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Modéliser la vitesse instantanée de propagation
d’une épidémie à l’aide du nombre dérivé
Mathématiques 1ère spécialité
Dérivation
Introduction du nombre dérivé
Compétences : Calculer, Modéliser, Représenter

Objectif : Le but de cette activité est d’introduire la notion de nombre dérivé comme outil pour étudier la vitesse de propagation d’une épidémie (grippe en 2017, coronavirus en 2020).

Partie A : prérequis

On a représenté la courbe \(\mathscr{C}_f\) de la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x)=0{,}5x^3+2x^2-x+4\).

1

A est le point d’abscisse \(0{,}5\) de la courbe \(\mathscr{C}_f\), calculer l’ordonnée du point A.

\(y_A=\)
\(y_A=f(0{,}5)\) \(=0{,}5\times 0{,}5^3+2\times 0{,}5^2-0{,}5+4\) \(=0{,}5\times 0{,}125+2\times 0{,}25-0{,}5+4\) \(=0{,}0625+0{,}5-0{,}5+4\) \(=4{,}0625\) Donc \(A(0{,}5\,;\,4{,}0625)\).
2

M est le point d’abscisse \(1{,}5\) de la courbe \(\mathscr{C}_f\), calculer l’ordonnée du point M.

\(y_M=\)
\(y_M=f(1{,}5)\) \(=0{,}5\times 1{,}5^3+2\times 1{,}5^2-1{,}5+4\) \(=0{,}5\times 3{,}375+2\times 2{,}25-1{,}5+4\) \(=1{,}6875+4{,}5-1{,}5+4\) \(=8{,}6875\) Donc \(M(1{,}5\,;\,8{,}6875)\).
3

Calculer le coefficient directeur de la droite (AM) que l’on a appelé \(\tau(0{,}5\,;\,1{,}5)\) dans ce chapitre.

\(\tau(0{,}5\,;\,1{,}5)=\)
\(\tau(0{,}5\,;\,1{,}5)=\dfrac{f(1{,}5)-f(0{,}5)}{1{,}5-0{,}5}\) \(=\dfrac{8{,}6875-4{,}0625}{1{,}5-0{,}5}\) \(=\dfrac{4{,}625}{1}\) \(=4{,}625\)
Quand \(x\) augmente de 1 (de 0,5 à 1,5), \(f(x)\) augmente de 4,625 : c’est le taux de variation moyen de \(f\) entre 0,5 et 1,5.

Partie B : étude de l’épidémie de grippe de l’hiver 2016/2017

Le réseau Sentinelles (INSERM – MÉDECINE SORBONNE UNIVERSITÉ – SANTÉ PUBLIQUE FRANCE) fournit les chiffres suivants pour les syndromes grippaux apparents de l’hiver 2016/2017 :

Semaine50515212345678
Rang de la semaine012345678910
Nombre de cas126570187704224489255535260588--193677-5959029545

Données réseau Sentinelles, www.sentiweb.fr

En plaçant ces points dans un graphique, tel un nuage de points réalisé à l’aide du tableur, on remarque qu’il est intéressant de les approcher par une fonction polynôme du second degré.

1

Calculer l’augmentation moyenne du nombre de cas entre la semaine de rang 1 et la semaine de rang 3, on obtient ainsi la vitesse moyenne de propagation de la grippe entre la semaine de rang 1 et la semaine de rang 3.

Vitesse moyenne :cas par semaine
Vitesse moyenne \(=\dfrac{\text{nombre de cas au rang 3}-\text{nombre de cas au rang 1}}{3-1}\) \(=\dfrac{255\,535-187\,704}{3-1}\) \(=\dfrac{67\,831}{2}\) \(=33\,915{,}5\)
Entre la semaine de rang 1 et la semaine de rang 3, le nombre de cas a augmenté en moyenne de 33 915,5 cas par semaine.

L’objectif de ce qui suit est de connaître la vitesse de propagation ou de disparition de la grippe de manière instantanée, sans faire de moyenne et sans attendre la fin de la semaine.

A1
ABCDEFGHIJKL
1Rang de la semaine
2Nombre de cas
Supprimer
Rétablir le style d’origine
Modifier le type de graphique…
Sélectionner des données…
Rotation 3D…
Ajouter des étiquettes de données
Ajouter une courbe de tendance…
Mettre en forme une série de données…

Format de courbe de tendance

Exponentielle
Linéaire
Logarithmique
Polynomiale Degré 1
Puissance
Moyenne mobile

Définir l’interception
Afficher l’équation sur le graphique
Afficher le coefficient de détermination
2

Le tableur trace cette courbe et nous en donne une équation.

