الامتحان الوطني الموحد للبكالوريا - الدورة الإستدراكية 2026

Problème (11 points):

Partie I:

On considère la fonction numérique gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=e2x−1g(x)=e^{2x}-1.

1.a. Résoudre dans R\mathbb{R}, l'équation g(x)=0g(x)=0.

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Soit x∈Rx \in \mathbb{R},

g(x)=0  ⟺  e2x−1=0  ⟺  e2x=1  ⟺  2x=0  ⟺  x=0\begin{aligned} g(x) = 0 &\iff e^{2x} - 1 = 0 \\ &\iff e^{2x} = 1 \\ &\iff 2x = 0 \\ &\iff x = 0 \end{aligned}

L'ensemble des solutions est donc S={0}S = \{0\}.

1.b. Vérifier que g(x)<0g(x)<0 sur ]−∞,0[]-\infty, 0[ et que g(x)>0g(x)>0 sur ]0,+∞[]0,+\infty[.

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  • Sur ]−∞,0[]-\infty, 0[ : Soit x<0x < 0. On a : 2x<02x< 0

    et comme la fonction x↦exx\mapsto e^x est croissante alors

    2x<0  ⟹  e2x<e0  ⟹  e2x<1  ⟹  e2x−1<0  ⟹  g(x)<0\begin{align*} 2x < 0 &\implies e^{2x} < e^0 \\ &\implies e^{2x} < 1 \\ &\implies e^{2x} - 1 < 0 \\ & \implies g(x) < 0 \end{align*}

    Donc : ∀x∈]−∞,0[\forall x \in ]-\infty, 0[,  g(x)<0~g(x) < 0.

  • Sur ]0,+∞[]0, +\infty[ : Soit x>0x > 0. On a : 2x>02x > 0

    et comme la fonction x↦exx\mapsto e^x est croissante alors

    2x>0  ⟹  e2x>e0  ⟹  e2x>1  ⟹  g(x)>0\begin{align*} 2x > 0 &\implies e^{2x} > e^0 \\ &\implies e^{2x} > 1 \\ & \implies g(x) > 0 \end{align*}

    Donc : ∀x∈]0,+∞[\forall x \in ]0, +\infty[,  g(x)>0~ g(x) > 0.

2. Montrer que ∫−ln⁡2ln⁡2∣g(x)∣dx=98\displaystyle \int_{-\ln 2}^{\ln 2}|g(x)|dx=\frac{9}{8}.

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D'après la question 1.b, g(x)≤0g(x) \le 0 sur [−ln⁡2,0][-\ln 2, 0] et g(x)≥0g(x) \ge 0 sur [0,ln⁡2][0, \ln 2].

En utilisant la relation de Chasles, on obtient :

∫−ln⁡2ln⁡2∣g(x)∣dx=∫−ln⁡20−g(x)dx+∫0ln⁡2g(x)dx=∫−ln⁡20(1−e2x)dx+∫0ln⁡2(e2x−1)dx \begin{aligned} \int_{-\ln 2}^{\ln 2}|g(x)|dx &= \int_{-\ln 2}^{0} -g(x)dx + \int_{0}^{\ln 2} g(x)dx \\ &= \int_{-\ln 2}^{0} (1 - e^{2x})dx + \int_{0}^{\ln 2} (e^{2x} - 1)dx \end{aligned}

Une primitive de x↦e2xx \mapsto e^{2x} est x↦12e2xx \mapsto \frac{1}{2}e^{2x}.

∫−ln⁡2ln⁡2∣g(x)∣dx=[x−12e2x]−ln⁡20+[12e2x−x]0ln⁡2=((0−12e0)−(−ln⁡2−12e−2ln⁡2))+((12e2ln⁡2−ln⁡2)−(12e0−0))\begin{aligned} \int_{-\ln 2}^{\ln 2}|g(x)|dx &= \left[x - \frac{1}{2}e^{2x}\right]_{-\ln 2}^{0} + \left[\frac{1}{2}e^{2x} - x\right]_{0}^{\ln 2} \\ &= \left( (0 - \frac{1}{2}e^0) - (-\ln 2 - \frac{1}{2}e^{-2\ln 2}) \right) + \left( (\frac{1}{2}e^{2\ln 2} - \ln 2) - (\frac{1}{2}e^0 - 0) \right) \end{aligned}

On simplifie les exponentielles : e−2ln⁡2=eln⁡(2−2)=14e^{-2\ln 2} = e^{\ln(2^{-2})} = \frac{1}{4} et e2ln⁡2=eln⁡(22)=4e^{2\ln 2} = e^{\ln(2^2)} = 4.

