CCINP Mathématiques 1 PSI 2003Sujet, corrigé et rapport du jury
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EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE PSI
MATHE MATIQUES 1
Durée : 4 heures
Les calculatrices sont autorisées.
N.B. Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.
Dans tout ce problème, on désigne par
μ une application continue
2π - périodique de
R dans
R et on considère l'équation différentielle :
On désigne par
φ_μ la solution sur
R de (
E_μ ) qui vérifie en outre les relations
φ_μ(0) = φ_μ^′(0) = 0 . Pour
x ∈ R , on note :
Dans la partie I, on étudie quelques propriétés de la fonction
φ_μ . Dans la partie II et la partie III, on étudie un exemple explicite.
PARTIE I
On désigne par
F_μ la fonction définie sur
R par
F_μ(x) = (sinx)G_μ(x) − (cosx)H_μ(x) .
Pour simplifier les notations, on écrira
F, G, H, φ pour désigner les fonctions
F_μ, G_μ, H_μ, φ_μ .
I. 1 Justifier la dérivabilité deG, H et donc
F . Préciser
F(0) et
F^′(0) .
I. 2 Montrer queF est de classe
C^2 sur
R et exprimer
F^(′′)(x) + F(x) en fonction de
μ(x) .
I. 3 Justifier l'affirmationF = φ .
I. 4 Etude du caractère2π - périodique de
φ .
I.4.1 Calculer la dérivée deG(x + 2π) − G(x) et
H(x + 2π) − H(x) .
I.4.2 ExprimerG(x + 2π) − G(x) en fonction de
G(2π)
etH(x + 2π) − H(x) en fonction de
H(2π) .
I.4.3 Exprimerφ(x + 2π) − φ(x) en fonction de
sinx, cosx, G(2π), H(2π) .
I.4.4 A quelle condition nécessaire et suffisante portant surG(2π) et
H(2π) la fonction
φ est-elle
2π -périodique?
I.4.5 La fonctionφ est-elle
2π - périodique lorsque
μ(t) = sint ? (resp. lorsque
μ(t) = cost ?)
I.4.6 La fonctionφ est-elle bornée lorsque
μ(t) = sint ? (resp. lorsque
μ(t) = cost?)
I.4.7 Montrer que la fonctionφ est
2π - périodique lorsque
μ(t) = |sint| .
I.4.8 Les fonctionsφ, φ^′ , et
φ^(′′) sont-elles bornées lorsque
μ(t) = |sint| ?
I. 1 Justifier la dérivabilité de
I. 2 Montrer que
I. 3 Justifier l'affirmation
I. 4 Etude du caractère
I.4.1 Calculer la dérivée de
I.4.2 Exprimer
et
I.4.3 Exprimer
I.4.4 A quelle condition nécessaire et suffisante portant sur
I.4.5 La fonction
I.4.6 La fonction
I.4.7 Montrer que la fonction
I.4.8 Les fonctions
Dans toute la suite du problème, on suppose que
μ(t) = |sint| .
PARTIE II
Calcul de
∫_(R_+)e^(− t)φ(t)dt
II. 1 Justifier l'intégrabilité surR_+ de la fonction
t ↦ e^(− t)|sint| .
II. 2 Pourn ∈ N , on note
v_n = ∫_(nπ)^((n + 1)π)e^(− t)|sint|dt .
II.2.1 Calculerv_0 .
II.2.2 Montrer qu'il existe un nombre réelρ (que l'on explicitera) tel que pour tout
n ∈ N , on ait
v_n = ρ^n v_0 .
II.2.3 En déduire la convergence de la série∑_(n ≥ 0)v_n et expliciter sa somme
∑_(n = 0)^(+ ∞)v_n .
II.2.4 En déduire la valeur de l'intégrale∫_(R_+)e^(− t)|sint|dt .
II. 1 Justifier l'intégrabilité sur
II. 2 Pour
II.2.1 Calculer
II.2.2 Montrer qu'il existe un nombre réel
II.2.3 En déduire la convergence de la série
II.2.4 En déduire la valeur de l'intégrale
II. 3
II.3.1 Déduire des résultats obtenus dans la partie I (en particulier de I.4.8) que les fonctions
t ↦ e^(− t)φ(t), t ↦ e^(− t)φ^′(t) et
t ↦ e^(− t)φ^(′′)(t) sont intégrables sur
R_+ .
II.3.2 Etablir une relation entre∫_(R_+)e^(− t)μ(t)dt et
∫_(R_+)e^(− t)φ(t)dt .
II.3.2 Etablir une relation entre
En déduire
∫_(R_+)e^(− t)φ(t)dt .
PARTIE III
Développement de Fourier des fonctions
μ et
φ .
Si
f est une application continue
2π - périodique de
R dans
R , on désigne par
a_n(f) et
b_n(f) les coefficients de Fourier réels de
f :
Lorsqu'elle converge, on désigne par
SF_f(t) la somme de la série de Fourier :
III. 1
III.1.1 Justifier la convergence de la série de Fourier de la fonction
μ( rappel :
μ(t) = |sint| ) .
III.1.2 Justifier la convergence de la série de Fourier de la fonctionφ( rappel :
φ^(′′)(t) + φ(t) = |sint|, φ(0) = φ^′(0) = 0) )
III.1.2 Justifier la convergence de la série de Fourier de la fonction
III. 2 Série de Fourier de la fonction
μ .
III.2.1 Calculer les coefficients
a_n(μ) pour
n ∈ N . Quelle est la valeur des coefficients
b_n(μ) pour
n ∈ N^∗ ?
III.2.2 Etablir la convergence de la série∑_(p ≥ 1)1/((4p^2 − 1)) et expliciter sa somme
∑_(p = 1)^(+ ∞)1/(4p^2 − 1) .
III.2.3 Etablir la convergence de la série∑_(p ≥ 1)1/((4p^2 − 1)^2) et calculer sa somme
∑_(p = 1)^(+ ∞)1/((4p^2 − 1)^2) .
III.2.2 Etablir la convergence de la série
III.2.3 Etablir la convergence de la série
III. 3 Série de Fourier de la fonction
φ .
III.3.1 Etudier la parité des fonctions
G, H puis celle de la fonction
φ . Quelle est la valeur des coefficients
b_n(φ) pour
n ∈ N^∗ ?
III.3.2 Etablir une relation entrea_n(φ^(′′)) et
a_n(φ) pour
n ∈ N .
III.3.3 En déduire la valeur dea_n(φ) pour
n ≠ 1 .
III.3.4 Calculera_1(φ) .
III. 4 On considère la série∑_(p ≥ 1)1/((4p^2 − 1)(16p^4 − 1)) . Justifier la convergence de cette série et expliciter sa somme
∑_(p = 1)^(+ ∞)1/((4p^2 − 1)(16p^4 − 1)) en calculant l'intégrale du II par un autre procédé qu’on justifiera soigneusement.
III. 5 On considère dans cette question l'applicationφ de classe
C^2 de
R dans
R vérifiant :
III.3.2 Etablir une relation entre
III.3.3 En déduire la valeur de
III.3.4 Calculer
III. 4 On considère la série
III. 5 On considère dans cette question l'application
III.5.1 La fonction
φ est-elle
2π -périodique?
III.5.2 La fonctionφ est-elle bornée sur
R ?
III.5.3 La fonctiont ↦ e^(− t)φ(t) est-elle intégrable sur
R_+ ?
III.5.2 La fonction
III.5.3 La fonction
Fin de l'énoncé.
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