Maths : kit de survie

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Maths : kit de survie

Un parcours de révision des automatismes indispensables en mathématiques.

Kit de survie de maths – Outils Essentiels

COURS · REPÈRE

1. Calcul fractionnaire

1.1 Addition et soustraction de fractions

Méthode

Pour additionner ou soustraire des fractions, les mettre au même dénominateur :

ab+cd=ad+bcbd\frac{a}{b} + \frac{c}{d} = \frac{ad + bc}{bd}

1

Exercice 1

Calculez : 34+25\frac{3}{4} + \frac{2}{5}.

Voir la correction détailléeExercice 1

Le plus petit commun multiple de 4 et 5 est 20. On a :

34=3×54×5=1520\frac{3}{4} = \frac{3 \times 5}{4 \times 5} = \frac{15}{20},

25=2×45×4=820\frac{2}{5} = \frac{2 \times 4}{5 \times 4} = \frac{8}{20}

Donc,

34+25=1520+820=2320\frac{3}{4} + \frac{2}{5} = \frac{15}{20} + \frac{8}{20} = \frac{23}{20}.

2

Exercice 2

Calculez : 56–14\frac{5}{6} – \frac{1}{4}.

Voir la correction détailléeExercice 2

Le plus petit commun multiple de 6 et 4 est 12. On a :

56=5×26×2=1012\frac{5}{6} = \frac{5 \times 2}{6 \times 2} = \frac{10}{12},

14=1×34×3=312\frac{1}{4} = \frac{1 \times 3}{4 \times 3} = \frac{3}{12}

Donc,

56–14=1012–312=712\frac{5}{6} – \frac{1}{4} = \frac{10}{12} – \frac{3}{12} = \frac{7}{12}.

1.2 Multiplication et Division de Fractions

Méthode

Pour multiplier deux fractions :

ab×cd=acbd\frac{a}{b} \times \frac{c}{d} = \frac{ac}{bd}

Pour diviser deux fractions :

ab÷cd=ab×dc=adbc\frac{a}{b} \div \frac{c}{d} = \frac{a}{b} \times \frac{d}{c} = \frac{ad}{bc}

3

Exercice 3

Calculez : 47×35\frac{4}{7} \times \frac{3}{5}.

Voir la correction détailléeExercice 3

47×35=4×37×5=1235\frac{4}{7} \times \frac{3}{5} = \frac{4 \times 3}{7 \times 5} = \frac{12}{35}.

4

Exercice 4

Calculez : 29÷34\frac{2}{9} \div \frac{3}{4}.

Voir la correction détailléeExercice 4

29÷34=29×43=2×49×3=827\frac{2}{9} \div \frac{3}{4} = \frac{2}{9} \times \frac{4}{3} = \frac{2 \times 4}{9 \times 3} = \frac{8}{27}.

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2. Calculs avec les Racines Carrées

Méthode

Règles de calcul avec les racines carrées :

a×b=a×b\sqrt{a \times b} = \sqrt{a} \times \sqrt{b},

ab=ab\sqrt{\frac{a}{b}} = \frac{\sqrt{a}}{\sqrt{b}}.

5

Exercice 5

Simplifiez : 12\sqrt{12}.

Voir la correction détailléeExercice 5

12=4×3=4×3=23\sqrt{12} = \sqrt{4 \times 3} = \sqrt{4} \times \sqrt{3} = 2\sqrt{3}.

6

Exercice 6

Calculez : 18\sqrt{18}.

Voir la correction détailléeExercice 6

18=9×2=9×2=32\sqrt{18} = \sqrt{9 \times 2} = \sqrt{9} \times \sqrt{2} = 3\sqrt{2}.

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3. Calculs avec les Puissances

Méthode

Règles de calcul avec les puissances :

am×an=am+na^m \times a^n = a^{m+n},

aman=am−n\frac{a^m}{a^n} = a^{m-n},

(am)n=amn(a^m)^n = a^{mn}.

7

Exercice 7

Calculez : 32×343^2 \times 3^4.

Voir la correction détailléeExercice 7

32×34=32+4=36=7293^2 \times 3^4 = 3^{2+4} = 3^6 = 729.

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4. Les Identités Remarquables

Identités Remarquables

(a+b)2=a2+2ab+b2(a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2,

(a–b)2=a2–2ab+b2(a – b)^2 = a^2 – 2ab + b^2,

(a+b)(a–b)=a2–b2(a + b)(a – b) = a^2 – b^2.

8

Exercice 8

Développez : (x+5)2(x + 5)^2.

Voir la correction détailléeExercice 8

(x+5)2=x2+2×5×x+52=x2+10x+25(x + 5)^2 = x^2 + 2 \times 5 \times x + 5^2 = x^2 + 10x + 25.

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5. Développement d’Expression à Trois Termes

Méthode

Pour développer une expression du type a(b+c+d)a(b + c + d), on utilise la distributivité :

a(b+c+d)=ab+ac+ada(b + c + d) = ab + ac + ad.

9

Exercice 9

Développez : 2x(x+3–4)2x(x + 3 – 4).

Voir la correction détailléeExercice 9

2x(x+3–4)=2x2+2x×3–2x×4=2x2+6x–8x=2x2–2x2x(x + 3 – 4) = 2x^2 + 2x \times 3 – 2x \times 4 = 2x^2 + 6x – 8x = 2x^2 – 2x.

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6. Factorisation

Méthode

Pour factoriser une expression, chercher un facteur commun :

ax+ay=a(x+y)ax + ay = a(x + y).

10

Exercice 10

Factorisez : 3x2+6x3x^2 + 6x.

Voir la correction détailléeExercice 10

3x2+6x=3x(x+2)3x^2 + 6x = 3x(x + 2).

11

Exercice 11

Factorisez : 4x3–8x24x^3 – 8x^2.

Voir la correction détailléeExercice 11

4x3–8x2=4x2(x–2)4x^3 – 8x^2 = 4x^2(x – 2).

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7. Résolution d’Équations à une Inconnue

Méthode

Pour résoudre une équation du type ax+b=0ax + b = 0, isoler xx :

x=−bax = \frac{-b}{a}.

12

Exercice 12

Résolvez : 3x–5=03x – 5 = 0.

Voir la correction détailléeExercice 12

3x–5=0⟹3x=5⟹x=533x – 5 = 0 \implies 3x = 5 \implies x = \frac{5}{3}.

13

Exercice 13

Résolvez : 2x+7=32x + 7 = 3.

Voir la correction détailléeExercice 13

2x+7=3⟹2x=3–7⟹2x=−4⟹x=−22x + 7 = 3 \implies 2x = 3 – 7 \implies 2x = -4 \implies x = -2.

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8. Résolution d’Inéquations à une Inconnue

Méthode

Pour résoudre une inéquation, isoler xx et appliquer les règles des signes. Si vous multipliez ou divisez par un nombre négatif, l’inéquation change de sens.

14

Exercice 14

Résolvez : 2x–3>12x – 3 > 1.

Voir la correction détailléeExercice 14

2x–3>1⟹2x>4⟹x>22x – 3 > 1 \implies 2x > 4 \implies x > 2.

15

Exercice 15

Résolvez : −3x+4≤7-3x + 4 \leq 7.

Voir la correction détailléeExercice 15

−3x+4≤7⟹−3x≤3⟹x≥−1-3x + 4 \leq 7 \implies -3x \leq 3 \implies x \geq -1.