On obtient ainsi que le nombre de malades peut être modélisé par la fonction \(f\) définie sur \([0\,;\,30]\) par :

\(f(x)=-7200x^2+59483x+133585\)

Sur ce graphique, placer le point A de coordonnées \((7\,;\,f(7))\), placer le point \(M_1\) de coordonnées \((9\,;\,f(9))\) puis tracer la sécante \((AM_1)\).

\(f(7)=\)
\(f(9)=\)
\(f(7)=-7200\times 7^2+59483\times 7+133585\) \(=-7200\times 49+416\,381+133\,585\) \(=-352\,800+416\,381+133\,585\) \(=197\,166\) \(f(9)=-7200\times 9^2+59483\times 9+133585\) \(=-7200\times 81+535\,347+133\,585\) \(=-583\,200+535\,347+133\,585\) \(=85\,732\) Donc \(A(7\,;\,197\,166)\) et \(M_1(9\,;\,85\,732)\). L’animation ci-contre montre le placement des points et le tracé de la sécante.
3

Calculer le coefficient directeur de la droite \((AM_1)\), comment l’interpréter concrètement ?

Coefficient directeur :
\(\tau(7\,;\,9)=\dfrac{f(9)-f(7)}{9-7}\) \(=\dfrac{85\,732-197\,166}{9-7}\) \(=\dfrac{-111\,434}{2}\) \(=-55\,717\)
Le coefficient directeur est négatif : la grippe recule. Entre la semaine de rang 7 et la semaine de rang 9, le nombre de malades diminue en moyenne de 55 717 cas par semaine : c’est une vitesse moyenne de disparition de la grippe sur 2 semaines.
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On veut maintenant obtenir une vitesse de disparition de la grippe en étudiant une période de 6 jours. Pour la construction, on va utiliser Geogebra, en zoomant autour du point A :

Figure 1

Sur le graphique avec zoom (figure 2), placer 6 jours après le point A le point \(M_2\) puis tracer la sécante \((AM_2)\). Calculer le coefficient directeur de la droite \((AM_2)\), comment l’interpréter concrètement ?

Figure 2
Coefficient directeur de \((AM_2)\) :
Une semaine compte 7 jours, donc 1 jour \(=\dfrac{1}{7}\) de semaine et 6 jours \(=\dfrac{6}{7}\) de semaine. C’est pour cela que la graduation de la figure 2 avance de \(\dfrac17\approx 0{,}14\) : 7,14 ; 7,29 ; 7,43… \(x_{M_2}=7+\dfrac{6}{7}=\dfrac{55}{7}\approx 7{,}86\) Lecture graphique : \(y_{M_2}\approx 156\,000\). Par le calcul : \(f\left(\dfrac{55}{7}\right)=-7200\times\left(\dfrac{55}{7}\right)^2+59483\times\dfrac{55}{7}+133585\) \(\approx -444\,490+467\,366+133\,585\) \(\approx 156\,462\) Coefficient directeur : \(\tau=\dfrac{f\left(\frac{55}{7}\right)-f(7)}{\frac{55}{7}-7}\) \(\approx\dfrac{156\,462-197\,166}{\frac{6}{7}}\) \(\approx\dfrac{-40\,704}{\frac{6}{7}}\) \(\approx -40\,704\times\dfrac{7}{6}\) \(\approx -47\,488\)
Sur les 6 jours qui suivent le début de la semaine de rang 7, le nombre de malades diminue en moyenne à la vitesse d’environ 47 500 cas par semaine. (Avec une lecture graphique, on trouve une valeur proche, autour de −47 000.)
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Sans tracer d’autres points supplémentaires comment obtenir la vitesse instantanée de disparition de la grippe au point A (semaine de rang 7) ?
On notera \(f'(7)\) cette vitesse de disparition instantanée.
Donner une estimation graphique de cette vitesse de disparition instantanée.

Durée entre A et M : 2 semaines
Coefficient directeur de (AM) : −55 717
Durée AMCoefficient directeur de (AM)
Estimation de \(f'(7)\) :
On rapproche le point M de A en prenant une durée de plus en plus courte : 2 semaines, 6 jours, 3 jours, 1 jour, 1 heure… La sécante (AM) « pivote » autour de A et se rapproche d’une droite limite : la tangente à la courbe au point A.

La vitesse instantanée \(f'(7)\) est le coefficient directeur de la tangente à la courbe au point A.

