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Évaluation de progression · Chapitre 1

Devoir sur 20 : Limites et continuité

Devoir d'une heure, sur 20 points, commun aux séries S1-S3 et S2-S4. Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (6 points)

  1. Calculer les limites suivantes. (4 points) a. lim⁡x→+∞5x3−x2x3+7\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{5x^3 - x}{2x^3 + 7} b. lim⁡x→−1x2−1x+1\displaystyle\lim_{x\to-1} \frac{x^2 - 1}{x + 1} c. lim⁡x→+∞(x2+4−x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \left(\sqrt{x^2+4} - x\right) d. lim⁡x→+∞3+cos⁡xx2\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \frac{3 + \cos x}{x^2}
  2. Soit u(x)=6x+12x−3u(x) = \dfrac{6x+1}{2x-3}. Calculer lim⁡x→+∞u(x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty} \sqrt{u(x)} en justifiant. (2 points)

Exercice 2 (14 points)

Soit ff la fonction définie sur I= ]−1;+∞[I = \,]-1;+\infty[ par f(x)=x2+2x+2x+1.f(x) = \frac{x^2+2x+2}{x+1}. On note C\mathcal{C} sa courbe dans un repère orthonormé.

  1. Vérifier que, pour tout x∈Ix \in I, f(x)=(x+1)+1x+1f(x) = (x+1) + \dfrac{1}{x+1}. (1 point)
  2. Calculer lim⁡x→−1+f(x)\displaystyle\lim_{x\to-1^+} f(x) et lim⁡x→+∞f(x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty} f(x). Interpréter graphiquement la première limite. (2 points)
  3. Montrer que la droite Δ:y=x+1\Delta : y = x + 1 est asymptote à C\mathcal{C} en +∞+\infty, puis étudier la position de C\mathcal{C} par rapport à Δ\Delta. (2 points)
  4. Montrer que f′(x)=x(x+2)(x+1)2f'(x) = \dfrac{x(x+2)}{(x+1)^2}, puis dresser le tableau de variation de ff sur II. (3 points)
  5. On note gg la restriction de ff à [0;+∞[[0;+\infty[. a. Montrer que gg réalise une bijection de [0;+∞[[0;+\infty[ sur un intervalle JJ à préciser. (2 points) b. Montrer que l'équation g(x)=3g(x) = 3 admet une unique solution α\alpha dans [0;+∞[[0;+\infty[, puis donner un encadrement de α\alpha d'amplitude 10−110^{-1}. (2 points) c. En posant t=x+1t = x + 1, résoudre l'équation g(x)=3g(x) = 3 et donner la valeur exacte de α\alpha. (2 points)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

1.a (1 pt) C'est le quotient des termes de plus haut degré : 5x32x3=52\frac{5x^3}{2x^3} = \frac52.

1.b (1 pt) x2−1=(x−1)(x+1)x^2 - 1 = (x-1)(x+1), donc pour x≠−1x \neq -1 l'expression vaut x−1x - 1, qui tend vers −2-2.

1.c (1 pt) On utilise l'expression conjuguée : x2+4−x=4x2+4+x.\sqrt{x^2+4} - x = \frac{4}{\sqrt{x^2+4}+x}. Le dénominateur tend vers +∞+\infty, donc la limite vaut 00.

1.d (1 pt) 2≤3+cos⁡x≤42 \leq 3 + \cos x \leq 4, donc 2x2≤3+cos⁡xx2≤4x2\frac{2}{x^2} \leq \frac{3+\cos x}{x^2} \leq \frac{4}{x^2}. Par le théorème des gendarmes, la limite vaut 00.

2. (2 pts)

  • (1 pt) u(x)u(x) tend vers 6x2x=3\frac{6x}{2x} = 3.
  • (1 pt) La racine carrée est continue en 33, donc u(x)→3\sqrt{u(x)} \to \sqrt3.

Exercice 2

1. (1 pt) On réduit au même dénominateur : (x+1)+1x+1=(x+1)2+1x+1=x2+2x+2x+1(x+1) + \frac{1}{x+1} = \frac{(x+1)^2+1}{x+1} = \frac{x^2+2x+2}{x+1}.