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9. Résolution d’Équations Produits Nuls

Méthode

Pour résoudre a×b=0a \times b = 0, on utilise :

a=0a = 0 ou b=0b = 0.

16

Exercice 16

Résolvez : x(x–5)=0x(x – 5) = 0.

Voir la correction détailléeExercice 16

x(x–5)=0⟹x=0x(x – 5) = 0 \implies x = 0 ou x–5=0⟹x=5x – 5 = 0 \implies x = 5.

Donc, x=0x = 0 ou x=5x = 5.

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10. Résolution d’un Système à Deux Inconnues par Combinaison

Méthode

Pour résoudre un système à deux équations :

  1. Multipliez une ou les deux équations pour avoir un coefficient commun pour l’une des variables.
  2. Additionnez ou soustrayez les équations pour éliminer une des variables.
  3. Résolvez l’équation obtenue.
  4. Remplacez la solution dans l’une des équations initiales pour trouver l’autre variable.
17

Exercice 17

Résoudre le système :

{2x+3y=74x–3y=1\begin{cases} 2x + 3y = 7 \\ 4x – 3y = 1 \end{cases}.

Voir la correction détailléeExercice 17

Additionnons les deux équations pour éliminer yy :

(2x+3y)+(4x–3y)=7+1⟹6x=8⟹x=86=43(2x + 3y) + (4x – 3y) = 7 + 1 \implies 6x = 8 \implies x = \frac{8}{6} = \frac{4}{3}.

Substituons x=43x = \frac{4}{3} dans la première équation :

2×43+3y=7⟹83+3y=7⟹3y=7–83=133⟹y=1392 \times \frac{4}{3} + 3y = 7 \implies \frac{8}{3} + 3y = 7 \implies 3y = 7 – \frac{8}{3} = \frac{13}{3} \implies y = \frac{13}{9}.

Donc, x=43x = \frac{4}{3} et y=139y = \frac{13}{9}.

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11. Résolution d’un Système à Trois Inconnues

Méthode

Pour résoudre un système à trois inconnues, on utilise les étapes suivantes :

  1. Éliminer une inconnue à l’aide des équations, pour obtenir un système de deux équations à deux inconnues.
  2. Résoudre le système obtenu par combinaison.
  3. Remonter pour trouver les autres inconnues.
18

Exercice 18

Résoudre le système :

{x+y+z=62x–y+3z=14−x+4y–z=−2\begin{cases} x + y + z = 6 \\ 2x – y + 3z = 14 \\ -x + 4y – z = -2 \end{cases}.

Voir la correction détailléeExercice 18

Étape 1 : Éliminons zz en combinant les équations. Additionnons l’équation 1 et 2 :

(x+y+z)+(2x–y+3z)=6+14⟹3x+4z=20(x + y + z) + (2x – y + 3z) = 6 + 14 \implies 3x + 4z = 20.

Utilisons une autre combinaison pour éliminer zz :

(x+y+z)–(−x+4y–z)=6+2⟹2x–3y+2z=8(x + y + z) – (-x + 4y – z) = 6 + 2 \implies 2x – 3y + 2z = 8.

On obtient maintenant un système de deux équations à deux inconnues :

{3x+4z=202x–3y+2z=8\begin{cases} 3x + 4z = 20 \\ 2x – 3y + 2z = 8 \end{cases}.

Continuons la résolution pour obtenir les valeurs de xx, yy et zz.

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12. Fonctions Linéaires

Définition

Une fonction linéaire est une fonction de la forme f(x)=axf(x) = ax, où aa est une constante.

Méthode

Pour calculer l’image d’un nombre xx par une fonction linéaire f(x)=axf(x) = ax, il suffit de multiplier xx par aa :

f(x)=axf(x) = ax.

19

Exercice 19

Pour la fonction f(x)=3xf(x) = 3x, calculez les images de −2-2, 00, et 55.

Voir la correction détailléeExercice 19

f(−2)=3×(−2)=−6f(-2) = 3 \times (-2) = -6,

f(0)=3×0=0f(0) = 3 \times 0 = 0,

f(5)=3×5=15f(5) = 3 \times 5 = 15.

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13. Fonctions Affines

Définition

Une fonction affine est une fonction de la forme f(x)=ax+bf(x) = ax + b, où aa et bb sont des constantes.

Méthode

Pour calculer l’image d’un nombre xx par une fonction affine f(x)=ax+bf(x) = ax + b, remplacez xx par sa valeur :

f(x)=ax+bf(x) = ax + b.

20

Exercice 20

Pour la fonction f(x)=2x+3f(x) = 2x + 3, calculez les images de −1-1, 00, et 44.

Voir la correction détailléeExercice 20

f(−1)=2×(−1)+3=−2+3=1f(-1) = 2 \times (-1) + 3 = -2 + 3 = 1,

f(0)=2×0+3=3f(0) = 2 \times 0 + 3 = 3,

f(4)=2×4+3=8+3=11f(4) = 2 \times 4 + 3 = 8 + 3 = 11.

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14. Antécédents et Images

Méthode

L’image d’un nombre xx par une fonction ff est f(x)f(x). L’antécédent d’un nombre yy est le nombre xx tel que f(x)=yf(x) = y.

21

Exercice 21

Pour la fonction f(x)=5x–7f(x) = 5x – 7, calculez l’image de 3 et l’antécédent de 8.

Voir la correction détailléeExercice 21

Image : f(3)=5×3–7=15–7=8f(3) = 5 \times 3 – 7 = 15 – 7 = 8.

Antécédent : On cherche xx tel que 5x–7=85x – 7 = 8. On a :

5x=8+7=15⟹x=155=35x = 8 + 7 = 15 \implies x = \frac{15}{5} = 3.

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15. Étude du Signe d’une Expression Factorisée

Méthode

Pour étudier le signe d’une expression factorisée de la forme f(x)=(x–a)(x–b)f(x) = (x – a)(x – b) :

  1. Identifiez les racines aa et bb.
  2. Tracez le tableau de signe en fonction des variations du produit.
22

Exercice 22

Étudiez le signe de f(x)=(x–2)(x+3)f(x) = (x – 2)(x + 3).

Voir la correction détailléeExercice 22

Les racines sont x=2x = 2 et x=−3x = -3. Tableau de signes :

x −∞-\infty −3-3 22 +∞+\infty
(x–2)(x – 2) – – 0 +
(x+3)(x + 3) – 0 + +
f(x)f(x) + 0 – +

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16. Logarithmes et Exponentielles

Définition

Le logarithme décimal log(x)\log(x) est défini pour x>0x > 0. Le logarithme naturel est noté ln(x)\ln(x).

La fonction exponentielle exe^x est l’inverse de la fonction logarithmique ln(x)\ln(x).

Propriétés

  • ln(a×b)=ln(a)+ln(b)\ln(a \times b) = \ln(a) + \ln(b)
  • ln(ab)=ln(a)–ln(b)\ln\left(\frac{a}{b}\right) = \ln(a) – \ln(b)
  • ln(an)=n×ln(a)\ln(a^n) = n \times \ln(a)
  • eln(a)=ae^{\ln(a)} = a
23

Exercice 23

Simplifiez ln(2)+ln(5)\ln(2) + \ln(5).

Voir la correction détailléeExercice 23

ln(2)+ln(5)=ln(2×5)=ln(10)\ln(2) + \ln(5) = \ln(2 \times 5) = \ln(10).

24

Exercice 24

Calculez e2ln(3)e^{2\ln(3)}.

