Banque PT Mathématiques B PT 2017Sujet et corrigé
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Polynômes de Bernstein, produit scalaire associé, et étude géométrique de courbes de Bézier planes puis d'une surface de révolutionAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet part des polynômes de Bernstein pour construire une base de R_n[X] et un produit scalaire pour lequel cette base est orthonormée. Il étudie ensuite des courbes de Bézier planes définies par des points de contrôle : tracé, tangentes aux extrémités, points singuliers et branches infinies. Il se termine dans l'espace par l'étude d'une surface de révolution engendrée par une courbe de Bézier.
- 1Questions de cours et préliminairesRappelle des résultats sur la loi binomiale, la dimension de R_n[X], l'orthogonalité et les surfaces de révolution, puis établit que les polynômes de Bernstein forment une base de R_n[X].
- 2Partie I - Un produit scalaireConstruit un produit scalaire sur R_2[X] pour lequel la base des polynômes de Bernstein est orthonormée, puis diagonalise un endomorphisme symétrique associé.
- 3Partie II - Une première courbe de Bézier dans le planÉtudie une courbe de Bézier cubique définie par quatre points de contrôle : tableau de variations, tangentes, point singulier et branches infinies.
- 4Partie III - Un détour par le cas généralMontre que la tangente à une courbe de Bézier à ses extrémités est portée par les droites joignant les premiers et derniers points de contrôle.
- 5Partie IV - Une deuxième courbe de BézierConstruit une courbe de Bézier à trois points de contrôle refermant la première courbe avec raccord tangent aux deux extrémités.
- 6Partie V - Une surface de révolutionDétermine l'équation cartésienne de la surface de révolution engendrée par une courbe de Bézier de l'espace tournant autour d'un axe.
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Epreuve de Mathématiques B
L'usage de calculatrices est interdit.
AVERTISSEMENT
À rendre en fin d'épreuve avec la copie une feuille de papier millimétré _–
Définitions et notations.
Pour tout entier
Si
Questions de cours.
- Calculer
∑_(k = 0)^n B_(k, n)(X) . - Soient
t ∈ [0; 1] etX_n une variable aléatoire réelle à valeurs dans[ [0; n] ] telle que pour toutk dans[ [0; n] ], P(X_n = k) = B_(k, n)(t) .
(a) Donner le nom et le(s) paramètre(s) de la loi de probabilité suivie parX_n .
(b) Préciser l'espérance et la variance deX_n .
(c) Donner un exemple d'une telle variable aléatoireX_n . - Rappeler quelle est la dimension de
ℝ_n[X] . - Donner la définition de deux espaces vectoriels orthogonaux pour un produit scalaire noté
φ . - Donner la définition d'une surface de révolution ayant pour axe une droite
Δ .
Préliminaires.
- Développer les polynômes
B_(k, 2)(X) pour0 ⩽ k ⩽ 2 , et les polynômesB_(k, 3)(X) pour0 ⩽ k ⩽ 3 . - Démontrer que
(B_(k, 2)(X))_(0 ⩽ k ⩽ 2) est une base deℝ_2[X] . - Démontrer que
(B_(k, n)(X))_(0 ⩽ k ⩽ n) est une base deℝ_n[X] .
Partie I : Un produit scalaire.
- (a) Démontrer que
φ est un produit scalaire surℝ_2[X] .
(b) Orthonormaliser, pour le produit scalaireφ , la base (X^2, X, 1 ) deℝ_2[X] . On exprimera cette nouvelle base orthonormée à l'aide des polynômes(B_(k, 2)(X))_(0 ⩽ k ⩽ 2) . - On considère l'endomorphisme
f deℝ_2[X] dont la matrice dans la base(B_(2 − k, 2)(X))_(0 ⩽ k ⩽ 2) est :
(b) Diagonaliser
(c) En déduire les valeurs propres et les sous-espaces propres de
(d) Démontrer que les sous-espaces propres de
3. On suppose dans cette question que
Partie II : Une première courbe de Bézier dans le plan.
- (a) Donner une représentation paramétrique de
Γ_1 .
(b) Quelle remarque peut-on faire concernant les courbesΓ_1 etΓ_2 ? - Etude de
Γ_2 .
