Analyse Pédagogique de l'Exercice : Alimentation des Canons à Neige

Cet exercice, issu du Sujet 0V2 de 2021 pour la spécialité Physique-Chimie et Mathématiques (PCM) du bac STI2D, est un cas d'école sur l'application du calcul intégral dans un contexte industriel et environnemental. L'objectif est de déterminer l'aire d'une surface complexe modélisée par des fonctions exponentielles pour valider la faisabilité d'un projet de retenue d'eau.

Compétences Techniques et Mathématiques Requises

Pour réussir cet exercice, l'élève doit mobiliser plusieurs compétences clés du programme de terminale STI2D :

• Dérivation et Primitives : La première question demande de vérifier une primitive. La méthode la plus efficace consiste à dériver la fonction $F$ fournie pour retrouver $f$. Cela nécessite la maîtrise de la règle de dérivation du produit $(uv)' = u'v + uv'$ combinée à la dérivée de $e^{-x}$.
• Intégration et Calcul d'Aire : L'aire sous une courbe est définie par l'intégrale de la fonction sur un intervalle. Ici, il faut calculer $\int_{0}^{4} f(x) dx = [F(x)]_{0}^{4}$.
• Exploitation des Symétries : C'est le point crucial de l'exercice. La figure montre que le bassin est composé de 4 parties symétriques. L'aire totale correspond donc à 4 fois l'intégrale calculée précédemment.
• Gestion des échelles : Une erreur classique consiste à oublier que 1 unité graphique vaut 15 mètres. L'aire en unités d'aire doit être multipliée par $15 \times 15 = 225$ pour obtenir des mètres carrés.

Focus sur la résolution : Du modèle au résultat réel

La fonction $f(x) = -(x^2 - 3,8x + 1,8)e^{-x} + 1,8$ modélise la bordure supérieure. En dérivant $F(x) = (x^2 - 1,8x)e^{-x} + 1,8x$, on utilise $u(x) = x^2 - 1,8x$ et $v(x) = e^{-x}$. On obtient bien $f(x)$ après simplification. Le calcul de l'intégrale sur $[0;4]$ donne $F(4) - F(0) = (16 - 7,2)e^{-4} + 7,2 - 0 = 8,8e^{-4} + 7,2$.

En multipliant par 4 pour la symétrie, on obtient $28,8 + 35,2e^{-4}$ unités d'aire. Enfin, la conversion en mètres carrés (multiplication par 225) mène au résultat final : $S = 6480 + 7920e^{-4} \approx 6625 \text{ m}^2$. Cette démarche rigoureuse est typique des épreuves de STI2D où l'abstraction mathématique sert directement la résolution d'un problème technique.