∫−ln⁡2ln⁡2∣g(x)∣dx=(−12+ln⁡2+12×14)+(12×4−ln⁡2−12)=(ln⁡2−12+18)+(2−ln⁡2−12)=ln⁡2−38+32−ln⁡2=128−38=98\begin{aligned} \int_{-\ln 2}^{\ln 2}|g(x)|dx &= \left( -\frac{1}{2} + \ln 2 + \frac{1}{2} \times \frac{1}{4} \right) + \left( \frac{1}{2} \times 4 - \ln 2 - \frac{1}{2} \right) \\ &= \left( \ln 2 - \frac{1}{2} + \frac{1}{8} \right) + \left( 2 - \ln 2 - \frac{1}{2} \right) \\ &= \ln 2 - \frac{3}{8} + \frac{3}{2} - \ln 2 \\ &= \frac{12}{8} - \frac{3}{8} = \frac{9}{8} \end{aligned}

Partie II:

On considère la fonction numérique définie par f(x)=x−ln⁡2+ln⁡(1+e−2x)f(x)=x-\ln 2+\ln(1+e^{-2x}). Soit (Cf)(\mathcal{C}_{f}) sa courbe représentative dans un repère orthonormé (O,i⃗,j⃗)(O, \vec{i}, \vec{j}).

1. Vérifier que la fonction ff est définie sur R\mathbb{R}.

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Soit x∈Rx\in\R

x∈Df  ⟺  1+e−2x>0x\in D_f \iff 1+e^{-2x} > 0

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, on sait que e−2x>0e^{-2x} > 0, donc :

1+e−2x>1>0 1 + e^{-2x} > 1 > 0

Puisque la condition 1+e−2x>01 + e^{-2x} > 0 est toujours vérifiée, le domaine de définition est Df=RD_f = \mathbb{R}.

2.a. Montrer que ff est une fonction paire.

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  • R\R est centré en 00 (c'est à dire : ∀x∈R : −x∈R\forall x\in\R~:~-x\in\R)

  • Calculons f(−x)f(-x) :

    f(−x)=−x−ln⁡2+ln⁡(1+e−2(−x))=−x−ln⁡2+ln⁡(1+e2x)\begin{aligned} f(-x) &= -x - \ln 2 + \ln(1 + e^{-2(-x)}) \\ &= -x - \ln 2 + \ln(1 + e^{2x}) \end{aligned}

    Factorisons par e2xe^{2x} à l'intérieur du logarithme :

    f(−x)=−x−ln⁡2+ln⁡(e2x(e−2x+1))=−x−ln⁡2+ln⁡(e2x)+ln⁡(1+e−2x)=−x−ln⁡2+2x+ln⁡(1+e−2x)=x−ln⁡2+ln⁡(1+e−2x)=f(x)\begin{aligned} f(-x) &= -x - \ln 2 + \ln(e^{2x}(e^{-2x} + 1)) \\ &= -x - \ln 2 + \ln(e^{2x}) + \ln(1 + e^{-2x}) \\ &= -x - \ln 2 + 2x + \ln(1 + e^{-2x}) \\ &= x - \ln 2 + \ln(1 + e^{-2x}) \\ &= f(x) \end{aligned}

    Puisque f(−x)=f(x)f(-x) = f(x) pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, la fonction ff est paire.

2.b. Vérifier que lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\rightarrow+\infty}f(x)=+\infty et déduire lim⁡x→−∞f(x)\lim\limits_{x\rightarrow-\infty}f(x).

