en \(x = 1\).

Logarithme Népérien

Exercice 1Niveau 1

Calculer sans calculatrice :

a) \(\ln(e^3)\)

b) \(\ln(1)\)

c) \(e^{\ln 5}\)

d) \(\ln(e^{-2})\)

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Rappels fondamentaux : \(\ln(e^x) = x\) et \(e^{\ln x} = x\) (fonctions réciproques).

Partie a) : \(\ln(e^3) = 3\) (le logarithme « annule » l'exponentielle)

Partie b) : \(\ln(1) = 0\) car \(e^0 = 1\)

Partie c) : \(e^{\ln 5} = 5\) (l'exponentielle « annule » le logarithme)

Partie d) : \(\ln(e^{-2}) = -2\)

Exercice 2Niveau 2

Résoudre les équations :

a) \(\ln(x + 2) = 3\)

b) \(\ln(x^2 - 3) = \ln(x + 1)\)

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Partie a) — \(\ln(x + 2) = 3\)

Étape 1 : Appliquer l'exponentielle des deux membres (opération inverse du logarithme) : \[x + 2 = e^3\]

Étape 2 : Résoudre : \[x = e^3 - 2 \approx 20{,}09 - 2 = 18{,}09\]

Condition de validité : \(x + 2 > 0 \Rightarrow x > -2\). On a \(18{,}09 > -2\) ✓

Partie b) — \(\ln(x^2 - 3) = \ln(x + 1)\)

Étape 1 : Si \(\ln(A) = \ln(B)\), alors \(A = B\) (le logarithme est une bijection) : \[x^2 - 3 = x + 1\] \[x^2 - x - 4 = 0\]

Étape 2 : Discriminant \(\Delta = 1 + 16 = 17\) : \[x = \frac{1 \pm \sqrt{17}}{2}\]

Étape 3 : Vérifier les conditions de validité (\(x^2 - 3 > 0\) et \(x + 1 > 0\)) :

  • \(x_1 = \frac{1 + \sqrt{17}}{2} \approx 2{,}56\) : \(x_1 + 1 > 0\) ✓ et \(x_1^2 - 3 > 0\) ✓ → solution valide
  • \(x_2 = \frac{1 - \sqrt{17}}{2} \approx -1{,}56\) : \(x_2 + 1 \approx -0{,}56 < 0\) → le logarithme n'est pas défini → rejeté
Exercice 3Niveau 2

Dériver les fonctions suivantes :

a) \(f(x) = \ln(3x + 1)\)

b) \(g(x) = x \ln x\)

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Partie a) — \(f(x) = \ln(3x + 1)\)

On utilise la dérivée de \(\ln(u)\) : \((\ln u)' = \dfrac{u'}{u}\).

Ici \(u = 3x + 1\) et \(u' = 3\) : \[f'(x) = \frac{3}{3x + 1}\]

Partie b) — \(g(x) = x \ln x\)

On utilise la règle de dérivation du produit : \((uv)' = u'v + uv'\).

Avec \(u = x\) (donc \(u' = 1\)) et \(v = \ln x\) (donc \(v' = \frac{1}{x}\)) : \[g'(x) = 1 \times \ln x + x \times \frac{1}{x} = \ln x + 1\]

Exercice 4Niveau 3

Le niveau sonore en décibels est donné par \(L = 10 \log(I / I_0)\), où \(I_0 = 10^{-12}\) W/m² et où \(\log\) est le logarithme décimal : \(\log x = \dfrac{\ln x}{\ln 10}\), de sorte que \(\log(10^n) = n\). Un son a un niveau de 80 dB. Quelle est son intensité ? Un son deux fois plus intense augmente le niveau de combien de dB ?

