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CCINP Mathématiques 2 MP 2020Sujet, corrigé et rapport du jury

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L'épreuve en chiffres

Moyenne 10,01 / 20 · écart-type 4,74 · 7 294 présents · où vous situez-vous ?
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Moyenne
10,01/ 20
Écart-type
4,74
Présents
7 294
Coefficient
21
Durée
4 h
moyenne 10,0105101520
Deux tiers des copies environ (moyenne ± écart-type)

Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.

Source : document officiel du concours, épreuve du 3 juillet 2020. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.

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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE MP

MATHÉMATIQUES 2

Mardi 5 mai : 8 h-12 h

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.

RAPPEL DES CONSIGNES

  • Utiliser uniquement un stylo noir ou bleu foncé non effaçable pour la rédaction de votre composition ; d'autres couleurs, excepté le vert, peuvent être utilisées, mais exclusivement pour les schémas et la mise en évidence des résultats.
  • Ne pas utiliser de correcteur.
  • Écrire le mot FIN à la fin de votre composition.

Les calculatrices sont interdites

Le sujet est composé de deux exercices et d'un problème, tous indépendants.

EXERCICE I

Dans cet exercice, il est inutile de reproduire tous les calculs sur la copie.
On considère la matrice A = (2, 1, 1; 1, 2, 1; 1, 1, 2).
Q1. Justifier, sans calcul, que la matrice A est diagonalisable puis déterminer une matrice D diagonale réelle et une matrice P ∈ GL_3(ℝ) telles que A = PDP^(− 1).
Q2. Déterminer une matrice B de ℳ_3(ℝ), que l'on explicitera, vérifiant B^2 = A.
Q3. Déterminer, pour tout entier naturel non nul n, les 9 coefficients de la matrice A^n en utilisant la matrice de passage P.
Q4. Donner le polynôme minimal de la matrice A et en déduire, à l'aide d'une division euclidienne de polynômes, la matrice A^n comme une combinaison linéaire des matrices A et I_2.

EXERCICE II

On considère l'espace vectoriel normé ℳ_n(ℝ).
On note GL_n(ℝ) l'ensemble des matrices inversibles de ℳ_n(ℝ).
On pourra utiliser librement dans cet exercice que l'application déterminant est continue sur m_n(ℝ).
Q5. L'ensemble GL_n(ℝ) est-il fermé dans ℳ_n(ℝ) ?
Q6. Démontrer que l'ensemble GL_n(ℝ) est ouvert dans ℳ_n(ℝ).
Q7. Soit M un élément de ℳ_n(ℝ), justifier que :
∃ρ > 0, ∀λ ∈ ]0, ρ[, M − λI_n ∈ GL_n(ℝ).
Démontrer que l'ensemble GL_n(ℝ) est dense dans ℳ_n(ℝ).
Q8. Application
Si A et B sont deux matrices de ℳ_n(ℝ), démontrer que les matrices A ⋅ B et B ⋅ A ont le même polynôme caractéristique.
À l'aide des matrices A = (1, 0; 0, 0) et B = (0, 0; 1, 0), prouver que le résultat n'est pas vrai pour les polynômes minimaux.
Q9. Démontrer que GL_n(ℝ) n'est pas connexe par arcs.
On rappelle que l'image d'une partie connexe par arcs par une application continue est une partie connexe par arcs.

PROBLÈME

Dans ce problème, E est un espace vectoriel euclidien muni d'un produit scalaire que l'on notera ⟨|⟩ de norme associée ‖‖.
Un endomorphisme u de E est une similitude de E lorsqu'il existe un réel k > 0 tel que pour tout vecteur x de E, ‖u(x)‖ = k‖x‖. On dira que u est la similitude de rapport k.
On notera Sim(E), l'ensemble des similitudes de E.
O( E ) désigne l'ensemble des automorphismes orthogonaux de E.
L'objectif de ce problème est de définir et de caractériser les similitudes d'un espace euclidien.