2. (2 pts)

  • (1 pt) Quand x→−1+x \to -1^+, x+1→0+x+1 \to 0^+, donc 1x+1→+∞\frac{1}{x+1} \to +\infty, et f(x)→+∞f(x) \to +\infty. La droite x=−1x = -1 est asymptote verticale.
  • (1 pt) En +∞+\infty, x+1→+∞x + 1 \to +\infty et 1x+1→0\frac{1}{x+1} \to 0, donc f(x)→+∞f(x) \to +\infty.

3. (2 pts)

  • (1 pt) f(x)−(x+1)=1x+1→0f(x) - (x+1) = \frac{1}{x+1} \to 0 en +∞+\infty : Δ\Delta est asymptote oblique.
  • (1 pt) Sur II, 1x+1>0\frac{1}{x+1} > 0 : C\mathcal{C} est au-dessus de Δ\Delta.

4. (3 pts)

  • (1,5 pt) La dérivée : f′(x)=1−1(x+1)2=(x+1)2−1(x+1)2=x2+2x(x+1)2=x(x+2)(x+1)2f'(x) = 1 - \frac{1}{(x+1)^2} = \frac{(x+1)^2 - 1}{(x+1)^2} = \frac{x^2+2x}{(x+1)^2} = \frac{x(x+2)}{(x+1)^2}.
  • (0,5 pt) Le signe : sur II, x+2>0x + 2 > 0 et (x+1)2>0(x+1)^2 > 0, donc f′(x)f'(x) a le signe de xx.
  • (1 pt) Le tableau : ff est décroissante sur ]−1;0]]-1;0] et croissante sur [0;+∞[[0;+\infty[, avec un minimum f(0)=2f(0) = 2. On reporte les limites +∞+\infty aux deux bornes.

5.a (2 pts)

  • (1 pt) gg est continue, car rationnelle, et strictement croissante sur [0;+∞[[0;+\infty[, car f′(x)>0f'(x) > 0 pour x>0x > 0.
  • (1 pt) g(0)=2g(0) = 2 et lim⁡+∞g=+∞\displaystyle\lim_{+\infty} g = +\infty, donc gg est une bijection de [0;+∞[[0;+\infty[ sur J=[2;+∞[J = [2;+\infty[.

5.b (2 pts)

  • (1 pt) 3∈J3 \in J et gg est une bijection, donc l'équation g(x)=3g(x) = 3 a une unique solution α\alpha.
  • (1 pt) À la calculatrice, g(1,6)≈2,985<3g(1{,}6) \approx 2{,}985 < 3 et g(1,7)≈3,070>3g(1{,}7) \approx 3{,}070 > 3. Comme gg est croissante, 1,6<α<1,71{,}6 < \alpha < 1{,}7.

5.c (2 pts)

  • (1 pt) Avec t=x+1t = x + 1, où t≥1t \geq 1, l'équation devient t+1t=3t + \frac1t = 3, soit t2−3t+1=0t^2 - 3t + 1 = 0. Son discriminant vaut Δ=5\Delta = 5, et ses racines sont t=3±52t = \frac{3 \pm \sqrt5}{2}.
  • (1 pt) La racine 3−52≈0,38\frac{3-\sqrt5}{2} \approx 0{,}38 est inférieure à 11, elle est donc exclue. Il reste t=3+52t = \frac{3+\sqrt5}{2}, d'où α=t−1=1+52≈1,618\alpha = t - 1 = \frac{1+\sqrt5}{2} \approx 1{,}618. C'est cohérent avec l'encadrement de la question 5.b.

Pour la culture : 1+52\frac{1+\sqrt5}{2} est le nombre d'or.

Compétences évaluées
Question Compétence (objectif de la fiche du chapitre)
Ex. 1, 1.a à 1.c O1 Lever une indétermination
Ex. 1, 1.d O2 Théorèmes de comparaison
Ex. 1, 2 O6 Limite d'une composée
Ex. 2, 2 et 3 O3 Asymptotes et position
Ex. 2, 5.a O11 et O12 Bijection
Ex. 2, 5.b O10 Théorème des valeurs intermédiaires et encadrement
Ex. 2, 5.c O13 Résolution de g(x)=kg(x) = k, lien avec l'expression de la réciproque
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