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Étape 1 — Calculer l'intensité pour 80 dB \[80 = 10 \log(I / 10^{-12})\] \[8 = \log(I / 10^{-12})\] \[I / 10^{-12} = 10^8\] \[I = 10^8 \times 10^{-12} = 10^{-4} \text{ W/m}^2\]

Étape 2 — Augmentation pour une intensité doublée Si \(I' = 2I\), le nouveau niveau est : \[L' = 10 \log(2I / I_0) = 10 [\log(2) + \log(I / I_0)] = L + 10\log(2)\] \[\Delta L = 10\log(2) \approx 10 \times 0{,}301 \approx 3 \text{ dB}\]

Doubler l'intensité sonore augmente le niveau de seulement 3 dB, ce qui est peu perceptible à l'oreille humaine.

Exercice 5Niveau 3

Résoudre l'inéquation \(\ln(x^2 + 2x) > \ln(3)\).

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Étape 1 — Conditions de validité

L'expression sous le logarithme doit être strictement positive : \[x^2 + 2x > 0 \Rightarrow x(x + 2) > 0 \Rightarrow x < -2 \text{ ou } x > 0\]

Étape 2 — Utiliser la monotonie de ln

Le logarithme est croissant, donc \(\ln(A) > \ln(B) \Leftrightarrow A > B\) (pour \(A, B > 0\)) : \[x^2 + 2x > 3\] \[x^2 + 2x - 3 > 0\] \[(x + 3)(x - 1) > 0\]

Étape 3 — Résoudre l'inéquation du second degré Le produit est positif pour \(x < -3\) ou \(x > 1\).

Étape 4 — Intersecter avec les conditions de validité

Conditions : \(x < -2\) ou \(x > 0\) Solutions de l'inéquation : \(x < -3\) ou \(x > 1\)

Intersection :

  • \(x < -3\) satisfait \(x < -2\) ✓
  • \(x > 1\) satisfait \(x > 0\) ✓

Solution finale : \(x \in ]-\infty\,;\,-3[ \cup ]1\,;\,+\infty[\)

Fonction Exponentielle

Exercice 1Niveau 1

Simplifier les expressions suivantes :

a) \(e^2 \times e^5\)

b) \(\dfrac{e^7}{e^3}\)

c) \((e^{2x})^3\)

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Rappel des règles : \(e^a \times e^b = e^{a+b}\), \(\frac{e^a}{e^b} = e^{a-b}\), \((e^a)^n = e^{an}\).

Partie a) : \(e^2 \times e^5 = e^{2+5} = e^7\)

Partie b) : \(\dfrac{e^7}{e^3} = e^{7-3} = e^4\)

Partie c) : \((e^{2x})^3 = e^{2x \times 3} = e^{6x}\)

Exercice 2Niveau 2

Résoudre les équations :

a) \(e^{2x} = e^{x+3}\)

b) \(e^{2x} - 5e^x + 6 = 0\)

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Partie a) — \(e^{2x} = e^{x+3}\)

La fonction exponentielle est injective (si \(e^A = e^B\) alors \(A = B\)) : \[2x = x + 3\] \[x = 3\]

Partie b) — \(e^{2x} - 5e^x + 6 = 0\)

Substitution : On pose \(u = e^x\) (avec \(u > 0\)). Alors \(e^{2x} = u^2\) : \[u^2 - 5u + 6 = 0\] \[(u - 2)(u - 3) = 0\] \[u = 2 \quad \text{ou} \quad u = 3\]

Retour à \(x\) :

  • \(e^x = 2 \Rightarrow x = \ln 2\)
  • \(e^x = 3 \Rightarrow x = \ln 3\)

Les solutions sont \(x = \ln 2\) et \(x = \ln 3\).

Exercice 3Niveau 2

Un capital de 5 000 € est placé à intérêts composés au taux annuel de 3 %. Exprimer la valeur \(C(t)\) après \(t\) années. Au bout de combien d'années le capital aura-t-il doublé ?

