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Évaluation de progression · Chapitre 4

Devoir sur 20 : Limites de fonctions

Devoir d'une heure, noté sur 20 points. Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (6 points)

Déterminer chaque limite, en justifiant. (1 point par question)

  1. lim⁡x→+∞4x3−2x+71−2x3\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{4x^3 - 2x + 7}{1 - 2x^3}
  2. lim⁡x→2+x+12−x\displaystyle\lim_{x\to2^+} \frac{x + 1}{2 - x}
  3. lim⁡x→+∞e2xx+1\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \mathrm{e}^{\frac{2x}{x+1}}
  4. lim⁡x→+∞3−cos⁡xx\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{3 - \cos x}{x}
  5. lim⁡x→+∞x3 e−x\displaystyle\lim_{x\to+\infty} x^3\,\mathrm{e}^{-x}
  6. lim⁡x→+∞(e2x−x ex)\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \left(\mathrm{e}^{2x} - x\,\mathrm{e}^x\right)

Exercice 2 (5 points)

Cet exercice reprend la démonstration du cours sur la croissance comparée.

  1. Démontrer que, pour tout réel xx, ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1. (1,5 point)
  2. Soit hh la fonction définie sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ par h(x)=ex−x22h(x) = \mathrm{e}^x - \dfrac{x^2}{2}. Étudier le sens de variation de hh, puis en déduire que, pour tout x≥0x \geq 0, ex>x22\mathrm{e}^x > \dfrac{x^2}{2}. (1,5 point)
  3. En déduire lim⁡x→+∞exx\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{\mathrm{e}^x}{x}. (1 point)
  4. En déduire lim⁡x→+∞x e−x\displaystyle\lim_{x\to+\infty} x\,\mathrm{e}^{-x}. (1 point)

Exercice 3 (9 points)

Dans un laboratoire, on cultive des levures de boulangerie dans un milieu nutritif. Le nombre de cellules, en millions, au bout de tt heures est modélisé par N(t)=121+3 e−0,5t,t≥0.N(t) = \frac{12}{1 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}}, \qquad t \geq 0.

  1. Calculer N(0)N(0), puis une valeur approchée au centième de N(4)N(4). (1 point)
  2. Déterminer lim⁡t→+∞N(t)\displaystyle\lim_{t\to+\infty} N(t). Interpréter ce résultat et en donner une traduction graphique. (2 points)
  3. Montrer que, pour tout t≥0t \geq 0, N(t)<12N(t) < 12. (1 point)
  4. Montrer que, pour tout t≥0t \geq 0, N′(t)=18 e−0,5t(1+3 e−0,5t)2N'(t) = \dfrac{18\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}}{\left(1 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}\right)^2}, puis en déduire le sens de variation de NN. (2 points)
  5. À l'aide d'un tableau de valeurs, déterminer au bout de combien d'heures entières la culture dépasse 1111 millions de cellules. Justifier. (1,5 point)
  6. On considère la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=121+3 e−0,5xg(x) = \dfrac{12}{1 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5x}}. Déterminer la limite de gg en −∞-\infty. Quelles sont les asymptotes horizontales à la courbe de gg ? (1,5 point)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

1. (1 pt) Forme ∞∞\frac{\infty}{\infty}. Pour x≠0x \neq 0 : 4x3−2x+71−2x3=4−2x2+7x31x3−2→4−2\dfrac{4x^3 - 2x + 7}{1 - 2x^3} = \dfrac{4 - \frac{2}{x^2} + \frac{7}{x^3}}{\frac{1}{x^3} - 2} \to \dfrac{4}{-2}. La limite vaut −2-2.

2. (1 pt) x+1→3x + 1 \to 3 et 2−x→02 - x \to 0 ; pour x>2x > 2, 2−x<02 - x < 0. Forme 30−\frac{3}{0^-} : la limite vaut −∞-\infty.

3. (1 pt) X=2xx+1=21+1x→2X = \dfrac{2x}{x + 1} = \dfrac{2}{1 + \frac1x} \to 2, et eX→e2\mathrm{e}^X \to \mathrm{e}^2 quand X→2X \to 2. La limite vaut e2\mathrm{e}^2.

4. (1 pt) −1≤cos⁡x≤1-1 \leq \cos x \leq 1, donc 2≤3−cos⁡x≤42 \leq 3 - \cos x \leq 4 et, pour x>0x > 0, 2x≤3−cos⁡xx≤4x\dfrac2x \leq \dfrac{3 - \cos x}{x} \leq \dfrac4x. Les bornes tendent vers 00 : théorème des gendarmes, la limite vaut 00.

5. (1 pt) x3 e−x=x3ex→0x^3\,\mathrm{e}^{-x} = \dfrac{x^3}{\mathrm{e}^x} \to 0 par croissance comparée. La limite vaut 00.

6. (1 pt) Forme ∞−∞\infty - \infty. On factorise par le terme prépondérant e2x\mathrm{e}^{2x} : e2x−x ex=e2x(1−x e−x)\mathrm{e}^{2x} - x\,\mathrm{e}^x = \mathrm{e}^{2x}\left(1 - x\,\mathrm{e}^{-x}\right). Par croissance comparée, x e−x→0x\,\mathrm{e}^{-x} \to 0, la parenthèse tend vers 11 et e2x→+∞\mathrm{e}^{2x} \to +\infty. La limite vaut +∞+\infty.

