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Problème — Le radon dans une cave

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques complémentaires (terminale), chapitre 7 — Intégration

Énoncé

Problème — Le radon dans une cave.

Le radon est un gaz radioactif naturel qui s'accumule dans les sous-sols. Dans une cave équipée d'une ventilation qui se met en route le matin, le débit de dose mesuré, en Sv/h, est modélisé par

étant compté en heures depuis h du matin. On note la dose cumulée depuis h.

Corrigé

donc est concave. Concrètement : la dose continue de monter, mais de moins en moins vite, parce que la ventilation fait baisser le débit de dose. Une heure passée en fin de journée est moins « coûteuse » qu'une heure passée le matin.

On vérifie et . Pour vingt-quatre heures :

On contrôle avec l'encadrement par les bornes : décroît de à , donc , c'est-à-dire .

donc la dose de Sv est atteinte entre h et h après le début, soit vers h 15.

d'où, sur une année,

C'est un peu plus de la moitié du repère de Sv par an.


from math import exp
from random import random, seed

f = lambda t: 0.2 + 0.6 * exp(-0.1 * t)
exact = 0.2 * 24 + 6 * (1 - exp(-2.4))

def rectangles(f, a, b, n, cote):
    h = (b - a) / n
    s = 0
    for k in range(n):
        x = a + k * h if cote == "gauche" else a + (k + 1) * h
        s = s + f(x)
    return h * s

def trapezes(f, a, b, n):
    h = (b - a) / n
    s = (f(a) + f(b)) / 2
    for k in range(1, n):
        s = s + f(a + k * h)
    return h * s

def monte_carlo(f, a, b, hmax, n):
    dedans = 0
    for _ in range(n):
        x = a + (b - a) * random()
        y = hmax * random()
        if y <= f(x):
            dedans = dedans + 1
    return (b - a) * hmax * dedans / n

print("exact                  ", round(exact, 4))
for n in [6, 24, 240]:
    print("n =", n,
          "| gauche", round(rectangles(f, 0, 24, n, "gauche"), 4),
          "| droite", round(rectangles(f, 0, 24, n, "droite"), 4),
          "| trapezes", round(trapezes(f, 0, 24, n), 4))
seed(2026)
print("Monte-Carlo n = 10^6   ", round(monte_carlo(f, 0, 24, 0.8, 1000000), 4))

```text

exact 10.2557 n = 6 | gauche 11.4194 | droite 9.2371 | trapezes 10.3282 n = 24 | gauche 10.533 | droite 9.9875 | trapezes 10.2602 n = 240 | gauche 10.283 | droite 10.2285 | trapezes 10.2557 Monte-Carlo n = 10^6 10.2643

    La fonction étant décroissante, les rectangles de droite sont sous la courbe et
    ceux de gauche au-dessus : l'encadrement est valable à chaque ligne, et l'on
    vérifie qu'il contient bien . Les trapèzes donnent quatre décimales
    justes dès , quand un million de tirages aléatoires n'en donne que
    deux.

Ce problème résume le chapitre : la dose cumulée est une *aire*, ses variations
et sa convexité se lisent sur  sans aucun calcul grâce au théorème fondamental,
sa valeur exacte s'obtient par une *primitive*, et quand la primitive
manquerait, trois algorithmes prennent le relais. Aucun de ces quatre points de vue
ne remplace les autres.

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