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Étape 1 — Expression du capital À chaque année, le capital est multiplié par \(1{,}03\). On peut l'écrire avec l'exponentielle : \[C(t) = 5000 \times (1{,}03)^t = 5000 \times e^{t \ln(1{,}03)}\]

Étape 2 — Résoudre \(C(t) = 10\,000\)

\[5000 \times (1{,}03)^t = 10\,000\] \[(1{,}03)^t = 2\] \[t \ln(1{,}03) = \ln(2)\] \[t = \frac{\ln 2}{\ln 1{,}03} \approx \frac{0{,}6931}{0{,}02956} \approx 23{,}4 \text{ ans}\]

Le capital double en environ 23 ans et 5 mois.

Exercice 4Niveau 3

Une population bactérienne suit le modèle \(N(t) = N_0 e^{kt}\). À \(t = 0\), on compte 1 000 bactéries. À \(t = 2\) heures, on en compte 4 000. Trouver \(k\), puis estimer le temps de doublement.

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Étape 1 — Trouver \(k\)

\(N(0) = 1000 \Rightarrow N_0 = 1000\)

\(N(2) = 1000 e^{2k} = 4000 \Rightarrow e^{2k} = 4\)

\[2k = \ln 4 \Rightarrow k = \frac{\ln 4}{2} = \ln 2 \approx 0{,}693 \text{ h}^{-1}\]

Étape 2 — Temps de doublement

On cherche \(t_d\) tel que \(N(t_d) = 2N_0\) : \[e^{kt_d} = 2 \Rightarrow t_d = \frac{\ln 2}{k} = \frac{\ln 2}{\ln 2} = 1 \text{ heure}\]

La population double toutes les 1 heure.

Vérification : À \(t = 2\) h (deux doublements), \(N = 1000 \times 2^2 = 4000\) ✓

Exercice 5Niveau 3

Dériver \(f(x) = e^{x^2 - 1} \cdot \ln(x)\) pour \(x > 0\).

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Étape 1 — Identifier les deux facteurs \(f(x) = u(x) \cdot v(x)\) avec \(u(x) = e^{x^2 - 1}\) et \(v(x) = \ln(x)\).

Étape 2 — Calculer chaque dérivée

Pour \(u = e^{x^2 - 1}\) : dérivée d'une composition \(e^g\) avec \(g = x^2 - 1\) et \(g' = 2x\) : \[u'(x) = 2x \cdot e^{x^2 - 1}\]

Pour \(v = \ln(x)\) : \[v'(x) = \frac{1}{x}\]

Étape 3 — Appliquer la règle du produit \[f'(x) = u'v + uv' = 2x e^{x^2-1} \cdot \ln(x) + e^{x^2-1} \cdot \frac{1}{x}\]

Étape 4 — Factoriser \[f'(x) = e^{x^2-1}\left(2x\ln(x) + \frac{1}{x}\right)\]

Intégrales

Exercice 1Niveau 1

Calculer les intégrales suivantes :

a) \(\displaystyle\int_0^3 (2x + 1)\, dx\)

b) \(\displaystyle\int_1^4 \sqrt{x}\, dx\)

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Partie a) — \(\displaystyle\int_0^3 (2x + 1)\, dx\)

Étape 1 : Trouver une primitive de \(2x + 1\). La primitive de \(2x\) est \(x^2\) et la primitive de \(1\) est \(x\) : \[F(x) = x^2 + x\]

Étape 2 : Appliquer la formule \(\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)\) : \[F(3) - F(0) = (9 + 3) - (0 + 0) = 12\]

Partie b) — \(\displaystyle\int_1^4 \sqrt{x}\, dx\)

Une primitive de \(\sqrt{x}\) est \(F(x) = \dfrac{2}{3}x\sqrt{x}\). On le vérifie en dérivant : \(F'(x) = \dfrac{2}{3}\left(\sqrt{x} + x \times \dfrac{1}{2\sqrt{x}}\right) = \dfrac{2}{3} \times \dfrac{3}{2}\sqrt{x} = \sqrt{x}\) ✓ \[F(4) - F(1) = \frac{2}{3} \times 4 \times 2 - \frac{2}{3} \times 1 = \frac{16}{3} - \frac{2}{3} = \frac{14}{3}\]

Exercice 2Niveau 2

Calculer l'aire de la région délimitée par la courbe \(f(x) = x^2\), l'axe des abscisses, et les droites \(x = 1\) et \(x = 3\).