Voir la correction détailléeExercice 24

e2ln(3)=(eln(3))2=32=9e^{2\ln(3)} = (e^{\ln(3)})^2 = 3^2 = 9.

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17. Calcul de Dérivées

Formules de Dérivation

  • ddx(xn)=n×xn−1\frac{d}{dx}(x^n) = n \times x^{n-1}
  • ddx(sin(x))=cos(x)\frac{d}{dx}(\sin(x)) = \cos(x)
  • ddx(cos(x))=−sin(x)\frac{d}{dx}(\cos(x)) = -\sin(x)
  • ddx(ln(x))=1x\frac{d}{dx}(\ln(x)) = \frac{1}{x}
25

Exercice 25

Calculez la dérivée de f(x)=x3+2x2–5x+7f(x) = x^3 + 2x^2 – 5x + 7.

Voir la correction détailléeExercice 25

f′(x)=3x2+4x–5f'(x) = 3x^2 + 4x – 5.

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18. Intégrales Simples

Formules d’Intégration

  • ∫xndx=xn+1n+1+C\int x^n \, dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C pour n≠−1n \neq -1
  • ∫1xdx=ln|x|+C\int \frac{1}{x} \, dx = \ln|x| + C
26

Exercice 26

Calculez l’intégrale de f(x)=2x3+5x2f(x) = 2x^3 + 5x^2.

Voir la correction détailléeExercice 26

∫(2x3+5x2)dx=2x44+5x33+C=x42+5x33+C\int (2x^3 + 5x^2) \, dx = \frac{2x^4}{4} + \frac{5x^3}{3} + C = \frac{x^4}{2} + \frac{5x^3}{3} + C.

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19. Calcul Vectoriel

Propriétés des Vecteurs

Un vecteur u→\overrightarrow{u} a une norme, une direction et un sens. La somme de deux vecteurs se fait en additionnant leurs coordonnées.

27

Exercice 27

Soient u→(2,3)\overrightarrow{u}(2, 3) et v→(1,−1)\overrightarrow{v}(1, -1). Calculez u→+v→\overrightarrow{u} + \overrightarrow{v}.

Voir la correction détailléeExercice 27

u→+v→=(2+1,3–1)=(3,2)\overrightarrow{u} + \overrightarrow{v} = (2 + 1, 3 – 1) = (3, 2).

28

Exercice 28

Calculez la norme de u→\overrightarrow{u}.

Voir la correction détailléeExercice 28

||u→||=22+32=4+9=13||\overrightarrow{u}|| = \sqrt{2^2 + 3^2} = \sqrt{4 + 9} = \sqrt{13}.

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20. Produit Scalaire

Propriétés du Produit Scalaire

Le produit scalaire de deux vecteurs u→(x1,y1)\overrightarrow{u}(x_1, y_1) et v→(x2,y2)\overrightarrow{v}(x_2, y_2) est donné par :

u→⋅v→=x1x2+y1y2\overrightarrow{u} \cdot \overrightarrow{v} = x_1 x_2 + y_1 y_2.

29

Exercice 29

Calculez le produit scalaire de u→(2,3)\overrightarrow{u}(2, 3) et v→(4,1)\overrightarrow{v}(4, 1).

Voir la correction détailléeExercice 29

u→⋅v→=2×4+3×1=8+3=11\overrightarrow{u} \cdot \overrightarrow{v} = 2 \times 4 + 3 \times 1 = 8 + 3 = 11.

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21. Calculs avec les Matrices

Méthode

Une matrice est un tableau de nombres. Les opérations sur les matrices incluent l’addition, la multiplication et la transposition.

Pour additionner deux matrices, on additionne les éléments correspondants. Pour multiplier deux matrices AA et BB, on utilise la règle suivante :

(AB)ij=∑kAikBkj(AB)_{ij} = \sum_k A_{ik}B_{kj}.

30

Exercice 30

Soient A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} et B=(5678)B = \begin{pmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{pmatrix}. Calculez A+BA + B et ABAB.

Voir la correction détailléeExercice 30

A+B=(1+52+63+74+8)=(681012)A + B = \begin{pmatrix} 1+5 & 2+6 \\ 3+7 & 4+8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 & 8 \\ 10 & 12 \end{pmatrix}.

Pour ABAB :

AB=(1×5+2×71×6+2×83×5+4×73×6+4×8)=(19224350)AB = \begin{pmatrix} 1 \times 5 + 2 \times 7 & 1 \times 6 + 2 \times 8 \\ 3 \times 5 + 4 \times 7 & 3 \times 6 + 4 \times 8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 19 & 22 \\ 43 & 50 \end{pmatrix}.

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22. Déterminants et Inverses de Matrices

Déterminant d’une Matrice 2×2

Le déterminant d’une matrice 2×2 A=(abcd)A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} est donné par :

det(A)=ad–bc\det(A) = ad – bc.

31

Exercice 31

Calculez le déterminant de A=(2314)A = \begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 1 & 4 \end{pmatrix}.

Voir la correction détailléeExercice 31

det(A)=2×4–3×1=8–3=5\det(A) = 2 \times 4 – 3 \times 1 = 8 – 3 = 5.

Inverse d’une Matrice 2×2

Si det(A)≠0\det(A) \neq 0, l’inverse d’une matrice A=(abcd)A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} est donné par :

A−1=1det(A)(d−b−ca)A^{-1} = \frac{1}{\det(A)} \begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}.

32

Exercice 32

Trouvez l’inverse de A=(2314)A = \begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 1 & 4 \end{pmatrix}.

Voir la correction détailléeExercice 32

Le déterminant est det(A)=5\det(A) = 5. L’inverse est donc :

A−1=15(4−3−12)=(45−35−1525)A^{-1} = \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 4 & -3 \\ -1 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{4}{5} & -\frac{3}{5} \\ -\frac{1}{5} & \frac{2}{5} \end{pmatrix}.

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23. Résolution de Systèmes Linéaires par Matrices

Méthode

Pour résoudre un système linéaire AX=BAX = B, où AA est une matrice et XX et BB sont des vecteurs, on peut écrire la solution sous la forme X=A−1BX = A^{-1}B, si AA est inversible.

33

Exercice 33

Résolvez le système suivant à l’aide des matrices :

{2x+3y=8x+4y=7\begin{cases} 2x + 3y = 8 \\ x + 4y = 7 \end{cases}.

Voir la correction détailléeExercice 33

Le système peut être réécrit sous la forme matricielle AX=BAX = B, où :

A=(2314),X=(xy),B=(87)A = \begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 1 & 4 \end{pmatrix}, X = \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}, B = \begin{pmatrix} 8 \\ 7 \end{pmatrix}.

Nous avons trouvé précédemment que A−1=(45−35−1525)A^{-1} = \begin{pmatrix} \frac{4}{5} & -\frac{3}{5} \\ -\frac{1}{5} & \frac{2}{5} \end{pmatrix}.

La solution est donc :

X=A−1B=(45−35−1525)(87)=(4×8–3×75−1×8+2×75)=(12)X = A^{-1}B = \begin{pmatrix} \frac{4}{5} & -\frac{3}{5} \\ -\frac{1}{5} & \frac{2}{5} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 8 \\ 7 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{4 \times 8 – 3 \times 7}{5} \\ \frac{-1 \times 8 + 2 \times 7}{5} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}.

Donc, x=1x = 1 et y=2y = 2.

