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.
- Sans calculer , justifier qu'elle est croissante et concave. Que signifie concrètement cette concavité ?
- Calculer , puis la dose reçue par une personne restant vingt-quatre heures dans la cave.
- Au bout de combien de temps la dose cumulée atteint-elle Sv ? Encadrer la réponse par balayage au pas .
- Un habitant descend deux heures par jour dans sa cave, à partir de h. Estimer sa dose annuelle et la comparer au repère de Sv par an retenu pour le public.
- Comparer les trois méthodes numériques du chapitre sur .
Corrigé
- Variations et convexité de , sans calcul. La fonction est continue sur , donc, d'après le théorème fondamental (admis), est dérivable et . Or : est strictement croissante — une dose ne peut que s'accumuler. Ensuite et
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.
- Calcul et dose journalière. Une primitive de est , donc
On vérifie et . Pour vingt-quatre heures :
On contrôle avec l'encadrement par les bornes : décroît de à , donc , c'est-à-dire .
- Seuil de Sv. est continue et strictement croissante de à ; comme est compris entre ces deux valeurs, le théorème des valeurs intermédiaires (admis) garantit une solution et une seule. Le balayage au pas donne
donc la dose de Sv est atteinte entre h et h après le début, soit vers h 15.
- Dose annuelle. Deux heures par jour à partir de h :
d'où, sur une année,
C'est un peu plus de la moitié du repère de Sv par an.
- Les trois méthodes.
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.Les autres exercices de ce chapitre Le cours du chapitre
Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.