CCINP Mathématiques 1 TSI 2010Sujet et corrigé
Téléchargements
- Rapport du jury : non disponible
Ces sujets peuvent vous intéresser
Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
CONCOURS COMMUNS POLYTECHNIQUES
EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE TSI
MATHEMATIQUES 1
Durée : 4 heures
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.
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.
EXERCICE
On munit un plan euclidien orienté d'un repère orthonormé direct (
O; ı⃗, ȷ⃗ ).
SoitH la courbe d'équation
3x^2 + 13y^2 − 10√3xy = 2 et
C la courbe d'équation
x^2 + y^2 = 1 .
Soit
- Montrer qu'il existe un repère orthonormé direct
(O; I⃗, J⃗) que l'on ne cherchera pas à déterminer, dans lequel la courbeH a pour équation18X^2 − 2Y^2 = 2 .
On pourra utiliser la calculatrice. - Justifier que
H est une hyperbole et préciser son excentricité. - Reconnaître la courbe
C . En déduire une équation deC dans le repère(O; I⃗, J⃗) . - Montrer que
C etH se coupent en quatre pointsA, B, C etD dont on donnera les coordonnées dans le repère(O; I⃗, J⃗) . - Prouver que les quatre points
A, B, C etD forment un rectangle et donner son aire. - Donner les coordonnées des sommets, des équations des asymptotes et des équations des tangentes aux sommets de l'hyperbole dans le repère (
O; I⃗, J⃗ ). - Représenter graphiquement dans le repère (
O; I⃗, J⃗ ), la courbeC et l'hyperboleH avec ses asymptotes, ses sommets et ses tangentes en ses sommets.
N.B. : On ne demande pas de faire apparaître le repère (O; ı⃗, ȷ⃗ ) .
PROBLÈME
Ce problème comporte trois parties. Les parties
A et
B peuvent se traiter de façon indépendante. On peut utiliser certains résultats de la partie
B pour traiter la partie
C .
Notations
Pour
n ∈ ℕ^∗ , on note
M_n(ℝ) l'espace vectoriel des matrices carrées à
n colonnes à coefficients réels. On note
^t M la transposée de la matrice
M .
On appelle vecteur colonne deℝ^n toute matrice à
n lignes et 1 colonne à coefficients dans
ℝ .
On appelle vecteur colonne de
Définitions
On dit qu'un vecteur colonne est stochastique lorsque ses coefficients sont tous positifs et que la somme de ces coefficients vaut 1 . Par exemple le vecteur colonne
(0, 3; 0, 6; 0, 1) est stochastique car
0, 3 ⩾ 0 et
0, 6 ⩾ 0 et
0, 1 ⩾ 0 et
0, 3 + 0, 6 + 0, 1 = 1 .
On dit qu'une matrice carrée est stochastique lorsque chacune de ses colonnes l'est.
On dit qu'une matrice carrée est stochastique lorsque chacune de ses colonnes l'est.
Partie A
Un exemple en dimension 3
Dans cette partie, on étudie les trois suites
(x_n), (y_n) et
(z_n) à valeurs dans
ℝ définies par:
Pour tout
n ∈ ℕ , on pose
X_n = (x_n; y_n; z_n) .
- Montrer que le système (
R ) s'écrit sous forme matricielleX_(n + 1) = AX_n avecA une matrice deM_3(ℝ) que l'on déterminera. - Justifier que la matrice carrée
A est stochastique. - Écrire un programme dans le langage de Maple ou Mathematica qui calcule le vecteur colonne
X_(2010) . - Calculer la trace de
A notéeTr(A) et le déterminant deA notédet(A) . On pourra utiliser la calculatrice. La matriceA est-elle inversible? - Prouver que le vecteur colonne
(1; 1; 1) est un vecteur propre de la matrice^t A . Quelle est la valeur propre associée? - On pourra admettre les résultats demandés ici pour traiter la question suivante. Soit
M une matrice deM_3(ℝ) .
(a) Montrer que les matricesM et^t M ont le même polynôme caractéristique.
(b) Établir queM admet trois valeurs propres complexes (éventuellement non distinctes) que l'on noteλ_1, λ_2 etλ_3 et que: Tr(M) = λ_1 + λ_2 + λ_3 . - Déduire des questions précédentes que les valeurs propres de
A sont0, 1/(10) et 1 . - Justifier qu'il existe une matrice de
M_3(ℝ) inversibleP telle queA = PDP^(− 1) avecD = (1, 0, 0; 0, 1/(10), 0; 0, 0, 0) etP = (3, 1, 1; 1, a, 2; 1, − 2, b) oùa etb sont des réels que l'on déterminera. - Calculer
P^(− 1) . On pourra utiliser la calculatrice. - Démontrer par récurrence que pour tout
n ∈ ℕ , on a :X_n = PD^n P^(− 1)X_0 . - Soit
n ∈ ℕ^∗ .
(a) ExprimerX_n en fonction den .