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Étape 1 — Vérifier le signe de \(f\) \(f(x) = x^2 \geq 0\) sur \([1 ; 3]\). L'aire est directement donnée par l'intégrale.

Étape 2 — Calculer l'intégrale \[\text{Aire} = \int_1^3 x^2\, dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_1^3 = \frac{27}{3} - \frac{1}{3} = 9 - \frac{1}{3} = \frac{26}{3} \approx 8{,}67 \text{ unités}^2\]

Exercice 3Niveau 2

Calculer \(\displaystyle\int_0^1 e^{2x}\, dx\).

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Étape 1 — Trouver une primitive La primitive de \(e^{2x}\) est \(\dfrac{e^{2x}}{2}\) (car on divise par le coefficient devant \(x\)) : \[F(x) = \frac{e^{2x}}{2}\]

Étape 2 — Appliquer la formule \[\int_0^1 e^{2x}\, dx = F(1) - F(0) = \frac{e^2}{2} - \frac{e^0}{2} = \frac{e^2 - 1}{2} \approx \frac{7{,}389 - 1}{2} \approx 3{,}19\]

Exercice 4Niveau 3

Calculer l'aire comprise entre les courbes \(f(x) = x^2\) et \(g(x) = x + 2\) sur leur intervalle commun.

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Étape 1 — Trouver les intersections \[x^2 = x + 2 \Rightarrow x^2 - x - 2 = 0 \Rightarrow (x-2)(x+1) = 0\] Les courbes se croisent en \(x = -1\) et \(x = 2\).

Étape 2 — Identifier quelle courbe est au-dessus Pour \(x \in [-1 ; 2]\), tester \(x = 0\) : \(f(0) = 0\) et \(g(0) = 2\). Donc \(g > f\) sur \([-1 ; 2]\).

Étape 3 — Calculer l'aire \[\text{Aire} = \int_{-1}^{2} [g(x) - f(x)]\, dx = \int_{-1}^{2} (x + 2 - x^2)\, dx\]

\[= \left[\frac{x^2}{2} + 2x - \frac{x^3}{3}\right]_{-1}^{2}\]

En \(x = 2\) : \(\frac{4}{2} + 4 - \frac{8}{3} = 2 + 4 - \frac{8}{3} = 6 - \frac{8}{3} = \frac{10}{3}\)

En \(x = -1\) : \(\frac{1}{2} - 2 + \frac{1}{3} = \frac{3 - 12 + 2}{6} = \frac{-7}{6}\)

\[\text{Aire} = \frac{10}{3} - \left(-\frac{7}{6}\right) = \frac{10}{3} + \frac{7}{6} = \frac{20}{6} + \frac{7}{6} = \frac{27}{6} = \frac{9}{2} = 4{,}5 \text{ unités}^2\]

Exercice 5Niveau 3

La vitesse d'un objet (en m/s) est \(v(t) = 3e^{-t} + 2\) pour \(t \geq 0\). Calculer la distance parcourue entre \(t = 0\) et \(t = 2\).

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Étape 1 — La distance est l'intégrale de la vitesse \[d = \int_0^2 v(t)\, dt = \int_0^2 (3e^{-t} + 2)\, dt\]

Étape 2 — Trouver les primitives

  • Primitive de \(3e^{-t}\) : \(-3e^{-t}\) (on divise par le coefficient −1 devant \(t\))
  • Primitive de \(2\) : \(2t\)

\[d = \left[-3e^{-t} + 2t\right]_0^2\]

Étape 3 — Calculer En \(t = 2\) : \(-3e^{-2} + 4 \approx -3 \times 0{,}135 + 4 = -0{,}406 + 4 = 3{,}594\)

En \(t = 0\) : \(-3e^0 + 0 = -3\)

\[d = 3{,}594 - (-3) = 6{,}594 \approx 6{,}6 \text{ m}\]

Suites

Exercice 1Niveau 1

La suite \((u_n)\) est définie par \(u_0 = 3\) et \(u_{n+1} = 2u_n - 1\).