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  • Au voisinage de +∞+\infty :

    lim⁡x→+∞e−2x=lim⁡x→+∞(e−x)2=02=0\lim\limits_{x\to+\infty} e^{-2x} =\lim\limits_{x\to+\infty} (e^{-x})^2 =0^2=0

    donc

    lim⁡x→+∞ln⁡(1+e−2x)=ln⁡(1)=0\lim\limits_{x\to+\infty} \ln(1 + e^{-2x}) = \ln(1) = 0

    De plus, lim⁡x→+∞(x−ln⁡2)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty} (x - \ln 2) = +\infty.

    et donc :

    lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) = +\infty
  • Au voisinage de −∞-\infty :

on pose t=−xt=-x donc x=−tx=-t et comme ff est paire alors f(−t)=f(t)f(-t)=f(t)

et on a :

x→−∞  ⟺  t→+∞x\to-\infty \iff t\to +\infty

lim⁡x→−∞f(x)=lim⁡t→+∞f(−t)=lim⁡t→+∞f(t)=+∞\lim\limits_{x\to-\infty} f(x) = \lim\limits_{t\to+\infty} f(-t)=\lim\limits_{t\to+\infty} f(t)=+\infty

3.a. Montrer que la droite (Δ)(\Delta) d'équation y=x−ln⁡2y=x-\ln 2 est une asymptote oblique à (Cf)(\mathcal{C}_{f}) au voisinage de +∞+\infty.

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lim⁡x→+∞f(x)−yΔ=lim⁡x→+∞(f(x)−(x−ln⁡2))=lim⁡x→+∞ln⁡(1+e−2x) \begin{aligned} \lim\limits_{x\to+\infty}f(x)-y_\Delta &=\lim\limits_{x\to+\infty} (f(x) - (x - \ln 2))\\ &= \lim\limits_{x\to+\infty} \ln(1 + e^{-2x}) \end{aligned}

Comme vu précédemment, lim⁡x→+∞e−2x=0\lim\limits_{x\to+\infty} e^{-2x} = 0, donc lim⁡x→+∞ln⁡(1+e−2x)=0\lim\limits_{x\to+\infty} \ln(1 + e^{-2x}) = 0.

lim⁡x→+∞(f(x)−(x−ln⁡2))=0\lim\limits_{x\to+\infty} (f(x) - (x - \ln 2)) = 0

Alors la droite (Δ)(\Delta) d'équation y=x−ln⁡2y = x - \ln 2 est une asymptote oblique à (Cf)(\mathcal{C}_{f}) en +∞+\infty.

3.b. Déduire que la droite (Δ′)(\Delta^{\prime}) d'équation y=−x−ln⁡2y=-x-\ln 2 est une asymptote oblique à (Cf)(\mathcal{C}_{f}) au voisinage de −∞-\infty.

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lim⁡x→−∞f(x)−yΔ′=lim⁡x→−∞(f(x)−(−x−ln⁡2)) \begin{aligned} \lim\limits_{x\to-\infty}f(x)-y_{\Delta'} =\lim\limits_{x\to-\infty} (f(x) - (-x - \ln 2)) \end{aligned}

on pose t=−xt=-x donc x=−tx=-t et on a f(−t)=f(t)f(-t)=f(t) (car ff est paire)

lim⁡x→−∞f(x)−yΔ′=lim⁡t→+∞(f(−t)−(t−ln⁡2))=lim⁡t→+∞(f(t)−(t−ln⁡2))=0 \begin{aligned} \lim\limits_{x\to-\infty}f(x)-y_{\Delta'} &=\lim\limits_{t\to+\infty} (f(-t) - (t - \ln 2)) \\ &=\lim\limits_{t\to+\infty} (f(t) - (t - \ln 2))=0 \end{aligned}

Alors la droite (Δ′)(\Delta') d'équation y=−x−ln⁡2y = -x - \ln 2 est une asymptote de (Cf)(C_f) au voisinage de −∞-\infty.

4.a. Montrer que pour tout xx de R\mathbb{R}, f′(x)=g(x)1+e2x\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{g(x)}{1+e^{2x}}.