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24. Trigonométrie

Méthode

Les fonctions trigonométriques usuelles incluent le sinus, le cosinus et la tangente. Les relations trigonométriques importantes sont :

  • sin2(x)+cos2(x)=1\sin^2(x) + \cos^2(x) = 1
  • tan(x)=sin(x)cos(x)\tan(x) = \frac{\sin(x)}{\cos(x)}
34

Exercice 34

Calculez sin(30∘)\sin(30^\circ), cos(60∘)\cos(60^\circ), et tan(45∘)\tan(45^\circ).

Voir la correction détailléeExercice 34

sin(30∘)=12\sin(30^\circ) = \frac{1}{2}, cos(60∘)=12\cos(60^\circ) = \frac{1}{2}, et tan(45∘)=1\tan(45^\circ) = 1.

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25. Identités Trigonométriques

Identités Importantes

  • sin(2x)=2sin(x)cos(x)\sin(2x) = 2\sin(x)\cos(x)
  • cos(2x)=cos2(x)–sin2(x)\cos(2x) = \cos^2(x) – \sin^2(x)
  • tan(2x)=2tan(x)1–tan2(x)\tan(2x) = \frac{2\tan(x)}{1 – \tan^2(x)}
35

Exercice 35

Calculez sin(60∘)\sin(60^\circ) en utilisant l’identité sin(2x)\sin(2x).

Voir la correction détailléeExercice 35

On sait que sin(60∘)=sin(2×30∘)=2sin(30∘)cos(30∘)\sin(60^\circ) = \sin(2 \times 30^\circ) = 2\sin(30^\circ)\cos(30^\circ).

Or, sin(30∘)=12\sin(30^\circ) = \frac{1}{2} et cos(30∘)=32\cos(30^\circ) = \frac{\sqrt{3}}{2}, donc :

sin(60∘)=2×12×32=32\sin(60^\circ) = 2 \times \frac{1}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{\sqrt{3}}{2}.

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26. Les Angles Associés

Méthode

Les angles associés sont définis par des relations telles que :

  • sin(180∘–x)=sin(x)\sin(180^\circ – x) = \sin(x)
  • cos(180∘–x)=−cos(x)\cos(180^\circ – x) = -\cos(x)
  • tan(180∘–x)=−tan(x)\tan(180^\circ – x) = -\tan(x)
36

Exercice 36

Calculez cos(120∘)\cos(120^\circ) en utilisant les angles associés.

Voir la correction détailléeExercice 36

cos(120∘)=cos(180∘–60∘)=−cos(60∘)=−12\cos(120^\circ) = \cos(180^\circ – 60^\circ) = -\cos(60^\circ) = -\frac{1}{2}.

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27. Formules d’Addition et de Soustraction

Méthode

Les formules d’addition et de soustraction des angles sont :

  • sin(a+b)=sin(a)cos(b)+cos(a)sin(b)\sin(a + b) = \sin(a)\cos(b) + \cos(a)\sin(b)
  • cos(a+b)=cos(a)cos(b)–sin(a)sin(b)\cos(a + b) = \cos(a)\cos(b) – \sin(a)\sin(b)
  • tan(a+b)=tan(a)+tan(b)1–tan(a)tan(b)\tan(a + b) = \frac{\tan(a) + \tan(b)}{1 – \tan(a)\tan(b)}
37

Exercice 37

Calculez sin(75∘)\sin(75^\circ) en utilisant la formule sin(a+b)\sin(a + b).

Voir la correction détailléeExercice 37

sin(75∘)=sin(45∘+30∘)=sin(45∘)cos(30∘)+cos(45∘)sin(30∘)\sin(75^\circ) = \sin(45^\circ + 30^\circ) = \sin(45^\circ)\cos(30^\circ) + \cos(45^\circ)\sin(30^\circ).

Or, sin(45∘)=cos(45∘)=22\sin(45^\circ) = \cos(45^\circ) = \frac{\sqrt{2}}{2}, cos(30∘)=32\cos(30^\circ) = \frac{\sqrt{3}}{2}, et sin(30∘)=12\sin(30^\circ) = \frac{1}{2}. Donc :

sin(75∘)=22×32+22×12=64+24=6+24\sin(75^\circ) = \frac{\sqrt{2}}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} \times \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{6}}{4} + \frac{\sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}.

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28. Équations Trigonométriques

Méthode

Pour résoudre une équation trigonométrique, utilisez les identités trigonométriques et les formules d’addition et de soustraction. Par exemple, pour résoudre sin(x)=k\sin(x) = k, on a :

  • Si |k|≤1|k| \leq 1, alors x=arcsin(k)+2kπx = \arcsin(k) + 2k\pi ou x=π–arcsin(k)+2kπx = \pi – \arcsin(k) + 2k\pi.
38

Exercice 38

Résolvez sin(x)=12\sin(x) = \frac{1}{2} pour xx dans [0,2π][0, 2\pi].

Voir la correction détailléeExercice 38

sin(x)=12⟹x=π6\sin(x) = \frac{1}{2} \implies x = \frac{\pi}{6} ou x=π–π6=5π6x = \pi – \frac{\pi}{6} = \frac{5\pi}{6}.

Donc, les solutions dans [0,2π][0, 2\pi] sont x=π6x = \frac{\pi}{6} et x=5π6x = \frac{5\pi}{6}.

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29. Calcul d’Intégrales Trigonométriques

Méthode

Pour calculer des intégrales impliquant des fonctions trigonométriques, on utilise les formules suivantes :

  • ∫sin(x)dx=−cos(x)+C\int \sin(x) \, dx = -\cos(x) + C
  • ∫cos(x)dx=sin(x)+C\int \cos(x) \, dx = \sin(x) + C
  • ∫tan(x)dx=−ln|cos(x)|+C\int \tan(x) \, dx = -\ln|\cos(x)| + C
39

Exercice 39

Calculez ∫sin(x)dx\int \sin(x) \, dx.

Voir la correction détailléeExercice 39

∫sin(x)dx=−cos(x)+C\int \sin(x) \, dx = -\cos(x) + C.

40

Exercice 40

Calculez ∫cos(x)dx\int \cos(x) \, dx.

Voir la correction détailléeExercice 40

∫cos(x)dx=sin(x)+C\int \cos(x) \, dx = \sin(x) + C.

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30. Calcul d’Intégrales avec Puissances

Méthode

Pour calculer des intégrales de fonctions puissances, utilisez la formule :

∫xndx=xn+1n+1+C\int x^n \, dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C pour n≠−1n \neq -1.

41

Exercice 41

Calculez ∫x3dx\int x^3 \, dx.

Voir la correction détailléeExercice 41

∫x3dx=x44+C\int x^3 \, dx = \frac{x^4}{4} + C.

42

Exercice 42

Calculez ∫1x2dx\int \frac{1}{x^2} \, dx.

Voir la correction détailléeExercice 42

∫1x2dx=∫x−2dx=x−1−1+C=−1x+C\int \frac{1}{x^2} \, dx = \int x^{-2} \, dx = \frac{x^{-1}}{-1} + C = -\frac{1}{x} + C.

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31. Primitives et Intégrales Indéfinies

Méthode

Une primitive d’une fonction f(x)f(x) est une fonction F(x)F(x) telle que F′(x)=f(x)F'(x) = f(x). L’intégrale indéfinie d’une fonction est la famille de toutes ses primitives, notée ∫f(x)dx\int f(x) \, dx.

43

Exercice 43

Trouvez une primitive de la fonction f(x)=2xf(x) = 2x.