Calculer \(u_1, u_2, u_3\). La suite est-elle arithmétique ou géométrique ?

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Calcul des premiers termes

  • \(u_1 = 2 \times 3 - 1 = 5\)
  • \(u_2 = 2 \times 5 - 1 = 9\)
  • \(u_3 = 2 \times 9 - 1 = 17\)

Vérifier si arithmétique : les différences \(u_1 - u_0 = 2\), \(u_2 - u_1 = 4\), \(u_3 - u_2 = 8\) ne sont pas constantes. Non arithmétique.

Vérifier si géométrique : les rapports \(\frac{u_1}{u_0} = \frac{5}{3}\), \(\frac{u_2}{u_1} = \frac{9}{5}\) ne sont pas constants. Non géométrique.

Remarque : On peut transformer la suite en posant \(v_n = u_n - 1\). Alors \(v_{n+1} = u_{n+1} - 1 = 2u_n - 2 = 2(u_n - 1) = 2v_n\). La suite \((v_n)\) est géométrique de raison 2. Avec \(v_0 = u_0 - 1 = 2\) : \[v_n = 2 \times 2^n = 2^{n+1} \Rightarrow u_n = 2^{n+1} + 1\]

Exercice 2Niveau 2

Soit la suite arithmétique \((u_n)\) avec \(u_3 = 11\) et \(u_7 = 23\). Trouver la raison, le premier terme, et la somme \(S = u_0 + u_1 + \ldots + u_{10}\).

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Étape 1 — Trouver la raison Dans une suite arithmétique : \(u_n = u_0 + nr\).

\(u_7 - u_3 = (7-3)r = 4r\), donc : \[4r = 23 - 11 = 12 \Rightarrow r = 3\]

Étape 2 — Trouver \(u_0\) \[u_3 = u_0 + 3r \Rightarrow 11 = u_0 + 9 \Rightarrow u_0 = 2\]

Étape 3 — Calculer la somme des 11 premiers termes La formule de la somme d'une suite arithmétique : \(S = \dfrac{n \times (u_{\text{premier}} + u_{\text{dernier}})}{2}\).

Avec 11 termes (de \(u_0\) à \(u_{10}\)) : \[u_{10} = 2 + 10 \times 3 = 32\] \[S = \frac{11 \times (2 + 32)}{2} = \frac{11 \times 34}{2} = 11 \times 17 = 187\]

Exercice 3Niveau 2

Un capital de 2 000 € est placé à un taux annuel de 4 %. Quelle est la valeur après 10 ans ? Après combien d'années le capital dépasse-t-il 3 000 € ?

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Étape 1 — Exprimer la suite Le capital suit une suite géométrique de raison \(q = 1{,}04\) : \[C_n = 2000 \times 1{,}04^n\]

Étape 2 — Capital après 10 ans \[C_{10} = 2000 \times 1{,}04^{10} \approx 2000 \times 1{,}4802 \approx 2960 \text{ €}\]

Étape 3 — Dépasser 3 000 € \[2000 \times 1{,}04^n > 3000\] \[1{,}04^n > 1{,}5\] \[n \ln(1{,}04) > \ln(1{,}5)\] \[n > \frac{\ln(1{,}5)}{\ln(1{,}04)} \approx \frac{0{,}405}{0{,}0392} \approx 10{,}34\]

Le capital dépasse 3 000 € à partir de \(n = 11\) ans.

Exercice 4Niveau 3

Soit la suite récurrente \(u_{n+1} = \dfrac{u_n + 4}{2}\) avec \(u_0 = 0\). Montrer que la suite est croissante et majorée par 4. En déduire qu'elle converge.