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  • La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} par somme produit et composée;

  • Soit x∈Rx \in \mathbb{R} :

    f′(x)=(x−ln⁡2)′+(ln⁡(1+e−2x))′=1+(1+e−2x)′1+e−2x=1+−2e−2x1+e−2x\begin{aligned} f^{\prime}(x) &= (x - \ln 2)' + (\ln(1 + e^{-2x}))' \\ &= 1 + \frac{(1 + e^{-2x})'}{1 + e^{-2x}} \\ &= 1 + \frac{-2e^{-2x}}{1 + e^{-2x}} \end{aligned}

    Multiplions le numérateur et le dénominateur de la fraction par e2xe^{2x} donc:

    f′(x)=1−2e2x+1=e2x+1−2e2x+1=e2x−1e2x+1=g(x)1+e2x\begin{aligned} f^{\prime}(x) &= 1 - \frac{2}{e^{2x} + 1} \\ &= \frac{e^{2x} + 1 - 2}{e^{2x} + 1} \\ &= \frac{e^{2x} - 1}{e^{2x} + 1} \\ &=\frac{g(x)}{1 + e^{2x}} \end{aligned}

4.b. Déduire que ff est strictement croissante sur l'intervalle [0,+∞[[0,+\infty[ et strictement décroissante sur l'intervalle ]−∞,0]]-\infty,0].

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Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, 1+e2x>01 + e^{2x} > 0. Le signe de f′(x)f^{\prime}(x) est celui de g(x)g(x). D'après la question 1.b de la Partie I :

  • Sur ]0,+∞[]0, +\infty[, g(x)>0  ⟹  f′(x)>0g(x) > 0 \implies f^{\prime}(x) > 0. Donc ff est strictement croissante sur [0,+∞[[0, +\infty[.

  • Sur ]−∞,0[]-\infty, 0[, g(x)<0  ⟹  f′(x)<0g(x) < 0 \implies f^{\prime}(x) < 0. Donc ff est strictement décroissante sur ]−∞,0]]-\infty, 0].

(Note : f′(0)=0f'(0) = 0, donc la monotonie stricte s'étend aux intervalles fermés).

5.a. Résoudre dans R\mathbb{R}, l'équation f(x)=xf(x)=x.

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Soit x∈Rx \in \mathbb{R}.

f(x)=x  ⟺  x−ln⁡2+ln⁡(1+e−2x)=x  ⟺  ln⁡(1+e−2x)=ln⁡2  ⟺  1+e−2x=2  ⟺  e−2x=1  ⟺  −2x=0  ⟺  x=0\begin{aligned} f(x) = x &\iff x - \ln 2 + \ln(1 + e^{-2x}) = x \\ &\iff \ln(1 + e^{-2x}) = \ln 2 \\ &\iff 1 + e^{-2x} = 2 \\ &\iff e^{-2x} = 1 \\ &\iff -2x = 0 \\ &\iff x = 0 \end{aligned}

L'unique solution de l'équation est 00. S={0}S = \{0\}.

5.b. Montrer pour tout xx de [0,+∞[:f(x)≤x[0,+\infty[ : f(x)\le x.

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Soit x∈[0,+∞[x \in [0, +\infty[. On a :

x≥0  ⟹  −2x≤0  ⟹  e−2x≤e0  ⟹  e−2x≤1\begin{aligned} x \ge 0 &\implies -2x \le 0 \\ & \implies e^{-2x} \le e^0 \\ & \implies e^{-2x} \le 1 \end{aligned}

En ajoutant 1 à chaque membre :

1+e−2x≤21 + e^{-2x} \le 2

Comme la fonction ln⁡\ln est strictement croissante :

ln⁡(1+e−2x)≤ln⁡2\ln(1 + e^{-2x}) \le \ln 2 ln⁡(1+e−2x)−ln⁡2≤0\ln(1 + e^{-2x}) - \ln 2 \le 0

En ajoutant xx à chaque membre :

x−ln⁡2+ln⁡(1+e−2x)≤xx - \ln 2 + \ln(1 + e^{-2x}) \le x

Alors :

∀x∈[0,+∞[ : f(x)≤x\forall x\in [0, +\infty[~:~f(x) \le x

5.c. Etudier la position de la courbe (Cf)(\mathcal{C}_{f}) et la droite (Δ)(\Delta) sur l'intervalle [0,+∞[[0,+\infty[.