Voir la correction détailléeExercice 43

Une primitive de f(x)=2xf(x) = 2x est F(x)=x2+CF(x) = x^2 + C.

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32. Calcul de Limites

Méthode

Pour calculer les limites, utilisez les règles suivantes :

  • limx→0sin(x)x=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin(x)}{x} = 1
  • limx→+∞1x=0\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x} = 0
  • limx→+∞e−x=0\lim_{x \to +\infty} e^{-x} = 0
44

Exercice 44

Calculez limx→0sin(3x)x\lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{x}.

Voir la correction détailléeExercice 44

Utilisons le fait que limx→0sin(x)x=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin(x)}{x} = 1. On a :

limx→0sin(3x)x=3limx→0sin(3x)3x=3×1=3\lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{x} = 3 \lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{3x} = 3 \times 1 = 3.

45

Exercice 45

Calculez limx→+∞1x2\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x^2}.

Voir la correction détailléeExercice 45

limx→+∞1x2=0\lim_{x \to +\infty} \frac{1}{x^2} = 0, car plus xx augmente, plus 1x2\frac{1}{x^2} tend vers 0.

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33. Résolution d’Équations Différentielles

Méthode

Une équation différentielle est une équation qui implique une ou plusieurs dérivées d’une fonction inconnue. Pour résoudre une équation différentielle du type :

dydx=f(x)\frac{dy}{dx} = f(x),

On cherche la primitive de f(x)f(x).

46

Exercice 46

Résolvez dydx=3x2\frac{dy}{dx} = 3x^2.

Voir la correction détailléeExercice 46

La solution est y=∫3x2dx=x3+Cy = \int 3x^2 \, dx = x^3 + C.

47

Exercice 47

Résolvez dydx=ex\frac{dy}{dx} = e^x.

Voir la correction détailléeExercice 47

La solution est y=∫exdx=ex+Cy = \int e^x \, dx = e^x + C.

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34. Équations Différentielles Linéaires

Méthode

Une équation différentielle linéaire du premier ordre est de la forme :

dydx+p(x)y=q(x)\frac{dy}{dx} + p(x)y = q(x).

Pour la résoudre, on peut utiliser un facteur intégrant μ(x)=e∫p(x)dx\mu(x) = e^{\int p(x)dx}, puis multiplier l’équation par μ(x)\mu(x) pour la simplifier.

48

Exercice 48

Résolvez l’équation différentielle dydx+2y=ex\frac{dy}{dx} + 2y = e^x.

Voir la correction détailléeExercice 48

Le facteur intégrant est μ(x)=e∫2dx=e2x\mu(x) = e^{\int 2 dx} = e^{2x}. En multipliant toute l’équation par e2xe^{2x}, on obtient :

e2xdydx+2e2xy=e3xe^{2x} \frac{dy}{dx} + 2e^{2x}y = e^{3x}.

Ce qui se réécrit ddx(e2xy)=ex\frac{d}{dx}(e^{2x}y) = e^x.

En intégrant des deux côtés, on trouve :

e2xy=∫exdx=ex+Ce^{2x}y = \int e^x dx = e^x + C.

Donc, y=e−x+Ce−2xy = e^{-x} + Ce^{-2x}.

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35. Fonctions Exponentielles

Méthode

La fonction exponentielle est définie par :

f(x)=exf(x) = e^x.

Elle est dérivable et sa dérivée est égale à elle-même :

f′(x)=exf'(x) = e^x.

49

Exercice 49

Calculez la dérivée de f(x)=5e2xf(x) = 5e^{2x}.

Voir la correction détailléeExercice 49

La dérivée de f(x)=5e2xf(x) = 5e^{2x} est f′(x)=10e2xf'(x) = 10e^{2x}, car ddx(ekx)=kekx\frac{d}{dx}(e^{kx}) = ke^{kx}.

50

Exercice 50

Résolvez l’équation e2x=7e^{2x} = 7.

Voir la correction détailléeExercice 50

Prenez le logarithme des deux côtés :

ln(e2x)=ln(7)⟹2x=ln(7)⟹x=ln(7)2\ln(e^{2x}) = \ln(7) \implies 2x = \ln(7) \implies x = \frac{\ln(7)}{2}.

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36. Fonctions Logarithmiques

Méthode

La fonction logarithme naturel est définie pour x>0x > 0 et notée ln(x)\ln(x). Elle a pour dérivée :

ddx(ln(x))=1x\frac{d}{dx}(\ln(x)) = \frac{1}{x}.

51

Exercice 51

Calculez la dérivée de f(x)=ln(3x)f(x) = \ln(3x).

Voir la correction détailléeExercice 51

La dérivée de f(x)=ln(3x)f(x) = \ln(3x) est :

f′(x)=13x×3=1xf'(x) = \frac{1}{3x} \times 3 = \frac{1}{x}.

52

Exercice 52

Résolvez l’équation ln(x)=5\ln(x) = 5.

Voir la correction détailléeExercice 52

Exponentiez les deux côtés :

eln(x)=e5⟹x=e5e^{\ln(x)} = e^5 \implies x = e^5.

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37. Transformations d’Intégrales par Changement de Variables

Méthode

Pour résoudre certaines intégrales, il est utile de faire un changement de variable. Si u=g(x)u = g(x), alors :

∫f(g(x))g′(x)dx=∫f(u)du\int f(g(x))g'(x)\, dx = \int f(u)\, du.

53

Exercice 53

Calculez ∫xex2dx\int x e^{x^2} \, dx par changement de variable.

Voir la correction détailléeExercice 53

Faisons le changement de variable u=x2u = x^2, donc du=2xdxdu = 2x \, dx. On obtient :

∫xex2dx=12∫eudu=12eu+C=12ex2+C\int x e^{x^2} \, dx = \frac{1}{2} \int e^u \, du = \frac{1}{2} e^u + C = \frac{1}{2} e^{x^2} + C.

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38. Résolution de Systèmes Différentiels

Méthode

Un système d’équations différentielles est un ensemble de plusieurs équations différentielles. Pour le résoudre, on peut utiliser des méthodes d’intégration ou de diagonalisation des matrices. Par exemple :

dxdt=x+yetdydt=x–y\frac{dx}{dt} = x + y \quad \text{et} \quad \frac{dy}{dt} = x – y.

54

Exercice 54

Résolvez le système différentiel :

dxdt=x+2yetdydt=2x+y\frac{dx}{dt} = x + 2y \quad \text{et} \quad \frac{dy}{dt} = 2x + y.

Voir la correction détailléeExercice 54

On peut essayer de résoudre ce système en additionnant et en soustrayant les équations, ou en cherchant des solutions sous forme exponentielle.

Ici, nous allons faire un changement de variables en diagonalisation.

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39. Probabilités

Définition

La probabilité d’un événement est un nombre compris entre 0 et 1, qui mesure la chance que cet événement se produise. La somme des probabilités de tous les événements possibles dans une expérience est égale à 1.

Méthode

Les formules de base des probabilités incluent :

  • P(A∪B)=P(A)+P(B)–P(A∩B)P(A \cup B) = P(A) + P(B) – P(A \cap B) : La probabilité de l’union de deux événements.
  • P(A∩B)=P(A)×P(B|A)P(A \cap B) = P(A) \times P(B|A) : La probabilité de l’intersection de deux événements (événements dépendants).
55

Exercice 55

Dans une urne contenant 3 boules rouges, 2 bleues et 5 vertes, quelle est la probabilité de tirer une boule rouge ou une boule bleue ?