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Étape 1 — Trouver la limite fixe (point fixe) Si la suite converge vers une limite \(L\), alors \(L = \dfrac{L + 4}{2} \Rightarrow 2L = L + 4 \Rightarrow L = 4\).

Étape 2 — Montrer que la suite est majorée par 4

Par récurrence : si \(u_n \leq 4\), alors : \[u_{n+1} = \frac{u_n + 4}{2} \leq \frac{4 + 4}{2} = 4\]

Pour \(u_0 = 0 \leq 4\) ✓. Par récurrence, \(u_n \leq 4\) pour tout \(n\). ✓

Étape 3 — Montrer que la suite est croissante

\[u_{n+1} - u_n = \frac{u_n + 4}{2} - u_n = \frac{4 - u_n}{2}\]

Comme \(u_n \leq 4\), on a \(4 - u_n \geq 0\), donc \(u_{n+1} - u_n \geq 0\). La suite est croissante. ✓

Étape 4 — Conclure Toute suite croissante et majorée est convergente (théorème de la limite monotone). Ici la limite est \(L = 4\).

Exercice 5Niveau 3

a) Calculer \(S_n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} 3^k\) et déterminer sa limite.

b) Même question pour \(S'_n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \left(\frac{1}{3}\right)^k\).

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Somme d'une suite géométrique de premier terme 1 et raison 3

La formule de la somme de \(n+1\) termes d'une suite géométrique \((q \neq 1)\) est : \[S_n = \sum_{k=0}^{n} 3^k = \frac{3^{n+1} - 1}{3 - 1} = \frac{3^{n+1} - 1}{2}\]

Comme la raison \(q = 3 > 1\), cette somme tend vers \(+\infty\) quand \(n \to +\infty\).

Avec la raison \(q = \frac{1}{3}\)

La somme \(S_n' = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \left(\frac{1}{3}\right)^k = \frac{1 - (1/3)^{n+1}}{1 - 1/3} = \frac{1 - (1/3)^{n+1}}{2/3} = \frac{3}{2}\left[1 - \left(\frac{1}{3}\right)^{n+1}\right]\)

Comme \(\left|\frac{1}{3}\right| < 1\), on a \(\left(\frac{1}{3}\right)^{n+1} \to 0\) quand \(n \to +\infty\), donc : \[\lim_{n \to +\infty} S_n' = \frac{3}{2}(1 - 0) = \frac{3}{2}\]

La somme \(S'_n\) se rapproche de \(\dfrac{3}{2}\) quand on ajoute de plus en plus de termes.

Probabilités — Loi binomiale

Exercice 1Niveau 1

\(X\) suit la loi binomiale \(\mathcal{B}(6\,;\,0{,}5)\). Calculer \(P(X = 3)\).

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Formule

\(P(X = k) = \dbinom{n}{k} p^k (1 - p)^{n - k}\).

\[P(X = 3) = \binom{6}{3} \times 0{,}5^3 \times 0{,}5^3 = 20 \times \dfrac{1}{64} = \dfrac{20}{64} = \mathbf{0{,}3125}\]

Exercice 2Niveau 2

Une pièce truquée tombe sur « pile » avec la probabilité \(0{,}6\). On la lance \(8\) fois et on note \(X\) le nombre de « pile ».

a) Justifier que \(X\) suit une loi binomiale et préciser ses paramètres.

b) Calculer \(P(X = 8)\) et \(P(X \geqslant 1)\), arrondis au dix-millième.

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a) On répète \(8\) fois, de façon identique et indépendante, une épreuve de Bernoulli de succès « pile » (\(p = 0{,}6\)). \(X\) compte les succès : \(X \sim \mathcal{B}(8\,;\,0{,}6)\).

b) \(P(X = 8) = 0{,}6^8 \approx \mathbf{0{,}0168}\).