Exercice 2

1. (1,5 pt)

  • (0,5 pt) g(x)=ex−x−1g(x) = \mathrm{e}^x - x - 1, g′(x)=ex−1g'(x) = \mathrm{e}^x - 1.
  • (0,5 pt) g′(x)<0g'(x) < 0 si x<0x < 0, g′(x)>0g'(x) > 0 si x>0x > 0 : gg est décroissante puis croissante.
  • (0,5 pt) Le minimum est g(0)=0g(0) = 0, donc g(x)≥0g(x) \geq 0, soit ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1.

2. (1,5 pt)

  • (0,5 pt) h′(x)=ex−xh'(x) = \mathrm{e}^x - x.
  • (0,5 pt) D'après la question 1, ex≥x+1>x\mathrm{e}^x \geq x + 1 > x, donc h′(x)>0h'(x) > 0 : hh est strictement croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.
  • (0,5 pt) Pour x≥0x \geq 0, h(x)≥h(0)=1>0h(x) \geq h(0) = 1 > 0, donc ex>x22\mathrm{e}^x > \dfrac{x^2}{2}.

3. (1 pt) Pour x>0x > 0 : exx>x2\dfrac{\mathrm{e}^x}{x} > \dfrac{x}{2}, et x2→+∞\dfrac{x}{2} \to +\infty. Par comparaison, lim⁡x→+∞exx=+∞\lim\limits_{x\to+\infty} \dfrac{\mathrm{e}^x}{x} = +\infty.

4. (1 pt) x e−x=xex=1  exx  x\,\mathrm{e}^{-x} = \dfrac{x}{\mathrm{e}^x} = \dfrac{1}{\;\frac{\mathrm{e}^x}{x}\;}, quotient de 11 par une quantité qui tend vers +∞+\infty : lim⁡x→+∞x e−x=0\lim\limits_{x\to+\infty} x\,\mathrm{e}^{-x} = 0.

Exercice 3

1. (1 pt) N(0)=121+3=3N(0) = \dfrac{12}{1 + 3} = 3 millions ;   N(4)=121+3 e−2≈8,53\;N(4) = \dfrac{12}{1 + 3\,\mathrm{e}^{-2}} \approx 8{,}53 millions.

2. (2 pts)

  • (1 pt) Quand t→+∞t \to +\infty, −0,5t→−∞-0{,}5t \to -\infty, donc e−0,5t→0\mathrm{e}^{-0{,}5t} \to 0 (composition), 1+3 e−0,5t→11 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5t} \to 1, et lim⁡t→+∞N(t)=12\lim\limits_{t\to+\infty} N(t) = 12.
  • (0,5 pt) À long terme, la culture se stabilise vers 1212 millions de cellules.
  • (0,5 pt) La droite d'équation y=12y = 12 est asymptote horizontale à la courbe de NN en +∞+\infty.

3. (1 pt) 3 e−0,5t>03\,\mathrm{e}^{-0{,}5t} > 0, donc 1+3 e−0,5t>11 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5t} > 1 et N(t)=121+3 e−0,5t<12N(t) = \dfrac{12}{1 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}} < 12. (La courbe est au-dessous de son asymptote.)

4. (2 pts)

  • (1 pt) N=12vN = \dfrac{12}{v} avec v(t)=1+3 e−0,5tv(t) = 1 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5t} et v′(t)=−1,5 e−0,5tv'(t) = -1{,}5\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}. Donc N′(t)=−12 v′(t)v(t)2=18 e−0,5t(1+3 e−0,5t)2N'(t) = -\dfrac{12\,v'(t)}{v(t)^2} = \dfrac{18\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}}{\left(1 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5t}\right)^2}.
  • (1 pt) N′(t)>0N'(t) > 0 : NN est strictement croissante sur [0 ;+∞[[0\,;+\infty[.

5. (1,5 pt)

  • (1 pt) N(6)=121+3 e−3≈10,44<11N(6) = \dfrac{12}{1 + 3\,\mathrm{e}^{-3}} \approx 10{,}44 < 11 et N(7)=121+3 e−3,5≈11,003>11N(7) = \dfrac{12}{1 + 3\,\mathrm{e}^{-3{,}5}} \approx 11{,}003 > 11.
  • (0,5 pt) NN est croissante : la culture dépasse 1111 millions de cellules au bout de 77 heures.

6. (1,5 pt)

  • (1 pt) Quand x→−∞x \to -\infty, −0,5x→+∞-0{,}5x \to +\infty, donc e−0,5x→+∞\mathrm{e}^{-0{,}5x} \to +\infty et 1+3 e−0,5x→+∞1 + 3\,\mathrm{e}^{-0{,}5x} \to +\infty. Par quotient, lim⁡x→−∞g(x)=0\lim\limits_{x\to-\infty} g(x) = 0.
  • (0,5 pt) Asymptotes horizontales : y=0y = 0 en −∞-\infty et y=12y = 12 en +∞+\infty.
Compétences évaluées
Question Compétence (objectif de la fiche du chapitre)
Ex. 1, questions 1 et 2 O6 Opérations, terme prépondérant, dénominateur qui tend vers 00
Ex. 1, question 3 O7 Composition des limites
Ex. 1, question 4 O8 Comparaison, théorème des gendarmes
Ex. 1, questions 5 et 6 O10 Croissance comparée
Ex. 2 O9 Inégalité ex≥x+1\mathrm{e}^x \geq x + 1 ; O10 Démonstration de la croissance comparée
Ex. 3, questions 1 à 3 O7 Composition ; O2 Asymptote horizontale et position
Ex. 3, question 4 Dérivation (Première)
Ex. 3, questions 5 et 6 Seuil (chapitre 2) ; O5 Limites de l'exponentielle ; O2
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