(a) Construire les tableaux de variations des fonctionsx_2 ety_2 .
(b) Déterminer les points réguliers deΓ_2 dont la tangente àΓ_2 est horizontale ou verticale.
(c) Déterminer une équation cartésienne de la tangente àΓ_2 au point de paramètret = 0 .
(d) Déterminer le point singulier deΓ_2 . Préciser sa nature ainsi que la tangente àΓ_2 en ce point.
(e) Donner la nature des branches infinies deΓ_2 . Illustrer la réponse par un schéma sur la copie. - Tracer dans le repère (
O; i⃗, j⃗ ), la courbeΓ_1 , les pointsA_0, A_1, A_2 etA_3 ainsi que les tangentes àΓ_1 obtenues aux questions précédentes.
On utilisera la feuille de papier millimétrée fournie. Le tracé deΓ_2 n 'est pas demandé. Il est conseillé de prendre une unité de 6 cm .
Partie III : Un détour par le cas général
On considère (
- Que peut-on dire des points de
Γ de paramètret = 0 ett = 1 ? - On suppose dans cette question que les points
A_0 etA_1 sont distincts. Démontrer que la tangente àΓ enA_0 et la droite (A_0 A_1 ) sont confondues.
On admettra que si les pointsA_n etA_(n − 1) sont distincts, alors la tangente àΓ enA_n et la droite(A_(n − 1)A_n) sont confondues. - Soient
P etQ deux polynômes deℝ_n[X] . On considère la courbeΛ dont une représentation paramétrique est{x(t) = P(t); y(t) = Q(t), t ∈ [0, 1] .
Est-il possible de trouver(n + 1) pointsA_0, A_1, …, A_n tels queΛ soit la courbe de Bézier associée aux points de contrôleA_0, A_1, …, A_n ?
Partie IV : Une deuxième courbe de Bézier.
- (a) En utilisant la partie III, déterminer les coordonnées du point
C_1 .
(b) Vérifier qu'un paramétrage deΓ_3 est{x_3(t) = 2t − t^2; y_3(t) = 2t − 3t^2, t ∈ [0, 1] . - Faire l'étude de la courbe
Γ_3 . - Compléter le graphe de la partie II en y rajoutant
Γ_3 , le pointC_1 ainsi que toute autre information vous paraissant pertinente.
Partie V : Une surface de révolution.
- Vérifier qu'un paramétrage de
Γ_4 est{x_4(t) = 6t − 3; y_4(t) = 3(t − t^2); z_4(t) = 0, t ∈ [0, 1] . - Donner un vecteur directeur ainsi qu'un système d'équations cartésiennes de la tangente à
Γ_4 au point de paramètret = 1/3 . - Déterminer une équation cartésienne de la surface de révolution obtenue en faisant tourner
Γ_4 autour de l'axe(O; i⃗) .
Les courbes qui portent son nom, décrites en 1962, sont utilisées pour concevoir des pièces pour automobiles à l'aide d'ordinateurs. Elles sont également utilisées dans de nombreux logiciels de dessin et pour certaines polices de caractères.
Les polynômes
Sergei Bernstein (1880-1968) est un mathématicien ukrainien dont les travaux ont porté sur les équations différentielles, l'analyse fonctionnelle et les probabilités.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de mathématiques B PT banque PT 2017 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de mathématiques B PT banque PT 2017 ?
Il porte sur les polynômes de Bernstein et le produit scalaire associé, puis sur l'étude de courbes de Bézier planes et d'une surface de révolution.
Quelles parties sont indépendantes dans ce sujet de mathématiques B PT 2017 ?
Les parties I et V sont indépendantes entre elles et indépendantes des parties II, III et IV, qui elles-mêmes s'enchaînent autour de l'étude des courbes de Bézier.
Ce sujet de mathématiques B PT 2017 demande-t-il de tracer des courbes ?
Oui, il demande de tracer à la main, sur papier millimétré, une courbe de Bézier ainsi que ses tangentes et points de contrôle.
Faut-il des connaissances en probabilités pour ce sujet de mathématiques B PT 2017 ?
Une question de cours porte sur la loi de probabilité suivie par les coefficients de Bernstein évalués en un point, mais le reste du sujet est purement géométrique et algébrique.
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