fin de terminale - Mathématiques au lycée Benoît.

Entre la Terminale
et les CPGE scientifiques
Math´ematiques
Lyc´ee Louis le Grand
Introduction
Les journ´ees «Portes Ouvertes »du lyc´ee Louis-le-Grand permettent aux
´el`eves de Terminale candidats aux CPGE et `a leurs parents de dialoguer avec les
professeurs des classes pr´eparatoires. Deux questions reviennent fr´equemment.
- Comment un ´el`eve de Terminale peut-il se pr´eparer efficacement aux CPGE ?
- Quelles sont les math´ematiques accessibles `a un bachelier tr`es int´eress´e par
la discipline ?
Ce document, destin´e aux ´el`eves de Terminale entrant en PCSI ou MPSI
au lyc´ee Louis le Grand, a ´et´e ´elabor´e pour r´epondre `a ces deux demandes. Sa
lecture n’a bien ´evidemment aucun caract`ere obligatoire.
Organisation et contenu de ce texte
Pour r´epondre aux deux demandes ci-dessus, le texte est divis´e en deux
grandes parties, chacune tr`es substantielle.
La premi`ere partie est un outil destin´e `a aider ceux des ´el`eves qui le
d´esirent `a revoir les math´ematiques ´etudi´ees au lyc´ee dans l’optique des classes
de PCSI et MPSI.
La seconde partie, constitu´ee d’approfondissements, est destin´ee aux ´el`eves
particuli`erement int´eress´es par les math´ematiques et ayant d´ej`a une pratique
importante des outils pr´esent´es dans la premi`ere partie. Il s’agit en fait
d’un premier pas tr`es significatif dans le programme de CPGE. Cette partie est
compl´et´ee par un probl`eme et par un petit texte indiquant dans quel esprit ce
document a ´et´e con¸cu.
Le texte introduit plusieurs notions et r´esultats qui ne font pas partie des
programmes de Terminale. Ces compl´ements apparaissent de mani`ere tr`es limi-
t´ee dans la premi`ere partie, beaucoup plus nettement dans la seconde. Il va de
soi qu’ils seront int´egralement repris en premi`ere ann´ee de CPGE.
Chaque partie est organis´ee en chapitres, eux-mˆemes divis´es en paragraphes.
Un paragraphe commence par des rappels et/ou des exemples et est suivi d’une
liste fournie d’exercices. Ces exercices re¸coivent pour la plupart un corrig´e suc-
cinct. Les r´esultats des exemples et exercices signal´es par le symbole (∗) sont
classiques en CPGE ; certains sont d’ailleurs des r´esultats de cours.
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Le texte est compl´et´e, de mani`ere non syst´ematique, par des commentaires
historiques permettant de mettre en perspective les r´esultats pr´esent´es ; la lec-
ture de ces commentaires n’est nullement indispensable `a la compr´ehension de
la partie proprement math´ematique. D’autre part, dans un but d’efficacit´e p´eda-
gogique, les th`emes et exercices pr´esent´es ici ont ´et´e choisis de mani`ere `a former
un ensemble aussi coh´erent que possible. Vous retrouverez certains objets et
certaines m´ethodes `a plusieurs reprises, les renvois ´etant souvent explicit´es.
Les exercices sont vari´es. Certains sont des applications directes, parfois r´e-
p´etitives, du programme de Terminale ou des compl´ements de cours propos´es
dans le texte. Indispensables pour acqu´erir des bases solides et des r´eflexes ef-
ficaces, ils sont `a travailler en priorit´e. D’autres, plus ambitieux, font ´etablir
des r´esultats int´eressants et/ou souvent utiles. Les consid´erations esth´etiques ou
culturelles ont eu leur part dans la s´election effectu´ee. En revanche, les exercices
«`a astuce », dont la vertu formatrice est tr`es faible, ont ´et´e exclus.
Les symboles (F), (AD), (D), (TD) d´esignent respectivement des exercices
«faciles »,«assez difficiles »,«difficiles »,«tr`es difficiles ». Ces mentions sont
d’une part subjectives, d’autre part relatives : le niveau d’ensemble des exercices
propos´es est tr`es ´elev´e par rapport au programme de Terminale.
Comment utiliser ce document
Il est recommand´e d’´etudier la premi`ere partie du texte en suivant l’ordre
propos´e. La seconde peut ˆetre abord´ee de mani`ere plus libre.
Pour chaque paragraphe, le travail se d´ecouple en deux phases. La premi`ere
est l’´etude des rappels, compl´ements et exemples. Pour chaque exemple, il est
conseill´e de refaire compl`etement (et sans recopier le texte) raisonnements et
calculs. Cette ´etape d’appropriation du contenu est essentielle. La seconde phase
est la r´esolution d’une partie des exercices. La liste propos´ee est tr`es copieuse.