(b) Montrer que le vecteur colonneX_n est stochastique. - Prouver que la suite
(x_n) (respectivement(y_n) et(z_n) ) est convergente vers une limite, notéel_x (respectivementl_y etl_z ). - Prouver que le vecteur colonne
L = (l_x; l_y; l_z) est stochastique et est vecteur propre deA .
Partie B
Cas de la dimension 2
Soit
A une matrice carrée stochastique de
M_2(ℝ) .
On considère une suite (X_n ) de vecteurs colonnes de
ℝ^2 telle que
X_0 est stochastique et telle que pour tout
n ∈ ℕ, X_(n + 1) = AX_n .
On considère une suite (
- Montrer qu'il existe
a etb deux réels de[0, 1] tels queA = (a, b; 1 − a, 1 − b) .
On définit deux suites réelles
(x_n) et
(y_n) telles que pour tout
n ∈ ℕ, X_n = ((x_n)/(y_n)) .
2. Démontrer par récurrence que pour toutn ∈ ℕ , le vecteur colonne
X_n est stochastique. Il s'agit d'établir que
x_n ⩾ 0, y_n ⩾ 0 et
x_n + y_n = 1 .
3. Montrer que0 ⩽ Tr(A) ⩽ 2 .
4. (a) On suppose queTr(A) = 0 .
2. Démontrer par récurrence que pour tout
3. Montrer que
4. (a) On suppose que
Montrer que
A = (0, 1; 1, 0) . Que vaut
A^2 ? Que se passe t-il pour la suite
(X_n) ?
(b) On suppose queTr(A) = 2 .
(b) On suppose que
Que vaut
A ? Que se passe t-il pour la suite
(X_n) ?
On suppose désormais que0 < Tr(A) < 2 .
5. Montrer que− 1 < a − b < 1 .
On suppose désormais que
5. Montrer que
Soit
V = (1/(− 1)) un vecteur colonne de
ℝ^2 .
6. (a) Montrer queV est un vecteur propre de
A . Exprimer la valeur propre associée que l'on note
q , en fonction de
a et
b .
(b) Prouver que|q| < 1 .
7. Établir que 1 est une valeur propre deA .
8. Prouver que la matriceA est diagonalisable.
9. On pourra admettre le résultat demandé ici pour traiter la suite. Établir qu'il existe un vecteur colonne deℝ^2, L = ((l_x)/(l_y)) et un réel
λ vérifiant :
6. (a) Montrer que
(b) Prouver que
7. Établir que 1 est une valeur propre de
8. Prouver que la matrice
9. On pourra admettre le résultat demandé ici pour traiter la suite. Établir qu'il existe un vecteur colonne de
On ne cherchera pas à calculer
l_x, l_y et
λ .
10. Montrer par récurrence que pour toutn ∈ ℕ , on a :
X_n = L + q^n λV .
11. Prouver que la suite(x_n) (respectivement
(y_n) ) est convergente vers
l_x (respectivement
l_y ).
12. En déduire que le vecteur colonneL est stochastique. On pourra utiliser B.2.
13. SoitT un vecteur colonne stochastique de
ℝ^2 tel que
AT = T . Montrer que
T = L .
10. Montrer par récurrence que pour tout
11. Prouver que la suite
12. En déduire que le vecteur colonne
13. Soit
Partie C
Un cas particulier
On reprend les notations de la partie B.
Dans cette partie, on suppose de plus que la matriceA n'est pas inversible.
Dans cette partie, on suppose de plus que la matrice
- Montrer que la matrice
A est de rang 1. - Montrer qu'il existe
α ∈ [0, 1] tel queA = (α, α; 1 − α, 1 − α) . - Établir alors que
A^2 = A . - Prouver que pour tout
n ∈ ℕ^∗, X_n = AX_0 .
Soit
E un plan euclidien muni d'une base orthonormée
B = (ı⃗, ȷ⃗) et
f l'endomorphisme de
E associé à la matrice
A dans la base
B .
5. Montrer que l'application linéairef est un projecteur.
6. Donner dans la baseB , une équation de
Kerf et une équation
deImf .
7. En déduire que l'endomorphismef est une projection orthogonale si et seulement
siα = 1/2 .
8. Soitθ ∈ ℝ . On note
u⃗(θ) le vecteur de coordonnées (
cos(θ), sin(θ) ). Établir que
‖f(u⃗(θ))‖^2 = ((2α − 1)^2 + 1)sin^2(θ + π/4) .
9. En déduire les valeurs de(‖f(ı⃗)‖)/(‖ı⃗‖) et
(‖f(ı⃗ + ȷ⃗)‖)/(‖ı⃗ + ȷ⃗‖) en fonction de
α .
10. Démontrer quef est une projection orthogonale si, et seulement si, pour tout
x⃗ ∈ E , on a :
‖f(x⃗)‖ ⩽ ‖x⃗‖ .
5. Montrer que l'application linéaire
6. Donner dans la base
7. En déduire que l'endomorphisme
8. Soit
9. En déduire les valeurs de
10. Démontrer que
Pas de description pour le moment
