Banque PT Mathématiques 1A PT 2002Sujet et corrigé
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* Banque filière PT **
Epreuve de Mathématiques I-A
L'usage des machines à calculer est interdit.
Toutes les réponses seront justifiées
La notation tiendra compte du soin apporté à la rédaction.
Les quatre parties sont largement indépendantes
Partie 1
Soit la série entière
∑(z^n)/n dont le terme général est défini pour
n ≥ 1 et dans laquelle
z désigne la variable complexe.
Question 1
a) Déterminer le rayon de convergence
R de cette série.
b) Est-elle convergente pourz = 1 ? Pour
z = − 1 ?
b) Est-elle convergente pour
Question 2
Pour
x réel vérifiant
|x| < R , on note
S(x) = ∑_(n = 1)^∞(x^n)/n .
a) CalculerS^′(x) .
b) En déduireS(x) .
a) Calculer
b) En déduire
Question 3
Etudier la convergence des séries numériques
∑(− 1/21/(3p + 1) − 1/21/(3p + 2) + 1/(3p + 3)) et
∑(1/(3p + 1) − 1/(3p + 2)) , où
p est entier positif ou nul.
La série
∑(z^n)/n converge-t-elle pour
z = e^(2iπ/3) ? Indication: on pourra représenter
z^(3p + 1), z^(3p + 2) ainsi que
z^(3p + 3) dans le plan complexe.
Question 4
a) Pour tout réel
θ tel que
e^(iθ) est différent de 1 , calculer la somme
∑_(k = p)^(k = q)e^(ikθ) pour
p et
q entiers strictement positifs vérifiant
p < q .
b) Vérifier que cette expression est bornée lorsquee^(iθ) est différent de 1.
c) Soitu_n une suite de nombres réels tendant vers 0 et vérifiant de plus la propriété suivante: la série de terme général
|u_(n + 1) − u_n| est convergente. Soit
v_n une suite de nombres complexes pour laquelle il existe un réel
M fini tel que, pour tous entiers strictement positifs
p et
q , avec
p < q , on a
|∑_(k = p)^(k = q)v_k| ≤ M . On admet la propriété suivante: la série de terme général
u_n v_n converge.
b) Vérifier que cette expression est bornée lorsque
c) Soit
Etudier la convergence de la série
∑(z^n)/n lorsque
z est un nombre complexe différent de 1 et de module égal à 1 .
Partie 2
Soit
P le sous-ensemble du plan complexe
ℂ défini par
Re(z) > 0 .
Pour toutz de
P , on désigne par
Arg(z) l'unique argument de
z qui appartient à l'intervalle
] − π/2, π/2[ .
Pour tout
On note alors
F la fonction définie sur
P par la relation
F(z) = ln(|z|) + iArg(z) .
Question 1
Pour tout
z de
P , calculer
e^(F(z)) .
Question 2
Pour tout
z de
P écrit sous la forme
z = x + iy , avec
x réel strictement positif et
y réel, on pose
P(x, y) = Re(F(z)) et
Q(x, y) = Im(F(z)) .
a) ExprimerQ à l'aide de la fonction Arctan.
b) Calculer(∂P(x, y))/(∂x) − (∂Q(x, y))/(∂y) et
(∂P(x, y))/(∂y) + (∂Q(x, y))/(∂x) .
c) Pour toute fonctionφ de classe
C^2 d'un ouvert de
R × R dans
R , on définit le laplacien
Δφ de
φ par la relation
Δφ(x, y) = (∂^2 φ(x, y))/(∂x^2) + (∂^2 φ(x, y))/(∂y^2) .
a) Exprimer
b) Calculer
c) Pour toute fonction
Calculer
ΔP et
ΔQ .
d) Soitγ une courbe fermée sans point double, orientée, de classe
C^1 et contenue dans
P . En se ramenant à des intégrales doubles, calculer les intégrales
∫_γ P(x, y)dx − Q(x, y)dy et
∫_γ Q(x, y)dx + P(x, y)dy .
