CCINP Mathématiques 1 PSI 2000Sujet et corrigé
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CONCOURS COMUNS POLYTECHNIQUES
ÉPREUVE SPÉCIFIQUE-FILIÈRE PSI
MATHÉMATIQUES 1
Durée : 4 heures
Les calculatrices programmables et alphanumériques sont autorisées, sous réserve des conditions définies dans la circulaire
n^∘ 99-018 du 01.02.99.
But du problème
Dans la partie I, on étudie les solutions d'une équation différentielle
solutions vérifiant en outre des conditions aux limites.
Dans la partie II, on introduit une fonctionK de deux variables, fonction qui est définie comme somme d'une série.
Dans la partie II, on introduit une fonction
Dans la partie III, à chaque fonction
f continue impaire
2π -périodique sur
R , on associe une fonction
h grâce à la relation
et on étudie quelques propriétés de la fonction ainsi obtenue.
PARTIE I
Lorsque
p ∈ N , on désigne par
𝒞^P([0, π], R) le
R -espace vectoriel des applications de classe
𝒞^P de
[0, π] dans
R .
Lorsqueα ∈ R et
f ∈ 𝒞^∘([0, π], R) on considère l'équation différentielle :
Lorsque
On désigne par :
-
𝒮(E) l'ensemble des solutions réelles sur l'intervalle[0, π] de l'équation différentielle(E) ; -
𝒮^0(E) l'ensemble des fonctionsF appartenant à𝒮(E) et vérifiant en outre :
I.1/ On suppose, dans cette question, que
f est la fonction nulle.
I.1.1/ Déterminer l'ensemble𝒮^0(E) lorsque
α = 0 .
I.1.2/ Déterminer l'ensemble𝒮^0(E) (selon la valeur de
ω ∈ R_+^∗ )
I.1.2.1/ lorsqueα = ω^2 ,
I.1.2.2/ lorsqueα = − ω^2 .
I.2./ On suppose, dans cette question, queα = 0 .
I.2.1/ Déterminer l'ensemble𝒮^0(E)
I.2.1.1/ lorsquef(x) = cosx ,
I.2.1.2/ lorsquef(x) = sin(nx) (où
n désigne un entier naturel non nul fixé).
I.2.2/ On suppose quef(x) = |cosx| .
I.2.2.1/Déterminer l'ensemble𝒮(E) .
I.2.2.2/ Montrer que𝒮^0(E) contient un seul élément, (seule fonction
F de classe
𝒞^2 sur
[0, π] telle que pour tout
x ∈ [0, π]; F^(′′)(x) = |cosx| et
F(0) = F(π) = 0 ); expliciter
F(x) et indiquer l'allure de son graphe.
I.3/ On suppose toujours queα = 0 et on désigne par
f une fonction quelconque appartenant à
𝒞^0([0, π], R) .
Montrer queF ∈ 𝒮(E) si et seulement si il existe
(A, B) ∈ R^2 tel que pour tout
x ∈ [0, π] on ait :
I.1.1/ Déterminer l'ensemble
I.1.2/ Déterminer l'ensemble
I.1.2.1/ lorsque
I.1.2.2/ lorsque
I.2./ On suppose, dans cette question, que
I.2.1/ Déterminer l'ensemble
I.2.1.1/ lorsque
I.2.1.2/ lorsque
I.2.2/ On suppose que
I.2.2.1/Déterminer l'ensemble
I.2.2.2/ Montrer que
I.3/ On suppose toujours que
Montrer que
En déduire que pour tout
f ∈ 𝒞^∘([0, π], R) l'ensemble
𝒮^∘(E) contient un seul élément que l'on notera
F_1 .
Dans toute la suite de cette partie, on désigne par
φ l'application de
𝒞^0([0, π], R) dans lui même qui à
f associe l'élément
F_1 , unique solution sur l'intervalle
[0, π] de l'équation différentielle :
I.4/ Vérifier que
φ est un endomorphisme de
ℒ^0([0, π], R) .