« Au moins un pile » est le contraire de « aucun pile » : \(P(X \geqslant 1) = 1 - 0{,}4^8 \approx \mathbf{0{,}9993}\).

Exercice 3Niveau 2

\(15\,\%\) des clients d'un magasin paient par chèque. On observe \(200\) clients, dont les choix sont supposés indépendants. \(X\) est le nombre de clients payant par chèque.

Calculer \(E(X)\), \(V(X)\) et \(\sigma(X)\), puis interpréter \(E(X)\).

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\(X \sim \mathcal{B}(200\,;\,0{,}15)\). \[E(X) = np = \mathbf{30} \qquad V(X) = np(1 - p) = 30 \times 0{,}85 = \mathbf{25{,}5} \qquad \sigma(X) = \sqrt{25{,}5} \approx \mathbf{5{,}05}\]

💡 Sur un grand nombre de groupes de \(200\) clients, il y a en moyenne \(30\) paiements par chèque par groupe.

Exercice 4Niveau 3

Un joueur de fléchettes atteint le centre de la cible avec la probabilité \(0{,}2\) ; ses lancers sont indépendants. Combien de fléchettes doit-il lancer, au minimum, pour que la probabilité d'atteindre au moins une fois le centre dépasse \(0{,}99\) ?

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🎯 Avec \(n\) lancers, \(P(\text{au moins un succès}) = 1 - 0{,}8^n\).

\[1 - 0{,}8^n \geqslant 0{,}99 \iff 0{,}8^n \leqslant 0{,}01 \iff n \ln 0{,}8 \leqslant \ln 0{,}01 \iff n \geqslant \dfrac{\ln 0{,}01}{\ln 0{,}8} \approx 20{,}6\]

Attention

\(\ln 0{,}8 < 0\) : en divisant, le sens de l'inégalité change.

Il faut au moins \(21\) fléchettes.

🔍 \(1 - 0{,}8^{20} \approx 0{,}9885 < 0{,}99\) et \(1 - 0{,}8^{21} \approx 0{,}9908 \geqslant 0{,}99\) ✓

Exercice 5Niveau 3

On mise \(2\) € pour lancer trois fois un dé équilibré. On reçoit \(5\) € par \(6\) obtenu. On note \(X\) le nombre de \(6\) et \(G\) le gain algébrique du joueur (gains reçus moins la mise).

a) Donner la loi de \(X\).

b) Exprimer \(G\) en fonction de \(X\), puis calculer \(E(G)\). Le jeu est-il favorable au joueur ?

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a) \(X \sim \mathcal{B}\left(3\,;\,\dfrac{1}{6}\right)\) :

\(k\) \(0\) \(1\) \(2\) \(3\)
\(P(X = k)\) \(\dfrac{125}{216}\) \(\dfrac{75}{216}\) \(\dfrac{15}{216}\) \(\dfrac{1}{216}\)

🔍 \(125 + 75 + 15 + 1 = 216\) ✓

b) \(G = 5X - 2\). Par linéarité : \(E(G) = 5E(X) - 2 = 5 \times 3 \times \dfrac{1}{6} - 2 = 2{,}5 - 2 = \mathbf{0{,}5}\) €. \(E(G) > 0\) : le jeu est favorable au joueur (il gagne en moyenne \(0{,}50\) € par partie).

Combinatoire et Dénombrement

Exercice 1Niveau 1

Calculer :

a) \(5!\)

b) \(\dbinom{7}{2}\)

c) \(\dbinom{10}{4}\)

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Rappels :

  • \(n! = 1 \times 2 \times \cdots \times n\)
  • \(\dbinom{n}{k} = \dfrac{n!}{k!(n-k)!}\) (coefficient binomial)

Partie a) : \(5! = 1 \times 2 \times 3 \times 4 \times 5 = 120\)

Partie b) : \[\binom{7}{2} = \frac{7!}{2! \times 5!} = \frac{7 \times 6}{2 \times 1} = \frac{42}{2} = 21\]

Partie c) : \[\binom{10}{4} = \frac{10!}{4! \times 6!} = \frac{10 \times 9 \times 8 \times 7}{4 \times 3 \times 2 \times 1} = \frac{5040}{24} = 210\]

Exercice 2Niveau 2

Un groupe de 8 personnes doit former un comité de 3 membres. Combien de comités différents peut-on former ? Combien si deux personnes particulières (Alice et Bob) doivent impérativement en faire partie ?