Voir la correction détailléeExercice 55

Le nombre total de boules est 3+2+5=103 + 2 + 5 = 10.

La probabilité de tirer une boule rouge est P(rouge)=310P(\text{rouge}) = \frac{3}{10}, et celle de tirer une boule bleue est P(bleue)=210P(\text{bleue}) = \frac{2}{10}.

Comme les événements sont disjoints (il n’y a pas de boule à la fois rouge et bleue), on a :

P(rouge∪bleue)=P(rouge)+P(bleue)=310+210=510=0,5P(\text{rouge} \cup \text{bleue}) = P(\text{rouge}) + P(\text{bleue}) = \frac{3}{10} + \frac{2}{10} = \frac{5}{10} = 0,5.

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40. Loi Binomiale

Méthode

La loi binomiale modélise le nombre de succès dans une expérience répétée nn fois, avec une probabilité de succès pp à chaque essai. La probabilité d’obtenir exactement kk succès est donnée par la formule :

P(X=k)=(nk)pk(1–p)n−kP(X = k) = \binom{n}{k} p^k (1 – p)^{n-k},

où (nk)=n!k!(n−k)!\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!} est le coefficient binomial.

56

Exercice 56

On lance une pièce équilibrée 5 fois. Quelle est la probabilité d’obtenir exactement 3 faces ?

Voir la correction détailléeExercice 56

Le nombre total de lancers est n=5n = 5, la probabilité de succès (obtenir une face) est p=12p = \frac{1}{2}, et nous cherchons la probabilité d’obtenir k=3k = 3 succès.

La probabilité est donnée par :

P(X=3)=(53)(12)3(12)5−3=(53)(12)5P(X = 3) = \binom{5}{3} \left( \frac{1}{2} \right)^3 \left( \frac{1}{2} \right)^{5-3} = \binom{5}{3} \left( \frac{1}{2} \right)^5.

On calcule (53)=5!3!2!=10\binom{5}{3} = \frac{5!}{3!2!} = 10, donc :

P(X=3)=10×132=1032=0,3125P(X = 3) = 10 \times \frac{1}{32} = \frac{10}{32} = 0,3125.

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41. Variance et Espérance

Définitions

L’espérance mathématique d’une variable aléatoire discrète XX est la somme pondérée de toutes ses valeurs possibles, donnée par :

E(X)=∑xiP(X=xi)E(X) = \sum x_i P(X = x_i).

La variance mesure la dispersion des valeurs autour de l’espérance :

Var(X)=E((X–E(X))2)\text{Var}(X) = E((X – E(X))^2).

57

Exercice 57

Soit une variable aléatoire XX ayant les valeurs possibles 1, 2, et 3 avec des probabilités respectives de 14\frac{1}{4}, 12\frac{1}{2}, et 14\frac{1}{4}. Calculez l’espérance et la variance de XX.

Voir la correction détailléeExercice 57

L’espérance est :

E(X)=1×14+2×12+3×14=14+1+34=2E(X) = 1 \times \frac{1}{4} + 2 \times \frac{1}{2} + 3 \times \frac{1}{4} = \frac{1}{4} + 1 + \frac{3}{4} = 2.

La variance est :

Var(X)=E(X2)–(E(X))2\text{Var}(X) = E(X^2) – (E(X))^2,

avec :

E(X2)=12×14+22×12+32×14=14+4×12+9×14=14+2+94=204=5E(X^2) = 1^2 \times \frac{1}{4} + 2^2 \times \frac{1}{2} + 3^2 \times \frac{1}{4} = \frac{1}{4} + 4 \times \frac{1}{2} + 9 \times \frac{1}{4} = \frac{1}{4} + 2 + \frac{9}{4} = \frac{20}{4} = 5.

Donc, la variance est :

Var(X)=5–22=5–4=1\text{Var}(X) = 5 – 2^2 = 5 – 4 = 1.

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42. Théorème de Bayes

Méthode

Le théorème de Bayes permet de calculer la probabilité d’un événement AA, sachant qu’un autre événement BB est déjà survenu :

P(A|B)=P(B|A)P(A)P(B)P(A|B) = \frac{P(B|A) P(A)}{P(B)}.

Il est utile pour les événements conditionnels et dans les situations où nous avons des informations supplémentaires.

58

Exercice 58

Dans une classe, 30 % des étudiants sont en filière A et 70 % en filière B. La probabilité qu’un étudiant de la filière A réussisse un test est de 80 %, tandis que celle pour un étudiant de la filière B est de 60 %. Sachant qu’un étudiant a réussi le test, quelle est la probabilité qu’il soit de la filière A ?

Voir la correction détailléeExercice 58

Utilisons le théorème de Bayes :

P(A|B)=P(B|A)P(A)P(B)P(A|B) = \frac{P(B|A) P(A)}{P(B)},

avec :

P(A)=0,3P(A) = 0,3, P(B)=0,7P(B) = 0,7, P(réussite|A)=0,8P(\text{réussite}|A) = 0,8, et P(réussite|B)=0,6P(\text{réussite}|B) = 0,6.

La probabilité totale de réussite est :

P(réussite)=P(réussite|A)P(A)+P(réussite|B)P(B)=0,8×0,3+0,6×0,7=0,24+0,42=0,66P(\text{réussite}) = P(\text{réussite}|A)P(A) + P(\text{réussite}|B)P(B) = 0,8 \times 0,3 + 0,6 \times 0,7 = 0,24 + 0,42 = 0,66.

Donc, la probabilité que l’étudiant soit de la filière A sachant qu’il a réussi est :

P(A|réussite)=0,8×0,30,66=0,240,66≈0,364P(A|\text{réussite}) = \frac{0,8 \times 0,3}{0,66} = \frac{0,24}{0,66} \approx 0,364.

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43. Distributions Normales

Définition

La distribution normale (ou loi normale) est une loi de probabilité continue caractérisée par sa moyenne μ\mu et son écart-type σ\sigma. Elle est souvent appelée courbe en cloche, avec une densité de probabilité donnée par :

f(x)=1σ2πe−(x−μ)22σ2f(x) = \frac{1}{\sigma \sqrt{2\pi}} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}.

59

Exercice 59

Soit une variable aléatoire XX suivant une loi normale de moyenne μ=0\mu = 0 et d’écart-type σ=1\sigma = 1 (loi normale centrée réduite). Calculez la probabilité que XX soit compris entre -1 et 1.

Voir la correction détailléeExercice 59

Dans une loi normale centrée réduite, la probabilité que XX soit compris entre -1 et 1 correspond à environ 68 % de la surface sous la courbe. Donc :

P(−1≤X≤1)≈0,68P(-1 \leq X \leq 1) \approx 0,68.

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44. Intervalle de Confiance

Définition

Un intervalle de confiance est une plage de valeurs dans laquelle un paramètre inconnu (comme la moyenne d’une population) est susceptible de se trouver, avec une certaine probabilité (généralement 95 %). Pour une moyenne, l’intervalle de confiance à 95 % est donné par :

[x‾–zα/2σn,x‾+zα/2σn]\left[ \bar{x} – z_{\alpha/2} \frac{\sigma}{\sqrt{n}}, \bar{x} + z_{\alpha/2} \frac{\sigma}{\sqrt{n}} \right],

où x‾\bar{x} est la moyenne de l’échantillon, zα/2z_{\alpha/2} est le quantile de la loi normale standardisé, σ\sigma est l’écart-type et nn la taille de l’échantillon.