Partie I - Exemples, propriétés

Q10. Démontrer que la matrice A = (1, 2; − 2, 1) est, dans la base canonique de ℝ^2, la matrice d'une similitude u dont on précisera le rapport.
Q11. Interprétation géométrique avec la similitude u de la question précédente.
Le plan ℝ^2 est rapporté à un repère orthonormé (O, e_1^(→−), e_2^(→−)).
On considère les trois points M(2, 1), N(4, 1), P(4, 2) et on définit les points M^′, N^′, P^′ par les relations u(OM^(→−)) = OM^′^(→−), u(ON^(→−)) = ON^′^(→−), u(OP^(→−)) = OP^′^(→−).
Représenter les triangles MNP et M^′ N^′ P^′ et comparer leurs aires.
Q12. Démontrer que tout élément de Sim(E) est bijectif et établir que Sim(E), muni de la loi de composition, est un groupe.
Q13. Soient u un endomorphisme de E, Z une base orthonormée de E et A la matrice de u dans la base Z.
Démontrer que u est un automorphisme orthogonal de E, si et seulement si, ^t A ⋅ A = I_n.
Caractériser par une relation matricielle une similitude de rapport k.
Q14. Exemple
Démontrer que la matrice A = (2, 2, 1; − 2, 1, 2; 1, − 2, 2) est la matrice dans la base canonique de ℝ^3 d'une similitude u dont on donnera le rapport. Donner la matrice de la similitude u^(− 1). Vérifier que, pour tout élément f de O(E), u^(− 1) ∘ f ∘ u ∈ O(E).
Q15. On appelle sphère de centre 0 et de rayon r > 0, l'ensemble des vecteurs x de E tels que ‖x‖ = r. Démontrer que si u est un endomorphisme de E tel que l'image par u de toute sphère de E de centre 0 est une sphère de E de centre 0 , alors u est une similitude de E.
On pourra remarquer que pour y vecteur non nul, ‖y/(‖y‖)‖ = 1.

Partie II - Assertions équivalentes

Q16. On rappelle qu'une homothétie vectorielle de E est une application de la forme αid_E.
Démontrer que u ∈ Sim(E), si et seulement si, u est la composée d'une homothétie vectorielle non nulle de E et d'un élément de O(E).

Q17. Exemple

Écrire la matrice A = (1, 2; − 2, 1) comme produit de la matrice d'une homothétie vectorielle et de la matrice d'un automorphisme orthogonal de ℝ^2 dont on précisera la nature.
Q18. Démontrer que : ∀(x, y) ∈ E^2, ⟨x|y⟩ = 1/4(‖x + y‖^2 − ‖x − y‖^2).
En déduire que u est une similitude de rapport k, si et seulement si , ∀(x, y) ∈ E^2, ⟨u(x)|u(y)⟩ = k^2⟨x|y⟩.
Q19. Démontrer que, si u est une similitude de rapport k, alors, pour tout couple (x, y) de vecteurs de E, ⟨x|y⟩ = 0 ⇒ ⟨u(x)|u(y)⟩ = 0.
On dit que l'endomorphisme u conserve l'orthogonalité.
Réciproquement, on suppose que u est un endomorphisme de E conservant l'orthogonalité.
Soit ( e_1, e_2, …, e_n ) une base orthonormée de E. Démontrer que :
∀(i, j) ∈ [ [1, n] ]^2, ⟨e_i + e_j|e_i − e_j⟩ = 0, puis que: ∀(i, j) ∈ [ [1, n] ]^2, ‖u(e_i)‖ = ‖u(e_j)‖.
On note k la valeur commune prise par tous les ‖u(e_i)‖.
Après avoir justifié que, pour tout i ∈ [ [1, n] ], ‖u(e_i)‖ = k‖e_i‖ démontrer que u est une similitude de rapport k.
Q20. Soit u une application de E dans E (non supposée linéaire) telle qu'il existe un réel k > 0 pour lequel: ∀(x, y) ∈ E^2, ⟨u(x)|u(y)⟩ = k^2⟨x|y⟩.
Démontrer que u est un endomorphisme de E, puis que u est une similitude de E.

FIN

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