BCE Maths approfondies EDHEC ECG 2023Sujet et corrigé

Epreuve de maths approfondies - ECG 2023

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Annale de maths approfondies BCE EDHEC pour la filiere ECG, session 2023.

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Conception : EDHEC BS

MATHEMATIQUES APPROFONDIES

FILIÈRE ÉCONOMIQUE ET COMMERCIALE

VOIE GENERALE

Jeudi 4 mai 2023, de 8 h. à 12 h.

La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies.
Les candidats sont invités à encadrer dans la mesure du possible les résultats de leurs calculs.
Aucun document n'est autorisé. L'utilisation de toute calculatrice et de tout matériel électronique est interdite. Seule l'utilisation d'une règle graduée est autorisée.
Si au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il la signalera sur sa copie et poursuivra sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il sera amené à prendre.

On suppose, et c'est valable pour toute l'épreuve, que la bibliothèque numpy de Python est importée avec import numpy as np et que la librairie numpy. random de Python est importée grâce à la commande import numpy.random as rd.

Exercice 1

Partie 1

On désigne par

n

un entier naturel supérieur ou égal à 2 et on considère un endomorphisme

f

ℝ^n

dont la matrice dans la base canonique de

ℝ^n

est une matrice

M

telle que

rg(M) = 1

.
On note

C

la première colonne de

M

et on suppose que

C

est non nulle.

Donner la dimension de $Ker(f)$ et en déduire une valeur propre de $f$ .
a) Montrer qu'il existe une matrice $L = (1, ℓ_2, \dots, ℓ_n)$ appartenant à $M_(1, n)(ℝ)$ telle que $M = CL$ .
b) On rappelle que $Tr(M)$ désigne la trace de la matrice $M$ . Montrer que $Tr(M) = LC$ .
c) Établir que l'on a l'égalité :

M^2 = Tr(M)M

Montrer que $Tr(M)$ est valeur propre de $f$ .
On suppose $Tr(M) = 0$ . Montrer que $M$ n'est pas diagonalisable.
On suppose $Tr(M) \neq 0$ . À l'aide des questions précédentes, déterminer les valeurs propres de $f$ et montrer que $f$ est diagonalisable.

Partie 2

On désigne par

a, b, c

trois réels non nuls et on considère l'endomorphisme

g

ℝ^3

dont la matrice dans la base canonique de

ℝ^3

est

A = (1, 1/a, 1/b; a, 1, 1/c; b, c, 1)

.
On suppose que

A

n'est pas inversible.
6) a) En considérant le système

AX = 0

, où

X = (x; y; z)

, établir, en raisonnant par l'absurde, la relation :

ac = b

.
b) En déduire le rang de

A

.
7) a) Conclure que

g

est diagonalisable et donner ses valeurs propres.
b) Montrer que, pour tout entier naturel

n

non nul,

A^n

appartient à

Vect(A)

Exercice 2

On désigne par

c

un réel strictement supérieur à 2 et on suppose que toutes les variables aléatoires rencontrées dans cet exercice, sont définies sur le même espace probabilisé.

Partie 1 : étude d'une loi de probabilité

On considère la fonction

f

définie par :

f(x) = {c/(x^(c + 1)), si x ≥ 1; 0, si x < 1

Montrer que $f$ peut être considérée comme une densité.

On considère dans la suite une variable aléatoire

X

telle que

X(Ω) = [1, + \infty[

, de densité

f

et on note

F

sa fonction de répartition. On dit que

X

suit la loi de Pareto de paramètre

c

.
2) Montrer que

X

possède une espérance et une variance et les déterminer.
3) Déterminer, pour tout réel

x

, l'expression de

F(x)

en fonction de

x

c

.
4) On pose

Y = lnX

et on admet que

Y

est une variable aléatoire définie sur le même espace probabilisé que

f

. On note

G

sa fonction de répartition.
a) Pour tout réel

x

, exprimer

G(x)

à l'aide de la fonction

F

.
b) En déduire que

Y

suit une loi exponentielle dont on précisera le paramètre.
c) Écrire une fonction Python d'en-tête def simulX (c) utilisant rd.exponential et permettant de simuler

X

Partie 2 : produit de deux variables suivant la loi de Pareto de paramètre c

On considère deux variables aléatoires

X_1

X_2

indépendantes et suivant toutes les deux la loi de Pareto de paramètre

c

. On pose

Y_1 = lnX_1, Y_2 = lnX_2

Z = X_1 X_2

.
5) Écrire une fonction Python d'en-tête def simulZ(c) utilisant la fonction simulX (c) et permettant de simuler

Z

.
6) Déterminer l'espérance et le moment d'ordre 2 de

Z

puis vérifier que la variance de

Z

est donnée par :