d) Soit
Question 3
a) A-t-on la relation
1 − z ∈ P dès que
z est un nombre complexe différent de 1 et de module inférieur ou égal à 1 ?
b) On admet que pour toutz du plan complexe
ℂ différent de 1 et de module inférieur ou égal à 1 , on a la relation :
∑_(n = 1)^∞(z^n)/n = − F(1 − z) . En déduire la valeur de
∑_(n = 1)^∞(sin(nθ))/n en fonction de
θ pour tout
θ de
]0, 2π[ .
b) On admet que pour tout
Partie 3
Soit
θ un réel donné appartenant à
]0, π[ .
Soitf la fonction de la variable réelle périodique de période
2π , paire, définie sur
[0, π] par les relations:
f(x) = 1 pour
x ∈ [0, θ[, f(θ) = 1/2, f(x) = 0 pour
x ∈ ]θ, π] .
a) Représenter graphiquementf sur
[ − π, 2π] .
b) Déterminer la série de Fourier def .
c) Etudier la convergence de cette série de Fourier.
d) En déduire directement la valeur de la somme de la série∑_(n = 1)^∞(sin(nθ))/n pour
θ ∈ ]0, π[ , puis pour
θ ∈ ]π, 2π[ .
Soit
a) Représenter graphiquement
b) Déterminer la série de Fourier de
c) Etudier la convergence de cette série de Fourier.
d) En déduire directement la valeur de la somme de la série
Partie 4
Soit
g la fonction réelle de la variable réelle,
2π -périodique, définie par
g(0) = 0 et par
g(x) = (π − x)/2 pour tout
x dans
]0, 2π[ .
Question 1
a) Représenter graphiquement
g sur
[ − 4π, 4π] .
b) Déterminer la série de Fourier deg .
b) Déterminer la série de Fourier de
Question 2
a) Etudier la convergence de cette série.
b) En déduire la valeur de∑_(p = 0)^∞((− 1)^p)/(2p + 1) et de
∑_(n = 1)^∞1/(n^2) .
b) En déduire la valeur de
Question 3
a) En utilisant par exemple le résultat obtenu en 1.4.a), exprimer en fonction de
n et de
θ la somme finie
∑_(k = 1)^(k = n)coskθ .
b) Pourx réel, on pose
S_n(x) = ∑_(k = 1)^(k = n)(sin(kx))/k . Etablir que, pour tout
x de
]0, π[ , on a la relation:
S_n(x) = − x/2 + ∫_0^x(sin((n + 1/2)t))/(2sin(t/2))dt .
c) La fonctiont ↦ 1/(sint) − 1/t peut-elle être prolongée par continuité en 0 ?
b) Pour
c) La fonction
Soit
h_n une suite de nombres réels strictement positifs qui tend vers 0 lorsque
n tend vers
+ ∞ .
Calculer
lim_(n → ∞)∫_0^(h_n)(1/(sint) − 1/t)dt , puis
lim_(n → ∞)∫_0^(h_n)((sin((n + 1/2)t))/(2sin(t/2)) − (sin((n + 1/2)t))/t)dt .
d) On désigne parx_n le plus petit réel strictement positif qui réalise un maximum relatif de
S_n(x) .
d) On désigne par
Montrer simultanément que
S_n(x_n) tend vers une limite lorsque
n tend vers l'infini et que cette limite
L peut s'écrire sous la forme
∫_0^α(sinu)/udu pour un réel
α que l'on déterminera.
e) On propose une valeur approchée de l'intégraleL sous la forme
∑_(k = 0)^(k = 4)((− 1)^k π^(2k + 1))/((2k + 1)!(2k + 1)) . Commet-on une erreur inférieure en valeur absolue à
10^(− 3) ?
e) On propose une valeur approchée de l'intégrale
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