60

Exercice 60

Un échantillon de 100 étudiants a une moyenne de 70 avec un écart-type de 10. Calculez l’intervalle de confiance à 95 % pour la moyenne.

Voir la correction détailléeExercice 60

À 95 %, zα/2=1,96z_{\alpha/2} = 1,96. L’intervalle de confiance est donc :

[70–1,96×10100,70+1,96×10100]\left[ 70 – 1,96 \times \frac{10}{\sqrt{100}}, 70 + 1,96 \times \frac{10}{\sqrt{100}} \right].

En simplifiant :

[70–1,96,70+1,96]=[68,04,71,96]\left[ 70 – 1,96, 70 + 1,96 \right] = [68,04, 71,96].

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45. Théorème Central Limite

Méthode

Le théorème central limite stipule que la somme (ou la moyenne) d’un grand nombre de variables aléatoires indépendantes et identiquement distribuées, ayant une espérance finie et une variance finie, suit approximativement une loi normale, quel que soit la distribution initiale des variables.

61

Exercice 61

Expliquez comment le théorème central limite justifie l’utilisation de la loi normale pour estimer la moyenne d’une population à partir d’un grand échantillon.

Voir la correction détailléeExercice 61

Le théorème central limite nous dit que, pour un échantillon suffisamment grand, la distribution de la moyenne de l’échantillon sera approximativement normale, même si la population elle-même n’est pas normalement distribuée. Cela permet de faire des estimations fiables et de construire des intervalles de confiance basés sur la loi normale.

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46. Test d’Hypothèse

Méthode

Le test d’hypothèse permet de vérifier si une affirmation sur une population est vraie en se basant sur des données d’échantillon. On pose une hypothèse nulle H0H_0 (qui correspond souvent à l’absence d’effet ou de différence) et une hypothèse alternative H1H_1. Le test se base sur le calcul d’une statistique de test et d’un seuil critique.

62

Exercice 62

Un fabricant de médicaments affirme que son nouveau médicament réduit la pression artérielle de 10 mmHg en moyenne. Un test est effectué sur 30 patients, et on obtient une réduction moyenne de 9 mmHg avec un écart-type de 2 mmHg. Testez l’hypothèse à un niveau de signification de 5 %.

Voir la correction détailléeExercice 62

Nous testons H0H_0 : μ=10\mu = 10 contre H1H_1 : μ≠10\mu \neq 10 (test bilatéral). La statistique de test est donnée par :

z=x‾–μσn=9–10230=−1230≈−2,74z = \frac{\bar{x} – \mu}{\frac{\sigma}{\sqrt{n}}} = \frac{9 – 10}{\frac{2}{\sqrt{30}}} = \frac{-1}{\frac{2}{\sqrt{30}}} \approx -2,74.

Le seuil critique pour un niveau de signification de 5 % est zα/2=1,96z_{\alpha/2} = 1,96. Comme |z|=2,74>1,96|z| = 2,74 > 1,96, nous rejetons l’hypothèse nulle. Le médicament semble donc ne pas réduire la pression artérielle de 10 mmHg en moyenne.

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47. Corrélation et Régression

Définitions

La corrélation mesure la force et la direction de la relation linéaire entre deux variables. Le coefficient de corrélation rr est compris entre -1 et 1 :

  • r=1r = 1 : Corrélation parfaite positive.
  • r=0r = 0 : Pas de corrélation linéaire.
  • r=−1r = -1 : Corrélation parfaite négative.

La régression linéaire permet de modéliser la relation entre une variable indépendante xx et une variable dépendante yy à l’aide d’une équation de la forme :

y=ax+by = ax + b.

63

Exercice 63

Les données suivantes représentent le nombre d’heures d’étude et les notes obtenues par 5 étudiants :

Heures d’étude : 2, 4, 6, 8, 10.

Notes : 50, 55, 65, 70, 80.

Calculez le coefficient de corrélation et déterminez l’équation de la droite de régression.

Voir la correction détailléeExercice 63

Le coefficient de corrélation est donné par :

r=n∑xy–∑x∑y(n∑x2–(∑x)2)(n∑y2–(∑y)2)r = \frac{n \sum xy – \sum x \sum y}{\sqrt{(n \sum x^2 – (\sum x)^2)(n \sum y^2 – (\sum y)^2)}}.

Les calculs donneront un coefficient rr proche de 1, indiquant une forte corrélation positive.

L’équation de la droite de régression y=ax+by = ax + b peut être déterminée à l’aide de la méthode des moindres carrés.

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48. Calculs Combinatoires

Méthode

Le calcul combinatoire est utilisé pour compter le nombre de façons dont un certain nombre d’éléments peuvent être choisis ou arrangés. Les formules importantes incluent :

  • Arrangement : Le nombre de façons d’arranger nn objets distincts est n!n!.
  • Combinaison : Le nombre de façons de choisir kk objets parmi nn sans tenir compte de l’ordre est donné par (nk)=n!k!(n−k)!\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}.
64

Exercice 64

Combien de façons y a-t-il de choisir 3 cartes dans un jeu de 52 cartes ?

Voir la correction détailléeExercice 64

Le nombre de façons de choisir 3 cartes parmi 52 est donné par (523)\binom{52}{3} :

(523)=52!3!(52−3)!=52×51×503×2×1=22100\binom{52}{3} = \frac{52!}{3!(52-3)!} = \frac{52 \times 51 \times 50}{3 \times 2 \times 1} = 22100.

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49. Factorielle et Arrangement

Méthode

La factorielle d’un nombre nn, notée n!n!, est le produit de tous les nombres entiers de 1 à nn. Par exemple, 5!=5×4×3×2×1=1205! = 5 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1 = 120.

Le nombre d’arrangements de kk objets parmi nn est donné par :

An,k=n!(n−k)!A_{n,k} = \frac{n!}{(n-k)!}.

65

Exercice 65

Calculez le nombre d’arrangements possibles de 5 lettres parmi les 26 lettres de l’alphabet.

Voir la correction détailléeExercice 65

Le nombre d’arrangements de 5 lettres parmi 26 est donné par A26,5=26!(26−5)!=26×25×24×23×221=7893600A_{26,5} = \frac{26!}{(26-5)!} = \frac{26 \times 25 \times 24 \times 23 \times 22}{1} = 7893600.

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50. Permutation

Définition

Une permutation est un arrangement d’objets dans un ordre particulier. Le nombre total de permutations de nn objets distincts est n!n!.

Si certains objets sont identiques, le nombre de permutations est réduit et est donné par :

P=n!n1!n2!…nk!P = \frac{n!}{n_1! n_2! \dots n_k!},

où n1,n2,…,nkn_1, n_2, \dots, n_k représentent les groupes d’objets identiques.

66

Exercice 66

Combien y a-t-il de façons d’arranger les lettres du mot « BANANE » ?

Voir la correction détailléeExercice 66

Dans le mot « BANANE », il y a 6 lettres, dont 3 N identiques. Le nombre total de permutations est donné par :

P=6!3!=7206=120P = \frac{6!}{3!} = \frac{720}{6} = 120.

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51. Loi de Poisson

Méthode

La loi de Poisson modélise la probabilité du nombre d’événements qui se produisent dans un intervalle de temps ou d’espace fixe, avec une moyenne λ\lambda. La probabilité d’observer kk événements est donnée par :

P(X=k)=λke−λk!P(X = k) = \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!}.