V(Z) = (c^2(2c^2 - 4c + 1))/((c - 2)^2(c - 1)^4)

a) Donner la loi commune suivie par $cY_1$ et $cY_2$ .
b) En déduire la loi de $cY_1 + cY_2$ .
a) Soit $H$ la fonction de répartition de $Y_1 + Y_2$ et $K$ celle de $cY_1 + cY_2$ . Pour tout réel $x$ , exprimer $H(x)$ à l'aide de $K$ , puis vérifier qu'une densité de $Y_1 + Y_2$ est la fonction $h$ définie par :

h(x) = {c^2 xe^(− cx), si x ≥ 0; 0, si x < 0

b) Soit

F_Z

la fonction de répartition de

Z

. Exprimer, pour tout réel,

F_Z(x)

à l'aide de

H

. En déduire qu'une densité

f_Z

Z

est donnée par:

f_Z(x) = {(c^2 lnx)/(x^(c + 1)), si x ≥ 1; 0, si x < 1

a) Pour tout réel $α$ strictement supérieur à 1 , montrer que l'intégrale $\int_1^(+ \infty)(lnx)/(x^α)dx$ converge et donner sa valeur.
b) Retrouver alors les valeurs de $E(Z)$ et $V(Z)$ déterminées à la question 6).

Exercice 3

On effectue des lancers d'une pièce donnant "pile" avec la probabilité

p \in ]0, 1[

et "face" avec la probabilité

q = 1 - p

.
Pour tout

k

ℕ^*

, on note

F_k

l'événement «obtenir "face" au

k^e

lancer » et on pose

P_k = F_k^-

. On note

X

la variable aléatoire égale au nombre de "face" obtenus avant le premier "pile".

a) Utiliser les événements $F_k$ et $P_k$ pour déterminer la loi de $X$ que l'on note désormais $BN(p)$ .
b) Calculer l'espérance et la variance de $X$ .
Selon le principe de la division euclidienne dans $ℕ$ , on admet qu'il existe deux variables aléatoires $Q$ et $R$ , définies sur le même espace probabilisé que $X$ et telles que $X = 3Q + R$ , avec $Q(Ω) = ℕ$ et $R(Ω) = {0, 1, 2}$ .
Par exemple, si $X$ prend la valeur 5 , alors $Q$ prend la valeur 1 et $R$ prend la valeur 2 .
a) Écrire, pour tout entier naturel $k$ , l'événement $(Q = k)$ à l'aide de la variable $X$ .
b) En déduire que $Q$ suit la loi $BN(1 - q^3)$ .
Montrer que $P(R = 0) = 1/(1 + q + q^2), P(R = 1) = q/(1 + q + q^2)$ et $P(R = 2) = (q^2)/(1 + q + q^2)$ .
Vérifier que les variables $Q$ et $R$ sont indépendantes.
Simulation des variables $X, Q$ et $R$ .
a) Expliquer pourquoi la fonction suivante renvoie la valeur prise par $X$ lors de l'expérience décrite en début d'exercice.

def simulX(p):
    X=rd.geometric(p)-1
    return X

b) Compléter la fonction Python suivante afin qu'elle renvoie les valeurs prises respectivement par

X, Q

R

def div(p):
    X=simulX (p)
    Q=------
    R=------
    return(X, Q, R)

Problème

Rappel de quelques formules trigonométriques utiles dans ce problème :

cos(a + b) = cosacosb - sinasinb; cos(a - b) = cosacosb + sinasinb; cos(2a) = 2cos^2 a - 1; cos(2a) = 1 - 2sin^2 a

On note

ℤ

l'ensemble des nombres entiers (positifs ou négatifs) et

ℝ

l'ensemble des nombres réels.
On admet que l'ensemble

E

des applications de

ℤ

dans

ℝ

, muni des opérations usuelles (somme de deux applications et produit d'une application par un réel) est un espace vectoriel.
Soit

n

un entier naturel supérieur ou égal à 3 et

I_n = [ [0, n - 1] ]

.
On rappelle qu'une application

f

ℤ

dans

ℝ

est dite

n

-périodique (ou de période

n

) si :

\forallk \in ℤ, f(k + n) = f(k)

On note

F_n

l'ensemble des applications

n

-périodiques de

ℤ

dans

ℝ

Soit $h$ l'application de $ℤ$ dans $ℝ$ définie par: $\forallk \in ℤ, h(k) = cos((2kπ)/n)$ . Vérifier que $h$ est élément de $F_n$ .
Montrer que $F_n$ est un sous-espace vectoriel de $E$ .
Soit $k$ un entier quelconque.