Lecture graphique sur la tangente : quand on avance de 1 semaine (de 7 à 8), on descend d’environ 41 000 cas. \(f'(7)\approx\dfrac{-41\,000}{1}\approx -41\,000\)
Au début de la semaine de rang 7, la grippe disparaît à la vitesse d’environ 41 000 cas par semaine.
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Nous verrons des outils mathématiques qui permettent de trouver une formule pour cette vitesse instantanée. On admet que pour la situation étudiée ici, cette vitesse instantanée est :

\(f'(x)=-14400x+59483\)

En utilisant cette formule calculer \(f'(7)\) puis \(f'(1)\).

\(f'(7)=\)
\(f'(1)=\)
\(f'(7)=-14400\times 7+59483\) \(=-100\,800+59\,483\) \(=-41\,317\) \(f'(1)=-14400\times 1+59483\) \(=-14\,400+59\,483\) \(=45\,083\)
\(f'(7)=-41\,317<0\) : au début de la semaine de rang 7, la grippe disparaît à la vitesse de 41 317 cas par semaine (cohérent avec l’estimation graphique de la question 5).
\(f'(1)=45\,083>0\) : au début de la semaine de rang 1, la grippe se propage à la vitesse de 45 083 nouveaux cas par semaine.
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En utilisant la figure 1, estimer graphiquement sur quel intervalle \(f'(x)>0\) et sur quel intervalle \(f'(x)<0\) ? Concrètement à quoi correspond la valeur pour laquelle \(f'(x)=0\) ?

Valeur de \(x\) pour laquelle \(f'(x)=0\) (environ) :
Graphiquement :
  • sur \([0\,;\,4{,}1]\) environ, la courbe monte : les tangentes ont un coefficient directeur positif, donc \(f'(x)>0\) ;
  • à partir de \(x\approx 4{,}1\), la courbe descend : les tangentes ont un coefficient directeur négatif, donc \(f'(x)<0\).
Au sommet de la parabole, la tangente est horizontale : \(f'(x)=0\). Avec la formule : \(f'(x)=0\iff -14400x+59483=0\) \(\iff -14400x=-59483\) \(\iff x=\dfrac{59483}{14400}\approx 4{,}13\)
La valeur pour laquelle \(f'(x)=0\) correspond au pic de l’épidémie : le nombre de malades est maximal, la grippe arrête de progresser et commence à reculer (vers la semaine de rang 4, c’est-à-dire la semaine 2 de 2017).

Partie C : étude de l’épidémie de coronavirus en 2020

1

Placer sur le graphique le point \(A(7\,;\,6600)\) et estimer la vitesse instantanée de propagation \(f'(7)\) pour la semaine de rang 7 (16/03/2020).

Fais pivoter la droite autour de A jusqu’à ce qu’elle soit tangente à la courbe :
Coefficient directeur de ta droite en A : 40 000
Estimation de \(f'(7)\) :cas par semaine
On trace la tangente à la courbe au point A. Sur cette tangente, quand on avance de 5 semaines, on monte d’environ 47 000 cas : \(f'(7)\approx\dfrac{47\,000}{5}\approx 9\,400\)
Le 16/03/2020, l’épidémie se propage à la vitesse d’environ 9 000 à 10 000 nouveaux cas par semaine (toute estimation de cet ordre est acceptable).
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Placer sur le graphique le point \(B(10\,;\,91600)\) et estimer la vitesse instantanée de propagation \(f'(10)\) pour la semaine de rang 10 (30/03/2020).

Fais pivoter la droite autour de B :
Coefficient directeur de ta droite en B : 10 000
Estimation de \(f'(10)\) :cas par semaine
On trace la tangente à la courbe au point B. Sur cette tangente, quand on avance de 2 semaines, on monte d’environ 80 000 cas : \(f'(10)\approx\dfrac{80\,000}{2}\approx 40\,000\)
Le 30/03/2020, l’épidémie se propage à la vitesse d’environ 40 000 nouveaux cas par semaine, soit environ 4 fois plus vite que le 16/03/2020.

Ce qu’il faut retenir

• Le coefficient directeur d’une sécante (AM) donne une vitesse moyenne entre deux instants.

• En rapprochant M de A, la sécante se rapproche de la tangente en A.

• Le coefficient directeur de la tangente au point d’abscisse \(a\) est le nombre dérivé \(f'(a)\) : c’est la vitesse instantanée.

• \(f'(a)>0\) : la quantité augmente ; \(f'(a)<0\) : elle diminue ; \(f'(a)=0\) : tangente horizontale (ici, le pic de l’épidémie).