Algèbre bilinéaire et espaces euclidiensFonctions (limites, continuité, dérivabilité, intégration)Calcul différentiel et fonctions à plusieurs variablesSéries entières (et Fourier)Probabilités continues
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.
Ils ne doivent faire usage d'aucun document, l'utilisation de toute calculatrice et de tout matériel électronique est interdite. Seule l'utilisation d'une règle graduée est autorisée.
Notations
Dans tout ce problème, on considère un entier naturel non nul.
Pour toute matrice , on note sa transposée.
On identifie l'espace vectoriel , muni de sa base canonique, à l'ensemble des matrices colonnes à lignes ; ainsi pour tout vecteur de et pour tout , on note sa coordonnée et .
On munit de son produit scalaire canonique : et la norme euclidienne de est définie par : .
On désigne par une partie non vide de .
À fonction continue de dans , et vecteur de , on associe la fonction définie sur par: et on note l'ensemble, éventuellement vide, des vecteurs de pour lesquels admet un maximum.
Lorsque est non vide, on appelle fonction conjuguée de la fonction notée définie sur par : .
PARTIE I
Dans cette partie, et est un intervalle de ; ainsi le produit scalaire se confond avec le produit naturel sur et la fonction est définie sur l'intervalle par .
Lorsque est un segment de , montrer que est définie sur .
Quelques exemples .
Après avoir étudié les variations de , préciser et dans les cas suivants :
a) où est un réel fixé strictement positif.
b) où est un réel fixé strictement supérieur à 1 .
(on pourra introduire le réel vérifiant : ).
c) .
3) Pour chacun des cas précédents, déterminer ainsi que son ensemble de définition. Quel constat pouvez-vous faire ?
4) Plus généralement, on suppose que : et est une application de classe sur telle que l'image de par la fonction dérivée est tout entier et vérifiant pour tout réel .
a) Établir que réalise une bijection de sur .
On note l'application réciproque de .
b) Après avoir dressé le tableau des variations de l'application associée à et , montrer que et que: .
Justifier la dérivabilité de et exprimer en fonction de .
c) Après avoir étudié pour réel les variations de l'application : , en déduire que : .
PARTIE II
On revient aux notations du préambule.
On suppose dans cette question que : et .
a) Pour réel strictement positif et , calculer et préciser .
Quelle comparaison pouvez-vous faire entre les ensembles et ?
b) Lorsque , montrer que : . En déduire et .
c) Préciser .
Dans toute la suite du problème, A désigne une matrice symétrique réelle d'ordre n dont toutes les valeurs propres sont strictement positives.
On rappelle que : .
2) On suppose dans cette question que : et .
Pour , on définit ainsi sur par .
a) En utilisant un changement de base orthonormale, établir l'encadrement : lorsque (respectivement ) désigne la plus petite (respectivement la plus grande) valeur propre de .
b) Pour et deux vecteurs de , exprimer en fonction de et et établir que : .
c) Montrer que, pour tout vecteur de admet un maximum obtenu pour : et préciser et .
3) On reprend la même fonction qu'au 2), c'est-à-dire mais dans cette question, on suppose que est une partie convexe, fermée non vide de . On prolonge, de façon naturelle et pour tout de à en posant : pour tout .
a) Existence d'un maximum.
Montrer que : et en déduire que pour :
il existe strictement positif vérifiant .
Établir que l'ensemble est une partie fermée et bornée de et en déduire que : .
b) Unicité d'un élément réalisant le maximum.
Pour et deux vecteurs de et , établir la relation :
En supposant que et 'sont deux vecteurs distincts réalisant le maximum de , montrer que : puis établir une contradiction.
PARTIE III
Dans toute cette partie, désigne un vecteur de et une matrice carrée non nulle à lignes et colonnes.
On reprend la même fonction et les mêmes conventions qu'en II.3) et on choisit pour l'ensemble des vecteurs de vérifiant : .
On note et l'image et le noyau de l'endomorphisme canoniquement associét à une matrice carrée d'ordre .
On suppose que ; ainsi est une partie convexe fermée non vide de (on ne demande pas de le vérifier).
D'après les résultats obtenus dans la partie II, on sait que pour tout de admet un unique vecteur appartenant à et réalisant le maximum de .
L'objectif de cette partie est de donner une caractérisation de et d'établir un algorithme de recherche.
Caractérisation de .
a) Vérifier que pour tout de .
Montrer que : en désignant par (ker l'orthogonal de la partie .
Justifier l'égalité des dimensions de et de et en déduire que : On admettra que : .
b) Lorsque est un vecteur de ker et un réel, établir la relation :
En déduire que est caractérisé par l'existence de et vérifiant les deux conditions : et .
2) Un algorithme de recherche de .
On désigne par un réel strictement positif et un vecteur de et on définit les suites et de par : et
a) Montrer que les deux suites sont bien définies et qu'elles vérifient les deux relations : et .
b) Montrer que :
c) Démontrer l'existence d'une matrice carrée d'ordre symétrique à valeurs propres strictement positives notée et vérifiant .
On note la matrice inverse de .
Montrer la relation : pour tout de .
Établir que la matrice est symétrique et que sa plus grande valeur propre est strictement positive .
En déduire que pour tout de , on a .
d) On choisit .
Montrer que : .
En déduire que la suite est monotone convergente, puis que converge vers .