Choisir le bon repère et extraire l’information

Face à des données, le repère où elles s’alignent renseigne sur le type de modèle. C’est le cœur de la compétence A8.

✎ Exercice 4.3 A8 · T1 ★★☆

Pour chacune des situations, indique dans quel repère les données formeront une droite, et quel type de modèle cela révèle.

  1. Un capital placé à intérêts composés, relevé chaque année. → semi-log (\(t\), \(\log C\)) : exponentiel.
  2. La distance de freinage d’une voiture en fonction de sa vitesse (\(d = k v^{2}\)). → log-log : puissance (pente \(2\)).
  3. La taille d’un enfant en fonction de son âge, entre \(2\) et \(10\) ans (croissance régulière). → linéaire : affine.

Relis les propriétés 4.1 (semi-log) et 4.2 (log-log).

Quel type de modèle décrit chaque situation : affine, exponentiel ou puissance ?

Un capital à intérêts composés est multiplié par un même nombre chaque année ; \(d = k v^{2}\) est une puissance de \(v\).

  1. Capital à intérêts composés : \(C(t) = C_{0} \cdot (1 + r)^{t}\), modèle exponentiel. Les données forment une droite dans un repère semi-logarithmique (\(t\) linéaire, \(C\) logarithmique).
  2. Distance de freinage \(d = k v^{2}\) : modèle puissance. Les données forment une droite dans un repère log-log, de pente \(2\).
  3. Taille d’un enfant qui croît régulièrement : modèle affine. Les données forment une droite dans un repère ordinaire (linéaire).
  • Choisir le semi-log pour \(d = k v^{2}\) : \(v^{2}\) est une puissance, pas une exponentielle.

✎ Exercice 4.4 A8 ★★★

On trace une même série de mesures dans trois repères : linéaire, semi-logarithmique et log-log. Elle ne forme une droite que dans un d’entre eux : le repère semi-logarithmique. Que peux-tu en conclure sur le modèle, et pourquoi les deux autres tracés sont-ils courbés ?

Puisque les données ne s’alignent qu’en semi-log, le modèle est exponentiel (\(y = C \cdot a^{x}\)). Dans le repère linéaire, une exponentielle est une courbe qui s’envole (concave vers le haut) ; dans le repère log-log, \(\log y\) est affine en \(x\), pas en \(\log x\), donc le tracé y est encore courbé. Seul le repère dont l’axe vertical porte \(\log y\) contre un axe horizontal linéaire redresse la courbe en droite.

Relis les propriétés 4.1 et 4.2.

Dans quel repère une exponentielle devient-elle une droite ? Et une puissance ?

Si \(y = C \cdot a^{x}\), alors \(\log y = \log C + x \log a\) : \(\log y\) est affine en \(x\).

Les données ne s’alignent qu’en semi-log : le modèle est exponentiel, \(y = C \cdot a^{x}\).

En effet, \(\log y = \log C + x \log a\) est une fonction affine de \(x\) : on obtient une droite quand l’axe vertical porte \(\log y\) et l’axe horizontal \(x\) (semi-log).

  • Dans le repère linéaire, on trace \(y\) en fonction de \(x\) : une exponentielle, courbée.
  • Dans le repère log-log, on trace \(\log y\) en fonction de \(\log x\) ; \(\log y\) est affine en \(x\), pas en \(\log x\), donc le tracé reste courbé.
  • Conclure à une puissance : ce sont les puissances qui s’alignent en log-log.

✎ Exercice 4.5 A8 · T3 ★★★

Sur un repère semi-logarithmique, l’activité d’un échantillon radioactif décroît en ligne droite : elle passe de \(800\) (à \(t = 0\) jour) à \(8\) (à \(t = 6\) jours). a) Justifie que la décroissance est exponentielle. b) Détermine \(C\) et la base \(a\) du modèle \(A(t) = C \cdot a^{t}\). c) Au bout de combien de jours l’activité vaut-elle \(80\) ?

  1. Alignement en semi-log ⟹ modèle exponentiel. b) En \(t = 0\) : \(C = 800\). De \(t = 0\) à \(t = 6\), \(A\) est divisée par \(100\), donc \(a^{6} = 1 / 100\), soit \(a = (10^{-2})^{1/6} = 10^{-1/3} \approx 0{,}46\). c) \(A(t) = 80\) correspond à une division par \(10\), soit une décade sur les deux perdues en \(6\) jours : \(t = 3\) jours. Vérification : \(A(3) = 800 \cdot 10^{-3/3} = 800 \cdot 10^{-1} = 80\).

Relis la propriété 4.1 et l’exemple 4.1.

De \(800\) à \(8\), combien de décades l’activité perd-elle ? En combien de jours ?

\(A\) est divisée par \(100 = 10^{2}\) en \(6\) jours, donc par \(10\) tous les \(3\) jours.

  1. Dans un repère semi-logarithmique, les points sont alignés : la décroissance est exponentielle (propriété 4.1).

  2. \(A(0) = C = 800\). De \(t = 0\) à \(t = 6\), \(A\) est divisée par \(100\) : \(800 \cdot a^{6} = 8\), donc \(a^{6} = \frac{1}{100} = 10^{-2}\) et \(a = 10^{-2/6} = 10^{-1/3} \approx 0{,}464\).

  3. \(A(t) = 800 \cdot 10^{-t/3} = 80 \Longleftrightarrow 10^{-t/3} = 10^{-1} \Longleftrightarrow t = 3\). L’activité vaut \(80\) au bout de \(3\) jours.

  • Répondre \(2\) jours : \(80\) correspond à une division par \(10\), c’est-à-dire la moitié des deux décades perdues en \(6\) jours, soit \(3\) jours.