EXERCICE 1 · 26-MATSPEGEJA1

Baisse du niveau d’un lac

Modèles discret et continu, suite géométrique, exponentielle, dérivation et lecture graphique.

Barème officiel
7 points
Temps conseillé
45 min
Parcours
Spécialité maths
Mis à jour

Énoncé

Un lac qui alimente une région en électricité voit son niveau d’eau baisser depuis le début des années 2000.

En 2020, le niveau du lac était d’environ 1 100 mètres au-dessus du niveau de la mer. En dessous de 1 020 mètres, le niveau du lac est insuffisant pour permettre la production d’énergie hydroélectrique.

Partie A — Étude d’un modèle discret

Dans cette partie, on estime que le niveau du lac, mesuré au-dessus du niveau de la mer, baisse de 1 % tous les ans.

On définit la suite (un)(u_n) telle que unu_n représente le niveau du lac en mètres nn années après 2020, c’est-à-dire en 2020+n2020+n. On a alors u0=1 100u_0=1\,100.

  1. Calculer u1u_1 et interpréter ce résultat.

    Aide aux calculs :

    1 100×0,99=1 089,1 100×0,01=11,1 100×0,9=990.1\,100\times0{,}99=1\,089, \qquad 1\,100\times0{,}01=11, \qquad 1\,100\times0{,}9=990.
  2. a. Pour tout entier naturel nn, exprimer un+1u_{n+1} en fonction de unu_n.

    b. En déduire la nature de la suite (un)(u_n). On précisera sa raison.

    c. Pour tout entier naturel nn, en déduire une expression de unu_n en fonction de nn.

  3. Écrire le calcul qui permet d’estimer le niveau du lac en 2028. On ne demande pas d’effectuer ce calcul.

  4. Recopier et compléter le programme écrit en langage Python ci-dessous afin qu’il affiche le nombre d’années après 2020 à partir duquel le niveau du lac sera insuffisant pour produire de l’énergie hydroélectrique.

u = 1100
n = 0
while ....................:
    n = n + 1
    u = ....................
print(n)

Partie B — Étude d’un modèle continu

Dans cette partie, l’évolution du niveau du lac est modélisée par une fonction ff définie sur l’intervalle [0;+∞[[0;+\infty[ par :

f(t)=1 050e−0,01t+50,f(t)=1\,050\mathrm e^{-0{,}01t}+50,

où f(t)f(t) est le niveau du lac en mètres et tt le temps écoulé en années, depuis 2020.

  1. Le modèle proposé est-il cohérent avec le niveau du lac en 2020 ? Justifier votre réponse.

  2. Montrer que, pour tout réel tt de l’intervalle [0;+∞[[0;+\infty[ :

    f′(t)=−10,5e−0,01t.f'(t)=-10{,}5\mathrm e^{-0{,}01t}.
  3. En déduire le sens de variation de la fonction ff sur l’intervalle [0;+∞[[0;+\infty[. Justifier.

  4. On donne ci-dessous Cf\mathcal C_f, la courbe représentative de la fonction ff dans un repère orthogonal.

Niveau du lac selon le nombre d’années écoulées depuis 2020La courbe décroît de 1100 mètres en 2020 à environ 1000 mètres dix ans plus tard. Elle passe sous le niveau de 1020 mètres environ huit ans après 2020.

Lire, avec la précision permise par le graphique, l’année à partir de laquelle le niveau du lac sera insuffisant pour produire de l’énergie hydroélectrique.

Voir la correction détaillée

Cette correction est proposée par le site. Elle ne constitue pas un corrigé officiel du ministère.

Partie A — Étudier le modèle discret

  1. Une baisse de 1 % correspond au coefficient multiplicateur 1−1100=0,991-\dfrac1{100}=0{,}99. Ainsi :
u1=1 100×0,99=1 089.u_1=1\,100\times0{,}99=\boxed{1\,089}.

Selon ce modèle, le niveau du lac est de 1 089 mètres en 2021.

  1. a. Chaque année, le niveau précédent est multiplié par 0,990{,}99 :

    un+1=0,99un.\boxed{u_{n+1}=0{,}99u_n}.

    b. La suite (un)(u_n) est géométrique, de premier terme u0=1 100u_0=1\,100 et de raison q=0,99q=0{,}99.

    c. Le terme général d’une suite géométrique donne :

    un=1 100×0,99n.\boxed{u_n=1\,100\times0{,}99^n}.
  2. L’année 2028 correspond à 2020+n=20282020+n=2028, donc à n=8n=8. Le calcul demandé est :

u8=1 100×0,998.\boxed{u_8=1\,100\times0{,}99^8}.
  1. Le niveau devient insuffisant lorsqu’il est strictement inférieur à 1 020 mètres. La boucle doit donc continuer tant que u reste supérieur ou égal à 1 020 :
u = 1100
n = 0
while u >= 1020:
    n = n + 1
    u = 0.99 * u
print(n)

Partie B — Étudier le modèle continu

  1. L’année 2020 correspond à t=0t=0. Or :
f(0)=1 050e0+50=1 050+50=1 100.f(0)=1\,050\mathrm e^0+50=1\,050+50=1\,100.

Le modèle retrouve bien le niveau annoncé pour 2020 : il est donc cohérent.

  1. La dérivée de t↦e−0,01tt\mapsto\mathrm e^{-0{,}01t} est t↦−0,01e−0,01tt\mapsto-0{,}01\mathrm e^{-0{,}01t}. Par conséquent :
f′(t)=1 050×(−0,01)e−0,01t=−10,5e−0,01t.\begin{aligned} f'(t) &=1\,050\times(-0{,}01)\mathrm e^{-0{,}01t}\\ &=\boxed{-10{,}5\mathrm e^{-0{,}01t}}. \end{aligned}
  1. Pour tout réel tt, e−0,01t>0\mathrm e^{-0{,}01t}>0. Le facteur −10,5-10{,}5 est négatif, donc f′(t)<0f'(t)<0 sur [0;+∞[[0;+\infty[. La fonction ff est donc strictement décroissante sur cet intervalle.

  2. Le niveau devient insuffisant lorsque la courbe passe sous l’ordonnée 1 020. La lecture graphique situe ce passage environ huit ans après 2020. Le niveau du lac devient donc insuffisant à partir de l’année 2028.