I.5/ L'endomorphismeφ est-il injectif ? surjectif ?
I.6/ Déterminer les éléments propres de l'endomorphismeφ .
I.7/ Pour toutx ∈ [0, π] on désigne par
T_x l'ensemble des couples
(t, u) ∈ R^2 tels que
0 ≤ t ≤ u ≤ x .
I.7.1/ Représenter l'ensembleT_x dans le plan euclidien pour un
x fixé, (
0 < x < π ).
I.7.2/ Justifier les égalités suivantes, pourx ∈ [0, π] et
f ∈ 𝒞^0([0, π], R) :
I.5/ L'endomorphisme
I.6/ Déterminer les éléments propres de l'endomorphisme
I.7/ Pour tout
I.7.1/ Représenter l'ensemble
I.7.2/ Justifier les égalités suivantes, pour
I.7.3/ Soient
f ∈ 𝒞^0([0, π], R) et
F_1 = φ(f) .
I.7.3.1/ Montrer qu'il existeβ ∈ R (
β que l'on explicitera) tel que pour tout
x ∈ [0, π] on ait l'égalité :
F_1(x) = ∫_0^x(x − t)f(t)dt + βx∫_0^π(π − t)f(t)dt .
I.7.3.2/ En déduire qu'il existeγ ∈ R (
γ que l'on explicitera) tel que pour tout
x ∈ [0, π] on ait l'égalité :
F_1(x) = γ[∫_0^x t(π − x)f(t)dt + ∫_x^π x(π − t)f(t)dt] .
I.7.3.1/ Montrer qu'il existe
I.7.3.2/ En déduire qu'il existe
PARTIE II.
Etude d'une fonction de deux variables
Pour
(x, y) ∈ R^2 on note
K(x, y) = ∑_(n = 1)^(+ ∞)(sin(nx)sin(ny))/(n^2) , lorsque la série converge.
II.1/ Montrer que la fonctionK est définie sur
R^2 .
II.2/ Soity un réel fixé, étudier la continuité de l'application
x ↦ K(x, y) .
II.3/ Développement en série de Fourier d'une fonctionE_x .
II.1/ Montrer que la fonction
II.2/ Soit
II.3/ Développement en série de Fourier d'une fonction
On considère un nombre réel
x fixé,
x ∈ [0, π] et on désigne par
E_x l'application de
R dans
R2π -périodique et impaire, définie sur
[0, π] par:
II.3.1/ Indiquer l'allure du graphe de
t ↦ E_x(t) sur l'intervalle
[ − π, π] (pour un
x fixé,
x ∈ ]0, π[ ) ; justifier la convergence de la série de Fourier réelle de
E_x et préciser sa somme.
(Rappel : la série de Fourier réelle deE_x est :
(a_0)/2 + ∑_(n ≥ 1)a_n cos(nt) + b_n sin(nt)
oùa_n = 1/π∫_(− π)^π E_x(t)cos(nt)dt et
b_n = 1/π∫_(− π)^π E_x(t)sin(nt)dt
sont les coefficients de Fourier réels deE_x ).
II.3.2/ Calculer les coefficients de Fourier réels de la fonctionE_x .
II.3.3/ ExprimerK(x, t) en fonction de
E_x(t) pour
x ∈ [0, π] et
t ∈ [0, π] .
II.4/ On considère les sous-ensembles suivants deR^2 :
le carréC ensemble des couples
(x, t) ∈ [0, π] × [0, π] ,
le triangleU ensemble des couples
(x, t) ∈ C tels que
0 < t < x < π ,
le triangleU¯ ensemble des couples
(x, t) ∈ C tels que
0 ≤ t ≤ x ≤ π .
II.4.1/ Déduire de II.3.3 l'existence d'un minimum et d'un maximum pour la fonctionK sur le carré
C et préciser la valeur du minimum.
II.4.2/ La fonctionK possède-t-elle un maximum relatif sur le triangle
U ?