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Nombre total de comités

Un comité est une sélection sans ordre de 3 personnes parmi 8 : \[\binom{8}{3} = \frac{8!}{3! \times 5!} = \frac{8 \times 7 \times 6}{6} = 56\]

Comités avec Alice et Bob obligatoirement

Si Alice et Bob sont déjà dans le comité, il faut choisir le 3ème membre parmi les 6 restants : \[\binom{6}{1} = 6\]

Il y a 6 comités contenant Alice et Bob.

Exercice 3Niveau 2

Développer \((1 + x)^4\) à l'aide du triangle de Pascal (ou de la formule du binôme de Newton).

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Formule du binôme de Newton : \[(a + b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{n-k} b^k\]

Avec \(a = 1\), \(b = x\), \(n = 4\) : \[(1 + x)^4 = \binom{4}{0} + \binom{4}{1}x + \binom{4}{2}x^2 + \binom{4}{3}x^3 + \binom{4}{4}x^4\]

Calcul des coefficients : \[\binom{4}{0} = 1,\quad \binom{4}{1} = 4,\quad \binom{4}{2} = 6,\quad \binom{4}{3} = 4,\quad \binom{4}{4} = 1\]

Résultat : \[(1 + x)^4 = 1 + 4x + 6x^2 + 4x^3 + x^4\]

Exercice 4Niveau 3

On dispose de 4 lettres différentes A, B, C, D. Combien de mots de 3 lettres différentes peut-on former ? Combien de permutations de toutes les 4 lettres existent ?

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Mots de 3 lettres différentes (arrangements)

Un mot est une sélection ordonnée (l'ordre importe : ABC ≠ BAC).

Le nombre d'arrangements de 3 éléments parmi 4 est : \[A_4^3 = \frac{4!}{(4-3)!} = \frac{4!}{1!} = 24\]

Interprétation : 4 choix pour la 1ère lettre, 3 pour la 2ème, 2 pour la 3ème → \(4 \times 3 \times 2 = 24\).

Permutations de 4 lettres

Une permutation utilise toutes les lettres dans un ordre quelconque : \[P_4 = 4! = 24\]

Il y a 24 permutations de 4 lettres distinctes.

Exercice 5Niveau 3

Un loto est organisé : on tire 6 numéros parmi 49 sans remise. Calculer le nombre de combinaisons gagnantes possibles. Si on achète 10 grilles, quelle est la probabilité de gagner le jackpot ?

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Étape 1 — Nombre de combinaisons

On choisit 6 numéros parmi 49, sans tenir compte de l'ordre : \[\binom{49}{6} = \frac{49!}{6! \times 43!} = \frac{49 \times 48 \times 47 \times 46 \times 45 \times 44}{720} = 13\,983\,816\]

Il y a 13 983 816 combinaisons possibles.

Étape 2 — Probabilité avec 1 grille \[P(\text{jackpot avec 1 grille}) = \frac{1}{13\,983\,816} \approx 7{,}15 \times 10^{-8}\]

Étape 3 — Probabilité avec 10 grilles

Les 10 grilles sont différentes, donc les événements sont disjoints (au plus une peut être gagnante) : \[P(\text{jackpot avec 10 grilles}) = \frac{10}{13\,983\,816} \approx 7{,}15 \times 10^{-7} \approx 0{,}000072\%\]

Même avec 10 grilles, la probabilité de gagner le jackpot est extrêmement faible (moins d'une chance sur un million).