On admet qu'il existe un unique couple

(q, r) \in ℤ \times I_n

tel que

k = nq + r

.
Montrer alors que, pour toute fonction

f

F_n

, on a l'égalité :

f(k) = f(r)

Pour tout $i$ de $I_n$ , on considère la fonction $n$ -périodique $e_i$ de $ℤ$ dans $ℝ$ ( $e_i$ est donc élément de $F_n)$ dont la restriction à $I_n$ est donnée par : $∀k ∈ I_n, e_i(k) = {1, si k = i; 0, sinon$ .
a) Utiliser la question 3) pour montrer que, pour tout élément $f$ de $F_n$ , on a:

\forallk \in ℤ, f(k) = \sum_(i = 0)^(n - 1)f(i)e_i(k)

b) En déduire que la famille

B_n = (e_0, e_1, \dots, e_(n - 1))

est une base de

F_n

.
c) Quelles sont les coordonnées d'un élément quelconque

f

F_n

dans la base

B_n

?
5) Pour tout couple

(f, g)

F_n^2

, on pose :

⟨f, g⟩ = \sum_(k = 0)^(n - 1)f(k)g(k)

.
a) Montrer que

⟨

⟩estunproduitscalairesurF_n

. On note

‖‖

la norme associée.
b) Montrer que la base

B_n

est orthonormale pour ce produit scalaire.
c) On admet que, pour tout couple

(a, b)

de réels, avec

b \in ]0, 2π[

, et pour tout entier

k

, on a:

2sin(b/2)cos(a + kb) = sin(a + ((2k + 1)b)/2) - sin(a + ((2k - 1)b)/2)

Montrer la relation :

\sum_(k = 0)^(n - 1)cos(a + kb) = (sin(a + ((2n - 1)b)/2) - sin(a - b/2))/(2sin(b/2))

d) En déduire les égalités

\sum_(k = 0)^(n - 1)cos((4kπ)/n) = 0

\sum_(k = 0)^(n - 1)cos(((4k + 2)π)/n) = 0

.
e) Déterminer la norme

‖h‖

de l'application

h

présentée à la question 1).
6) On considère l'application notée

D

qui, à tout élément

f

F_n

, associe l'application

D(f)

, que l'on pourra noter

Df

s'il n'y a pas de confusion possible, définie par :

\forallk \in ℤ, Df(k) = f(k + 1) - f(k)

a) Vérifier que, pour tout

f

F_n, Df

est élément de

F_n

.
b) Montrer que l'application

D : f \mapsto D(f)

est un endomorphisme de

F_n

.
c) Vérifier que l'application

Dh

est donnée par :

\forallk \in ℤ, Dh(k) = - 2sin(π/n)sin(π/n + (2kπ)/n)

d) En déduire, à l'aide de la deuxième des égalités de la question 5d), que :

‖Dh‖ = \sqrt(2n)sin(π/n)

On considère l'application notée $Δ$ qui, à tout élément $f$ de $F_n$ , associe l'application $Δ(f)$ , que l'on pourra noter $Δf$ s'il n'y a pas de confusion possible, définie par :

\forallk \in ℤ, Δf(k) = f(k + 1) - 2f(k) + f(k - 1)

On admet que

Δ

est un endomorphisme de

F_n

.
a) Montrer que :

\forall(f, g) \in F_n^2, ⟨f, Δg⟩ = - ⟨Df, Dg⟩

.
b) En déduire que

Δ

est un endomorphisme symétrique de l'espace euclidien

F_n

.
c) Montrer que les valeurs propres de

Δ

sont négatives ou nulles.
8) On note

ε_0

l'application constante de

ℤ

dans

ℝ

égale à 1 .
a) Vérifier que

ε_0 \in Ker(Δ)

.
b) Montrer alors que

Ker(Δ) = Vect(ε_0)

.
9) On pose

c = min{|λ|, λ \in Sp(Δ)∖{0}}

, où

Sp(Δ)

désigne l'ensemble des valeurs propres de

Δ

. On considère un élément

f

F_n

tel que

⟨f, ε_0⟩ = 0

.
a) Justifier l'existence d'une base orthonormale de

F_n

, formée de vecteurs propres de

Δ

, de la forme

(1/(\sqrtn)ε_0, ε_1, \dots, ε_(n - 1))

, puis montrer qu'il existe

(α_1, \dots, α_(n - 1)) \in ℝ^(n - 1)

tel que

f = \sum_(i = 1)^(n - 1)α_i ε_i

.
b) Montrer enfin que :

‖Df‖^2 \geq c‖f‖^2

.
10) Dans cette question, on prend

n = 3

et on note

A

la matrice de

Δ

dans la base

B_3

F_3

.
a) Vérifier que la première colonne de

A

est

(- 2; 1; 1)

On admet, pour la suite, que l'on a :

A = (- 2, 1, 1; 1, - 2, 1; 1, 1, - 2)

b) Déterminer un polynôme annulateur de

A

qui soit de degré 2 .

En déduire les valeurs propres de

Δ

.
Comment s'écrit l'inégalité obtenue à la question 9b) dans ce cas ?
c) Que peut-on déduire du cas de l'application

h

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