II.4.3/ Etudier les extremums de la fonctionK sur l'ensemble
U¯∖U (bords du triangle de
U¯ ).
II.4.4/ En déduire la valeur du maximum deK sur le carré
C .
II.4.5/ Siδ ∈ R on note
Γ_δ l'ensemble des
(x, t) ∈ C tels que
K(x, t) = δ , (
Γ_δ est la ligne de niveau
δ ).
Représenter (sur un même croquis) l'ensemble C,Γ_0 et la ligne
Γ_δ passant par le point
(π/4, π/4) .
(Rappel : la série de Fourier réelle de
où
sont les coefficients de Fourier réels de
II.3.2/ Calculer les coefficients de Fourier réels de la fonction
II.3.3/ Exprimer
II.4/ On considère les sous-ensembles suivants de
le carré
le triangle
le triangle
II.4.1/ Déduire de II.3.3 l'existence d'un minimum et d'un maximum pour la fonction
II.4.2/ La fonction
II.4.3/ Etudier les extremums de la fonction
II.4.4/ En déduire la valeur du maximum de
II.4.5/ Si
Représenter (sur un même croquis) l'ensemble C,
PARTIE III
Dans cette partie on désigne par:
-
I_(2π) leR -espace vectoriel des applications continues, impaires2π -périodiques deR dansR . -
K la fonction introduite dans la partie II(K(x, y) = ∑_(n = 1)^(+ ∞)(sin(nx)sin(ny))/(n^2)) .
A toute fonction
f appartenant à
I_(2π) on associe la fonction
h = ψ(f) définie sur
R par
III.1/ Vérifier que si
f ∈ Z_(2π) et si
h = Ψ(f) alors la fonction
h est impaire,
2π -périodique. Justifier l'égalité
III.2/ Déduire de II.3.3 et de la partie I que si
f ∈ Z_(2π) alors les fonctions
h = ψ(f) et
F_1 = φ(f) sont proportionnelles sur
[0, π] ; en déduire que
h est de classe
𝒞^2 sur
]0 ,
π[ et qu'elle vérifie les relations :
III.3/ En utilisant (en particulier) l'imparité de
f et de
h , montrer que
h est de classe
𝒞^2 sur
R .
Dans toute la suite de cette partie, pour chaque application
g2π -périodique, continue par morceaux de
R dans
R , on désigne par
a_n(g) et
b_n(g) les coefficients de Fourier réels de
g : pour tout
n ∈ N : a_n(g) = 1/π∫_(− π)^π g(t)cos(nt)dt, b_n(g) = 1/π∫_(− π)^π g(t)sin(nt)dt .
Soient désormaisf ∈ I_(2π) et
h = ψ(f) .
III.4/ Etablir une relation entreb_n(h) et
b_n(h^(′′)) pour
n ∈ N^∗ .
III.5/ Justifier la convergence de la série∑_(n ≥ 1)(b_n(f))^2( respectivement
∑_(n ≥ 1)((b_n(f))^2)/(n^4)) et exprimer
∑_(n = 1)^(+ ∞)(b_n(f))^2( respectivement
∑_(n = 1)^(+ ∞)((b_n(f))^2)/(n^4)) en fonction d'une intégrale.
III.6/ Etablir l'inégalité :
Soient désormais
III.4/ Etablir une relation entre
III.5/ Justifier la convergence de la série
III.6/ Etablir l'inégalité :
III.7/ Soit
D = {(x, y) ∈ R^2/ − π ≤ x ≤ π et
− π ≤ y ≤ π} .On considère l'intégrale double :
III.7.1/ Exprimer
J(f) en fonction de l'intégrale
∫_0^π f(x)h(x)dx .
III.7.2/ ExprimerJ(f) en fonction de l'intégrale
∫_0^π(h^′(x))^2 dx .
III.7.3/ Montrer que :
III.7.2/ Exprimer
III.7.3/ Montrer que :
III.7.4/ Déterminer les fonctions
f ∈ I_(2π) telles que :
Pas de description pour le moment