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Soit x∈[0,+∞[x \in [0, +\infty[

Étudions le signe de f(x)−yΔf(x) - y_\Delta :

f(x)−(x−ln⁡2)=ln⁡(1+e−2x)f(x) - (x - \ln 2) = \ln(1 + e^{-2x})

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, e−2x>0  ⟹  1+e−2x>1e^{-2x} > 0 \implies 1 + e^{-2x} > 1.

Puisque ln⁡(t)>0\ln(t) > 0 pour t>1t > 1, on a :

ln⁡(1+e−2x)>0\ln(1 + e^{-2x}) > 0

(on a remplacé tt par 1+e−2x1 + e^{-2x} )

Ainsi, f(x)−yΔ>0f(x) - y_\Delta > 0 sur [0,+∞[[0, +\infty[.

Conclusion : La courbe (Cf)(\mathcal{C}_{f}) est au-dessus de l'asymptote (Δ)(\Delta) sur [0,+∞[[0, +\infty[.

5.d. Déduire que pour tout xx de [0,+∞[[0,+\infty[ : 0≤f(x)−(x−ln⁡2)≤ln⁡20\le f(x)-(x-\ln 2)\le \ln 2.

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D'après la question 5.c, on a :

pour tout x∈[0,+∞[x \in [0, +\infty[ : f(x)−(x−ln⁡2)>0f(x) - (x - \ln 2) > 0

D'autre part, on a vu dans la question 5.b que pour tout x≥0x \ge 0, ln⁡(1+e−2x)≤ln⁡2\ln(1 + e^{-2x}) \le \ln 2.

Or f(x)−(x−ln⁡2)=ln⁡(1+e−2x)f(x) - (x - \ln 2) = \ln(1 + e^{-2x}).

On déduit que pour tout xx de [0,+∞[[0,+\infty[

0≤f(x)−(x−ln⁡2)≤ln⁡20 \le f(x) - (x - \ln 2) \le \ln 2

6. Le graphique ci-dessous représente la courbe (Cf)(\mathcal{C}_{f}) de la fonction f sur [0,+∞[[0,+\infty[ dans le repère (O,i⃗,j⃗)(O,\vec{i},\vec{j}).

0−2.5−2−1.5−1−0.50.511.522.5−1−0.50.511.522.5(Cf)(Δ):y=x−ln2

6.a. Reproduire le graphique ci-dessus puis tracer dans le même repère, la droite (Δ′)(\Delta^{\prime}) et compléter la courbe (Cf)(\mathcal{C}_{f}) de la fonction ff sur l'intervalle ]−∞,0]]-\infty,0].

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Méthode de construction :

  1. La fonction ff est paire (question 2.a), la courbe entière (Cf)(\mathcal{C}_{f}) s'obtient donc en traçant le symétrique de la partie donnée par rapport à l'axe des ordonnées.
  2. La droite (Δ′)(\Delta') d'équation y=−x−ln⁡2y = -x - \ln 2 est le symétrique de l'asymptote (Δ)(\Delta) par rapport à l'axe des ordonnées.
  3. L'origine de la courbe symétrisée commence au minimum (0,0)(0, 0) (tangente horizontale commune f′(0)=0f'(0)=0).
0−2.5−2−1.5−1−0.50.511.522.5−1−0.50.511.522.5(Cf)(Δ):y=x−ln2(Δʹ):y=−x−ln2

6.b. Soit A\mathcal{A}, en unité d'aire, l'aire de la partie du plan délimitée par (Cf)(\mathcal{C}_{f}), la droite (Δ)(\Delta), et les droites d'équations x=0x=0 et x=1x=1. Montrer que 0≤A≤ln⁡20\le \mathcal{A} \le \ln 2.

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L'aire demandée A\mathcal{A} est donnée par l'intégrale :

A=∫01∣f(x)−yΔ∣dx\mathcal{A} = \int_{0}^{1} |f(x) - y_\Delta| dx

Sur [0,1][0, 1], la courbe est au-dessus de (Δ)(\Delta)

Donc ∣f(x)−yΔ∣=f(x)−(x−ln⁡2)|f(x) - y_\Delta| = f(x) - (x - \ln 2).

