CCINP Mathématiques 2 PSI 2003Sujet, corrigé et rapport du jury
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EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE PSI
MATHE MATIQUES 2
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.
On désigne par
N l'ensemble des entiers naturels, par
N^∗ l'ensemble
N privé de 0 et par
R l'ensemble des nombres réels.
Etant donné un entier naturel
n , on note
[[0, n]] l'ensemble des entiers naturels
k tels que
0 ≤ k ≤ n .
On note
R[x] l'espace des polynômes à coefficients réels et, pour
k ∈ N , on note
R_k[x] le sous espace de
R[x] des polynômes de degré inférieur ou égal à
k . On identifiera le polynôme
P ∈ R[x] avec la fonction polynôme associée.
On note C l'espace des fonctions continues définies sur l'intervalle
[ − 1, 1] et à valeurs dans
R , on note
R l'espace des restrictions à
[ − 1, 1] des polynômes de
R[x] et on note
R_k l'espace des restrictions à
[ − 1, 1] des polynômes de
R_k[x] . Par abus, on appellera polynôme une fonction de R.
Le but du problème est de définir une méthode de calcul approché d'une famille d'intégrales.
Dans la partie I, on étudie une famille de polynômes. La partie II utilise une structure d'espace préhilbertien réel de l'espace C , pour obtenir une formule de calcul exacte de certaines intégrales. La partie III conduit à la méthode de calcul approché annoncée.
Dans la partie I, on étudie une famille de polynômes. La partie II utilise une structure d'espace préhilbertien réel de l'espace C , pour obtenir une formule de calcul exacte de certaines intégrales. La partie III conduit à la méthode de calcul approché annoncée.
Dans tout le problème,
n désigne un entier naturel. Pour tout entier
n ∈ N , on définit la fonction
t_n ∈ C par: pour tout
x ∈ [ − 1, 1], t_n(x) = cos(nArccosx) .
PARTIE I
- Simplifier les expressions de
t_0, t_1, t_2, t_3 et constater que ces fonctions ont des expressions polynomiales, que l'on explicitera. - Tracer, sur un même dessin, les graphes de
t_0, t_1, t_2 ett_3 . Préciser les racines et les extremums de chaque fonction.
Pour
n ∈ N^∗ et
k ∈ [[0, n − 1]] , on note
θ_k = (2k + 1)/(2n)π et
x_k = cos(θ_k) .
3. Pourn ∈ N^∗ , déterminer les racines de la fonction
t_n . Montrer que les racines de
t_n sont deux à deux opposées.
4. On suppose l'entiern ≥ 2 . Soit
p ∈ [[1, n − 1]] .
4.1 Calculer la somme∑_(k = 0)^(n − 1)e^(ipθ_k) .
4.2 Montrer que∑_(k = 0)^(n − 1)t_p(x_k) = 0 .
3. Pour
4. On suppose l'entier
4.1 Calculer la somme
4.2 Montrer que
Pour
x ∈ [ − 1, 1] , le changement de variable bijectif
θ = Arccosx , permet d'écrire
t_n(x) = cos(nθ) avec
θ ∈ [0, π] .
5. Pourn ≥ 1 , exprimer
t_(n + 1)(x) + t_(n − 1)(x) en fonction de
x et de
t_n(x) .
6. En déduire que pour toutn ∈ N , la fonction
t_n est la restriction à l'intervalle
[ − 1, 1] d'un polynôme
T_n de
R[x] . Préciser le degré de
T_n et le coefficient de son terme de plus haut degré.
7. Montrer que pour tout entiern ≥ 1 , le polynôme
T_n n'a pas de racine complexe non réelle.
5. Pour
6. En déduire que pour tout
7. Montrer que pour tout entier
PARTIE II
- Soit
f une fonction de C. Montrer que la fonctionx ↦ (f(x))/(√(1 − x^2)) est intégrable sur] − 1, 1[ . - Pour
n ∈ N , on noteI_n = ∫_(− 1)^1(x^n)/(√(1 − x^2))dx .
2.1 CalculerI_0 etI_1 .
2.2 Pourn ≥ 2 , donner une relation entreI_n etI_(n − 2) (on pourra, entre autre méthode, utiliser le changement de variableθ = Arccosx ).
2.3 En déduire les valeurs deI_2 etI_4 . Quelle est la valeur deI_(2p + 1) pourp ∈ N ? - Définition d'une structure préhilbertienne réelle sur
C .
3.1 Montrer que l'application deC × C dansR définie par(f, g)↦<f| g>=∫_(− 1)^1(f(x)g(x))/(√(1 − x^2))dx définit un produit scalaire surC .
