Problème — Le pic épidémique
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques complémentaires (terminale), chapitre 5 — Convexité
Énoncé
Problème — Le pic épidémique.
Une épidémie se déclare dans une ville de habitants. Le nombre cumulé de personnes contaminées jours après le premier cas est modélisé par
- Calculer , arrondi à l'unité, puis déterminer la limite de en . Interpréter.
- Démontrer que, pour tout , , et en déduire le sens de variation de .
- En dérivant cette relation, montrer que , puis établir l'existence d'un point d'inflexion.
- Déterminer le jour du pic (valeur exacte, puis arrondie au dixième) et le nombre maximal de nouveaux cas quotidiens.
- Au bout de combien de jours personnes auront-elles été contaminées ?
- Le pic marque-t-il la fin de l'épidémie ?
Corrigé
- Départ et plafond :
soit environ personnes déjà contaminées le premier jour. Quand devient grand, tend vers , donc le dénominateur tend vers et tend vers : le modèle prévoit que toute la ville finit par être touchée.
- Une équation vérifiée par : posons , de sorte que et . Alors
Par ailleurs, comme :
d'où
Comme , on a , donc les deux facteurs sont strictement positifs : et est strictement croissante.
- Dérivée seconde : en dérivant :
Puisque , le signe de est celui de , c'est-à-dire celui de . Or croît strictement de vers : il existe donc un unique instant où . Avant, (courbe convexe) ; après, (courbe concave). Il y a bien un point d'inflexion, atteint exactement quand le cumul vaut la moitié de la population.
- Le jour du pic :
d'où, puisque :
Le nombre de nouveaux cas ce jour-là est le maximum de :
- Le cap des 4000 cas :
donc et
- Non : au douzième jour, la moitié seulement de la population a été touchée, et le total continue de croître vers . Ce qui change au pic, c'est que le nombre de nouveaux cas quotidiens se met à diminuer : l'épidémie cesse de s'aggraver, elle ne s'arrête pas. C'est pour cette raison que le point d'inflexion est la grandeur surveillée : il arrive bien avant que les courbes ne se stabilisent.
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