A=∫01(f(x)−(x−ln⁡2))dx\mathcal{A} = \int_{0}^{1} (f(x) - (x - \ln 2)) dx

D'après la question 5.d, on a pour tout x∈[0,1]x \in [0, 1] :

0≤f(x)−(x−ln⁡2)≤ln⁡20 \le f(x) - (x - \ln 2) \le \ln 2

En intégrant cette inégalité sur l'intervalle [0,1][0, 1] (les bornes sont dans le sens croissant), on obtient :

∫010dx≤∫01(f(x)−(x−ln⁡2))dx≤∫01ln⁡2dx\int_{0}^{1} 0 dx \le \int_{0}^{1} (f(x) - (x - \ln 2)) dx \le \int_{0}^{1} \ln 2 dx 0≤A≤[xln⁡2]010 \le \mathcal{A} \le \Big[ x \ln 2 \Big]_0^1 0≤A≤ln⁡20 \le \mathcal{A} \le \ln 2

7.a. Montrer que φ\varphi admet une fonction réciproque φ−1\varphi^{-1} définie sur un intervalle JJ que l'on déterminera.

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La fonction φ\varphi (restriction de ff à [0,+∞[[0, +\infty[) est :

  • Continue sur [0,+∞[[0, +\infty[ (car ff est dérivable sur R\mathbb{R}).
  • Strictement croissante sur [0,+∞[[0, +\infty[ (d'après la question 4.b).

Par conséquent, φ\varphi admet une fonction réciproque φ−1\varphi^{-1} définie sur l'intervalle image J=φ([0,+∞[)J = \varphi([0, +\infty[).

J=[φ(0),lim⁡x→+∞φ(x)[J = [\varphi(0), \lim\limits_{x\to+\infty} \varphi(x)[

On a φ(0)=f(0)=0\varphi(0) = f(0) = 0 et lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim\limits_{x\to+\infty} f(x) = +\infty.

Donc J=[0,+∞[J = [0, +\infty[.

7.b. Vérifier que φ−1(ln⁡(54))=ln⁡2\varphi^{-1}(\ln(\frac{5}{4}))=\ln 2.

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Vérifier que φ−1(ln⁡(54))=ln⁡2\varphi^{-1}\left(\ln(\frac{5}{4})\right) = \ln 2 revient à montrer que φ(ln⁡2)=ln⁡(54)\varphi(\ln 2) = \ln\left(\frac{5}{4}\right). Calculons φ(ln⁡2)\varphi(\ln 2) :

φ(ln⁡2)=f(ln⁡2)=ln⁡2−ln⁡2+ln⁡(1+e−2ln⁡2)=ln⁡(1+eln⁡(2−2))=ln⁡(1+14)=ln⁡(54)\begin{aligned} \varphi(\ln 2) &= f(\ln 2) = \ln 2 - \ln 2 + \ln(1 + e^{-2\ln 2}) \\ &= \ln(1 + e^{\ln(2^{-2})}) \\ &= \ln(1 + \frac{1}{4}) \\ &= \ln\left(\frac{5}{4}\right) \end{aligned}

7.c. Montrer que φ−1\varphi^{-1} est dérivable en ln⁡(54)\ln(\frac{5}{4}) et que (φ−1)′(ln⁡(54))=53(\varphi^{-1})^{\prime}(\ln(\frac{5}{4}))=\frac{5}{3}.

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On sait que φ\varphi est dérivable sur ]0,+∞[]0, +\infty[ et φ(ln⁡2)=ln⁡(54)\varphi(\ln 2) = \ln(\frac{5}{4}).

