BCE Maths approfondies HEC/ESCP ECS 2004, épreuve 2Sujet et corrigé
Epreuve de maths approfondies - ECS 2004
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Annale de maths approfondies BCE HEC/ESCP pour la filiere ECS, session 2004.
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BANQUE COMMUNE D'EPREUVES ECRITES POUR LE HAUT ENSEIGNEMENT COMMERCIAL
OPTION SCIENTIFIQUE
MATHEMATIQUES II
Abstract
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.
- Soit
X une variable aléatoire réelle. On dit qu'une suite(X_k)_(k ⩾ 1) de variables aléatoires est une suite de copies deX si(X_k)_(k ⩾ 1) est une suite de variables indépendantes ayant toutes même loi queX . - On dit qu'une variable aléatoire réelle
X suit une loi stable si il existe une suite réelle strictement positive(a_n)_(n ⩾ 1) telle que, pour toute suite(X_k)_(k ⩾ 1) de copies deX et pour tout entiern supérieur ou égal1, X_1 + … + X_n eta_n X ont même loi. On vérifie facilement l'unicité de la suite(a_n)_(n ⩾ 1) siX n'est pas nulle presque sûrement. On dira alors que(a_n)_(n ⩾ 1) est la suite associée à la loi deX .
On admettra que
I. Un résultat sur certaines suites positives
- pour tout couple d'entiers
(m, n) ∈ ℕ^(⋆2), u_(mn) = u_m u_n , - il existe un réel strictement positif
A tel que, pour tout couple(m, n) ∈ ℕ^(⋆2) , sim ≤ n , alorsu_m ⩽ Au_n .
- Montrer que
u_1 = 1 . - Montrer que, pour tout couple
(r, k) ∈ ℕ^⋆ × ℕ, u_(r^k) = u_r^k . - Soient
a, a^′ > 0 , ety ∈ ℝ^⋆ . Soientu, u^′, v, v^′ quatre réels tels que
a) Montrer que :
b) On admet les égalités suivantes:
- Soit
B > 0 . Calculer∫_(− B)^B x/(x^2 + a^2)dx et∫_(− B)^B(x − y)/((x − y)^2 + a^2)dx . - Soient
Z_a etZ_(a^′) deux variables aléatoires indépendantes suivant des lois de Cauchy de paramètres respectifsa eta^′ . Montrer que la valeur de la densité de la loi deZ_a + Z_(a^′) au pointy est égale àu + u^′ (cf. question 4). En déduire la loi deZ_a + Z_(a^′) . - En déduire que
Z suit une loi stable. Quelle est la suite associée à la loi deZ ?
IV. Les événements exceptionnels
- Montrer que :
- Soit
r ∈ ℕ^⋆, r ⩾ 2 . Montrer qu'il existe un réelα_r tel que, pour tout entiern de la former^k , oùk est un entier positif,u_n = n^(α_r) . Exprimerα_r en fonction der et deu_r . - Soit
(r_1, r_2) ∈ ℕ^(⋆2), r_2 > r_1 ⩾ 2 . On introduit alors les réelsα_(r_1) etα_(r_2) définis selon la question précédente.
a) Soitk ∈ ℕ^⋆ . Montrer qu'il existe un entierℓ tel quer_2^k ⩽ r_1^ℓ < r_2^(k + 1) .
b) En déduire que(r_2^k)^(α_(r_2)) ⩽ A(r_2^(k + 1))^(α_(r_1)) et(r_2^k)^(α_(r_1)) ⩽ A(r_2^(k + 1))^(α_(r_2)) .
c) En faisant tendrek vers l'infini, déduire l'égalitéα_(r_1) = α_(r_2) . Conclure.
II. La loi gaussienne
- Soit
a un réel strictement positif etb etc deux réels quelconques.
- En déduire que
∫_(− ∞)^(+ ∞)exp(− (ax^2 + bx + c))dx = √(π/a)exp((b^2 − 4ac)/(4a)) . - Soient
G etG^′ deux variables aléatoires gaussiennes centrées indépendantes de variances respectivesσ^2 etσ^(′2) . Redémontrer en calculant la densité de la loi deG + G^′ , queG + G^′ est une variable gaussienne dont on donnera l'espérance et la variance. - Montrer que
G suit une loi stable. Quelle est la suite associée à la loi deG ?
B. Dans cette section,X est une variable aléatoire qui suit une loi stable et qui admet une espérancem et une varianceσ^2 strictement positive. On ne suppose pas queX suit une loi gaussienne. Soit(X_k)_(k ⩾ 1) une suite de copies deX et(a_k)_(k ⩾ 1) la suite associée à la loi deX . - En considérant les variances de
X_1 + … + X_n et dea_n X , donner, pour tout entier natureln non nul, la valeur dea_n . Montrer quem = 0 . - En appliquant le théorème de la limite centrée, montrer que
X suit une loi gaussienne.
III. La loi de Cauchy
- Soit
a > 0 . Vérifier que la fonctionf_a : x ↦ a/(π(x^2 + a^2)) est bien une densité de probabilité. (On utilisera le changement de variablex = atant ).
2) Soit
a) La variable
b) Soit
3) Soit
2) En déduire que :
- Montrer que:
∀A > 0, P(|X_1| > A) = 2/πarctan1/A . - Soit
λ > 0 , etn assez grand pour que(πλ)/(2n) < π/2 . En choisissantA = 1/(tan(πλ)/(2n)) , montrer que
- Soit
ε > 0 etλ > 0 . Montrer que, pour tout entiern assez grand,P(E_n) > λ/2e^(− λ) − ε . - En déduire que, pour tout entier
n assez grand,P(E_n) > 1/6 .
V. Le nombre
a_n est une puissance de
n
A. Une variable aléatoire
- Montrer que
P(X > 0) = 1/2(1 − P(X = 0)) . - Montrer qu'il existe
μ > 0 tel queP(X > μ) > 0 . - a) Montrer que, pour tout couple
(m, n) ∈ ℕ^(⋆2), a_(m + n)X a même loi quea_m X_1 + a_n X_2 .
b) En déduire que, pour toutk -uplet d'entiers(m_1, …, m_k), a_(m_1 + … + m_k)X a même loi quea_(m_1)X_1 + … + a_(m_k)X_k .
c) En prenant tous les entiersm_i égaux à un même entierℓ , montrer quea_(kℓ) = a_k a_ℓ . - En considérant l'événement
(X_1 ⩾ 0) ∩ (X_2 > t) , montrer en utilisant la question V.A.3.a, que pour tout couple(m, n) ∈ ℕ^(⋆2) , et pour toutt > 0 ,
- En utilisant la question V.A.2., montrer que l'ensemble
{(a_n)/(a_(n + m)) : (m, n) ∈ ℕ^(⋆2)} est majoré. En déduire l'existence d'un réelα tel que, pour tout entier naturel non nuln, a_n = n^α . B. On suppose queX suit une loi stable à densité, mais on ne suppose plus queX est symétrique. - Montrer que la variable
X_1 − X_2 est symétrique. - Montrer que
X_1 − X_2 suit une loi stable. Soit(b_n)_(n ⩾ 1) la suite associée à la loi deX_1 − X_2 . Montrer que, pour tout entier natureln non nul,a_n = b_n . Conclure.
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