3.2 Montrer que la famille de fonctiont_p , pourp ∈ [[0, n]] , est une base orthogonale de l'espace vectorielR_n .
Calculer la norme de chaque fonctiont_p .
3.3 Déduire de ce qui précède que, pour toutn ≥ 1 et toutk ∈ [[0, n − 1]] , on a∫_(− 1)^1(x^k t_n(x))/(√(1 − x^2))dx = 0 . - On veut monter qu'il existe trois réels
a_0, a_1, a_2 uniques, tels que pour tout polynômeP ∈ R_5 , on a
(1)∫_(− 1)^1(p(x))/(√(1 − x^2))dx = a_0 P((− √3)/2) + a_1 P(0) + a_2 P((√3)/2) .
4.1 On suppose que l'égalité (1) est satisfaite par toutP ∈ R_5 . En prenant successivement les polynômesP définies parP(x) = 1, P(x) = x, P(x) = x^2 , déterminer les réelsa_0, a_1, a_2 .
4.2 Montrer que le triplet(a_0, a_1, a_2) trouvé convient pour les polynômesP définies parP(x) = x^4 puisP(x) = x^5 .
En déduire que l'égalité (1) est vérifiée pour tout polynômeP ∈ R_5 . - calcul d'une intégrale.
5.1 Montrer que la fonctionx ↦ (x^4)/(√(x(1 − x))) est intégrable sur]0, 1[ .
5.2 Calculer l'intégraleJ = ∫_0^1(x^4)/(√(x(1 − x)))dx , à l'aide du changement de variablet = 2x − 1 et de la formule (1).
PARTIE III
Soit
n ∈ N^∗ . Etant donné des réels
a_0, a_1, …, a_(n − 1) et une fonction
f ∈ C , on note
S_n(f) = ∑_(k = 0)^(n − 1)a_k f(x_k) où
x_k = cos((2k + 1)/(2n)π) .
On se propose de montrer qu'il existe des réels
a_0, a_1, …, a_(n − 1) uniques, tels que pour tout polynôme
P de
R_(n − 1) , on ait :
- On suppose que l'égalité (2) est satisfaite pour tout
P ∈ R_(n − 1) . En prenant successivement pour polynômesP les monômes1, x, …, x^(n − 1) , montrer que les réelsa_0, a_1, …, a_(n − 1) sont les solutions d'un système den équations linéaires àn inconnues, dont le déterminant est non nul (on ne demande pas le calcul des intégrales qui interviennent dans le second membre du système). - On suppose qu'il existe des réels
a_0, a_1, …, a_(n − 1) tels que, pour toutp ∈ [[0, n − 1]] , la relation (2) soit vérifiée par les fonctionst_p .
2.1 Montrer qu'alors la relation (2) est vérifiée pour tout polynômeP ∈ R_(n − 1) .
2.2 En utilisant ce qui précède, en particulier I. 4 et II.3, montrer que lesa_k sont tous égaux et calculer leur valeur.
2.3 On suppose que lesa_k ont la valeur trouvée en 2.2. SoitP un polynôme deR_(2n − 1) . En écrivant la division euclidienne deP part_n (sur[ − 1, 1] ), montrer que P vérifie (2).
Etant donné une fonctiong ∈ C , on noteD_n(g) = ∫_(− 1)^1(g(x))/(√(1 − x^2))dx − S_n(g) et on note‖g‖_∞ = Sup_(x ∈ [ − 1, 1])|g(x)| . - Soit
f ∈ C .
3.1 SoitP ∈ R . Montrer qu'il existe un entiern_0 > 0 , qui dépend deP , tel que pour toutn ≥ n_0 , on a|D_n(f)| ≤ 2π‖f − P‖_∞ .
3.2 En déduirelim_(n → + ∞)S_n(f) = ∫_(− 1)^1(f(x))/(√(1 − x^2))dx . - Pour
x ∈ [ − 1, 1] , on prendf(x) = e^x . Soitm un entier deN^∗ .
4.1 Montrer que la série∑_(k ≥ 0)1/(k!) converge et que∑_(k = m + 1)^(+ ∞)1/(k!) ≤ 1/(m ⋅ m!) .
4.2 Déterminer un polynômeP de degrém tel que‖f − P‖_∞ ≤ 1/(m ⋅ m!) .
4.3 Justifier queS_4(f) fournit une valeur approchée de l'intégrale∫_(− 1)^1(e^x)/(√(1 − x^2))dx à10^(− 3) près.
4.4 Calculer cette valeur approchée.
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