Calculons le nombre dérivé en ln⁡2\ln 2 :

φ′(ln⁡2)=f′(ln⁡2)=e2ln⁡2−11+e2ln⁡2\varphi'(\ln 2) = f'(\ln 2) = \frac{e^{2\ln 2} - 1}{1 + e^{2\ln 2}}

Or, e2ln⁡2=eln⁡(22)=4e^{2\ln 2} = e^{\ln(2^2)} = 4. Donc :

φ′(ln⁡2)=4−11+4=35\varphi'(\ln 2) = \frac{4 - 1}{1 + 4} = \frac{3}{5}

Puisque φ′(ln⁡2)≠0\varphi'(\ln 2) \neq 0, la fonction réciproque φ−1\varphi^{-1} est dérivable en φ(ln⁡2)=ln⁡(54)\varphi(\ln 2) = \ln(\frac{5}{4}), et on a :

(φ−1)′(ln⁡(54))=1φ′(ln⁡2)=135=53(\varphi^{-1})^{\prime}\left(\ln(\frac{5}{4})\right) = \frac{1}{\varphi'(\ln 2)} = \frac{1}{\frac{3}{5}} = \frac{5}{3}

Partie III

On considère la suite numérique (un)(u_{n}) définie par u0=ln⁡2u_{0}=\ln 2 et un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_{n}), pour tout entier naturel nn.

1. Montrer par récurrence que 0≤un≤ln⁡20\le u_{n}\le \ln 2, pour tout nn de N\mathbb{N}.

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  • Initialisation : Pour n=0n=0, u0=ln⁡2u_0 = \ln 2. L'encadrement 0≤ln⁡2≤ln⁡20 \le \ln 2 \le \ln 2 est vrai.

  • Hérédité : Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Supposons que 0≤un≤ln⁡20 \le u_n \le \ln 2 et montrons que 0≤un+1≤ln⁡20 \le u_{n+1} \le \ln 2.

    Puisque ff est strictement croissante sur [0,+∞[[0, +\infty[ (donc sur [0,ln⁡2][0, \ln 2]), l'ordre est conservé :

    f(0)≤f(un)≤f(ln⁡2)f(0) \le f(u_n) \le f(\ln 2)

    On a calculé f(0)=0f(0) = 0 et f(ln⁡2)=ln⁡(54)f(\ln 2) = \ln(\frac{5}{4}).

    Or, 54≤2  ⟹  ln⁡(54)≤ln⁡2\frac{5}{4} \le 2 \implies \ln(\frac{5}{4}) \le \ln 2.

    On obtient donc :

    0≤un+1≤ln⁡(54)≤ln⁡20 \le u_{n+1} \le \ln(\frac{5}{4}) \le \ln 2

    Ce qui prouve que 0≤un+1≤ln⁡20 \le u_{n+1} \le \ln 2.

  • Conclusion : D'après le principe de récurrence, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, 0≤un≤ln⁡20 \le u_n \le \ln 2.

2. Montrer que la suite (un)(u_{n}) est décroissante.

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D'après la question 5.b de la Partie II, on sait que pour tout x∈[0,+∞[x \in [0, +\infty[, f(x)≤xf(x) \le x.

D'après la question 1 de cette partie, on a pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un∈[0,ln⁡2]⊂[0,+∞[u_n \in [0, \ln 2] \subset [0, +\infty[.

En appliquant l'inégalité précédente pour x=unx = u_n :

f(un)≤unf(u_n) \le u_n un+1≤unu_{n+1} \le u_n

Par conséquent, la suite (un)(u_n) est décroissante.

3. En déduire que la suite (un)(u_{n}) est convergente et déterminer sa limite.

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Convergence : La suite (un)(u_n) est décroissante et minorée (par 00), elle est donc convergente vers une limite réelle ℓ\ell.

Détermination de la limite : On a :

  • u0∈[0,ln⁡2]u_0 \in [0, \ln 2]
  • ff est continue sur [0,ln⁡2][0, \ln 2]
  • un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n)
  • f([0,ln⁡2])⊂[0,ln⁡2]f([0, \ln 2]) \subset [0, \ln 2] (prouvé dans la récurrence)
  • (un)(u_n) converge vers ℓ\ell

Alors la limite ll vérifie l'équation f(ℓ)=ℓf(\ell) = \ell.

D'après la question 5.a de la Partie II, l'unique solution de cette équation dans R\mathbb{R} (et donc dans [0,ln⁡2][0, \ln 2]) est 00.

Finalement lim⁡n→+∞un=0\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0.