Cette abondance permet des entraˆınements de niveaux vari´es.
Ne pas trouver, mˆeme en y passant du temps, un exercice (F) ou
(AD) ne pr´ejuge en rien de votre future r´eussite en CPGE. S´echer
fait partie de l’activit´e math´ematique. D’une part, aboutir apr`es un long travail
procure une grande satisfaction. D’autre part, mˆeme en cas d’´echec, le temps
pass´e `a chercher permet de progresser et de comprendre r´eellement une solution ;
inversement, lire le corrig´e d’un exercice sans s’ˆetre r´eellement engag´e dans la
recherche ne procure le plus souvent aucun b´en´efice.
Nous esp´erons que l’´etude de ce document vous procurera plaisir et profit.
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Sommaire
I. OUTILS ET TECHNIQUES DE BASE 5
1 R´edaction, modes de raisonnement 6
1.1 R´edaction, quantificateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Vocabulaire et notations utilis´es . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 G´en´eralit´es .......................... 8
1.1.3 Quantificateurs........................ 8
1.2 Le raisonnement par r´ecurrence (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Le raisonnement par r´ecurrence (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Le raisonnement par l’absurde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Le raisonnement par analyse-synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Calculs alg´ebriques 19
2.1 G´en´eralit´es et rappels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Le symbole P............................ 19
2.3 Sommes t´elescopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Le symbole Q............................. 25
2.5 Factorielle d’un entier naturel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Trigonom´etrie et nombres complexes 31
3.1 Trigonom´etrie............................. 31
3.2 Nombrescomplexes.......................... 35
4 In´egalit´es, trinˆome du second degr´e r´eel 38
4.1 In´egalit´es et in´equations : m´ethodes ´el´ementaires . . . . . . . . . 38
4.2 Le trinˆome du second degr´e r´eel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5 D´erivation 42
5.1 Calcul des d´eriv´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Tangente `a un graphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3 Applications de la d´erivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3.1 ´ Etude de fonctions, r´esolution d’´equations . . . . . . . . . 44
5.3.2 D´emonstration d’in´egalit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 Calcul des limites 51
6.1 Introduction et premiers exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Utilisation de taux d’accroissement . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3 Mise en facteur du terme pr´epond´erant . . . . . . . . . . . . . . . 52
7 Int´egration 55
7.1 Rappels ................................ 55
7.2 L’int´egration par parties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8 R´eponses ou indications 61
II. APPROFONDISSEMENTS 78
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1 Nombres complexes, deuxi`eme ´episode 79
1.1 Technique de l’arc moiti´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1.2 Calcul de sommes trigonom´etriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
1.3 Racinesdel’unit´e........................... 81
1.4 La formule du binˆome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
1.5 L’in´egalit´e triangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2 Polynˆomes 91
2.1 Polynˆomes............................... 91
2.2 Racines d’un polynˆome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.3 Rigidit´e ................................ 97
2.4 L’´equation du second degr´e dans C................. 99
2.5 Somme et produit des racines d’un polynˆome . . . . . . . . . . . 103
3 D´erivation, deuxi`eme ´episode 106
3.1 Caract´erisation des fonctions constantes . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2 L’´equation diff´erentielle y0=λy ................... 107
3.3 La condition n´ecessaire d’extremum . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4 Les fonctions puissances 110
5 Calcul des limites, deuxi`eme ´episode 117
5.1 Croissances compar´ees usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2 Utilisation de la forme exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6 Int´egration, deuxi`eme ´episode 120
6.1 Quelques applications de l’int´egration par parties . . . . . . . . . 120
6.2 La m´ethode des rectangles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7 Probl`eme : deux calculs de ζ(2) 131
8 Appendice 135
9 R´eponses ou indications 137
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Premi`ere partie
Outils et techniques de base
Cette partie permet de r´eviser les math´ematiques ´etudi´ees au lyc´ee dans la
perspective d’une classe pr´eparatoire MPSI ou PCSI. Ses buts principaux sont
les suivants.
- Rappeler quelques modes de raisonnement en les illustrant par des exemples
significatifs.
- Pr´eciser, surtout `a travers des exemples, la fa¸con dont un texte math´ema-
tique doit ˆetre r´edig´e.
- Conforter la maˆıtrise du calcul.
Le programme de Terminale est compl´et´e par un nombre tr`es limit´e de points
importants : quantificateurs, symboles Pet Q, d´eriv´ee d’une compos´ee, int´e-
gration par parties.
Il est conseill´e de lire cette partie en en respectant l’ordre.
Afin de faciliter le travail du lecteur, un certain nombre de d´efinitions et
notations d’usage courant en CPGE mais pas forc´ement en Terminale sont rap-
pel´ees en 1.1.1.
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