67

Exercice 67

Le nombre moyen de voitures qui passent par un péage est de 5 par minute. Quelle est la probabilité que 7 voitures passent dans une minute donnée ?

Voir la correction détailléeExercice 67

Nous utilisons la loi de Poisson avec λ=5\lambda = 5 et k=7k = 7 :

P(X=7)=57e−57!P(X = 7) = \frac{5^7 e^{-5}}{7!}.

En simplifiant :

P(X=7)=78125×e−55040≈0,1044P(X = 7) = \frac{78125 \times e^{-5}}{5040} \approx 0,1044.

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52. Loi Géométrique

Méthode

La loi géométrique modélise le nombre d’essais jusqu’à la première réussite dans une série d’expériences de Bernoulli indépendantes avec une probabilité de succès pp. La probabilité d’obtenir la première réussite au kk-ème essai est donnée par :

P(X=k)=(1–p)k−1pP(X = k) = (1 – p)^{k-1} p.

68

Exercice 68

Si la probabilité de succès à chaque essai est p=0,2p = 0,2, quelle est la probabilité que la première réussite ait lieu au 3ème essai ?

Voir la correction détailléeExercice 68

La probabilité est donnée par :

P(X=3)=(1–0,2)3−1×0,2=0,82×0,2=0,128P(X = 3) = (1 – 0,2)^{3-1} \times 0,2 = 0,8^2 \times 0,2 = 0,128.

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53. Approximation de Poisson par la Loi Binomiale

Méthode

Quand nn est grand et pp est petit, la loi binomiale B(n,p)B(n, p) peut être approximée par la loi de Poisson avec λ=np\lambda = np. Cette approximation est utile pour des calculs rapides lorsque nn est grand.

69

Exercice 69

Un fabricant d’ampoules produit 1000 ampoules, et chaque ampoule a une probabilité de 0,001 de défaillir. Quelle est la probabilité qu’au plus 2 ampoules soient défaillantes, en utilisant l’approximation de Poisson ?

Voir la correction détailléeExercice 69

Nous avons n=1000n = 1000 et p=0,001p = 0,001, donc λ=np=1\lambda = np = 1. Nous utilisons la loi de Poisson avec λ=1\lambda = 1 :

P(X≤2)=P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)P(X \leq 2) = P(X = 0) + P(X = 1) + P(X = 2).

Calculons chaque probabilité :

P(X=0)=10e−10!=e−1≈0,3679P(X = 0) = \frac{1^0 e^{-1}}{0!} = e^{-1} \approx 0,3679.

P(X=1)=11e−11!=e−1≈0,3679P(X = 1) = \frac{1^1 e^{-1}}{1!} = e^{-1} \approx 0,3679.

P(X=2)=12e−12!=e−12≈0,1839P(X = 2) = \frac{1^2 e^{-1}}{2!} = \frac{e^{-1}}{2} \approx 0,1839.

Donc, P(X≤2)≈0,3679+0,3679+0,1839=0,9197P(X \leq 2) \approx 0,3679 + 0,3679 + 0,1839 = 0,9197.

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54. Fonction de Répartition

Définition

La fonction de répartition F(x)F(x) d’une variable aléatoire XX est définie par :

F(x)=P(X≤x)F(x) = P(X \leq x),

c’est-à-dire la probabilité que XX prenne une valeur inférieure ou égale à xx. Cette fonction est croissante et continue.

70

Exercice 70

Soit XX une variable aléatoire suivant une loi uniforme sur l’intervalle [0, 1]. Quelle est la fonction de répartition F(x)F(x) de XX ?

Voir la correction détailléeExercice 70

Pour X∼U(0,1)X \sim U(0,1), la fonction de répartition est donnée par :

F(x)=P(X≤x)F(x) = P(X \leq x).

Comme XX suit une loi uniforme, nous avons :

F(x)={0si x<0,xsi 0≤x≤1,1si x>1.F(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x < 0, \\ x & \text{si } 0 \leq x \leq 1, \\ 1 & \text{si } x > 1. \end{cases}.

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55. Espérance et Variance d’une Loi de Poisson

Méthode

Pour une variable aléatoire XX suivant une loi de Poisson de paramètre λ\lambda, l’espérance et la variance sont toutes les deux égales à λ\lambda :

E(X)=λetVar(X)=λE(X) = \lambda \quad \text{et} \quad \text{Var}(X) = \lambda.

71

Exercice 71

Une entreprise reçoit en moyenne 4 commandes par jour. Modélisez cette situation avec une loi de Poisson et calculez l’espérance et la variance du nombre de commandes.

Voir la correction détailléeExercice 71

Nous modélisons le nombre de commandes par une loi de Poisson avec λ=4\lambda = 4. L’espérance et la variance sont donc :

E(X)=4etVar(X)=4E(X) = 4 \quad \text{et} \quad \text{Var}(X) = 4.

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56. Approximation Normale de la Loi Binomiale

Méthode

Lorsque nn est grand, la loi binomiale B(n,p)B(n, p) peut être approximée par une loi normale N(np,np(1−p))N(np, \sqrt{np(1-p)}). Cette approximation est valable si np≥5np \geq 5 et n(1−p)≥5n(1-p) \geq 5.

72

Exercice 72

Une pièce est lancée 100 fois, et on note la probabilité de succès (face) comme étant p=0,5p = 0,5. Utilisez l’approximation normale pour calculer la probabilité d’obtenir entre 40 et 60 faces.

Voir la correction détailléeExercice 72

Pour n=100n = 100 et p=0,5p = 0,5, nous avons :

μ=np=100×0,5=50etσ=np(1−p)=100×0,5×0,5=5\mu = np = 100 \times 0,5 = 50 \quad \text{et} \quad \sigma = \sqrt{np(1-p)} = \sqrt{100 \times 0,5 \times 0,5} = 5.

Nous utilisons l’approximation normale pour calculer la probabilité :

P(40≤X≤60)≈P(40,5–505≤Z≤60,5–505)=P(−1,9≤Z≤2,1)P(40 \leq X \leq 60) \approx P\left( \frac{40,5 – 50}{5} \leq Z \leq \frac{60,5 – 50}{5} \right) = P(-1,9 \leq Z \leq 2,1).

À partir des tables de la loi normale, nous obtenons :

P(−1,9≤Z≤2,1)≈0,9713–0,0287=0,9426P(-1,9 \leq Z \leq 2,1) \approx 0,9713 – 0,0287 = 0,9426.

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57. Moment d’Ordre k

Définition

Le moment d’ordre kk d’une variable aléatoire XX est défini par :

E(Xk)=∫−∞∞xkfX(x)dxE(X^k) = \int_{-\infty}^{\infty} x^k f_X(x) dx,

où fX(x)f_X(x) est la densité de probabilité de XX. Pour une variable discrète, la somme remplace l’intégrale.

73

Exercice 73

Calculez le moment d’ordre 2 pour une variable aléatoire XX suivant une loi uniforme sur [0,1].

Voir la correction détailléeExercice 73

Pour X∼U(0,1)X \sim U(0,1), la densité de probabilité est fX(x)=1f_X(x) = 1 pour x∈[0,1]x \in [0,1] et 0 sinon. Le moment d’ordre 2 est donné par :

E(X2)=∫01x2dx=x33|01=13E(X^2) = \int_0^1 x^2 dx = \frac{x^3}{3} \Big|_0^1 = \frac{1}{3}.

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