CCINP Mathématiques PC 2022Sujet, corrigé et rapport du jury
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- Moyenne
- 10,59/ 20
- Écart-type
- 4,3
- Présents
- 4 382
- Coefficient
- 14
- Durée
- 4 h
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 9 mai 2022. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
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ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE PC
MATHÉMATIQUES
Durée : 4 heures
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 autorisées.
Le sujet est composé de trois exercices indépendants.
EXERCICE 1
Étude d'un endomorphisme sur un espace de polynômes
Présentation générale
On rappelle le théorème de la division euclidienne pour les polynômes : si
U ∈ ℂ[X] et
V ∈ ℂ[X] sont deux polynômes avec
V ≠ 0 , alors il existe un unique couple
(Q, R) ∈ ℂ[X]^2 tel que :
Les polynômes
Q et
R sont respectivement appelés le quotient et le reste dans la division euclidienne du polynôme
U par
V .
Dans cet exercice, on se donne un entier
n ∈ ℕ^∗ et un couple
(A, B) ∈ ℂ_n[X] × ℂ[X] tel que deg
(B) = n + 1 . On considère également l'application
φ définie sur
ℂ_n[X] qui à un polynôme
P ∈ ℂ_n[X] associe le reste dans la division euclidienne de
AP par
B .
Par exemple, si on suppose que l'on a:
alors, en effectuant la division euclidienne de
AP par
B , on obtient :
donc on a
φ(P) = 2X^2 + X .
Partie I - Généralités sur l'application
φ
Dans cette partie, on démontre que l'application
φ est un endomorphisme de
ℂ_n[X] .
Q1. Justifier que pour tout polynômeP ∈ ℂ_n[X] , on a
φ(P) ∈ ℂ_n[X] .
On considère deux polynômesP_1 ∈ ℂ_n[X] et
P_2 ∈ ℂ_n[X] . Par le théorème de la division euclidienne rappelé dans la présentation, il existe
(Q_1, R_1) ∈ ℂ[X] × ℂ_n[X] et
(Q_2, R_2) ∈ ℂ[X] × ℂ_n[X] tels que :
Q1. Justifier que pour tout polynôme
On considère deux polynômes
Q2. Soit
λ ∈ ℂ . Exprimer le quotient et le reste dans la division euclidienne de
A(P_1 + λP_2) par
B en fonction de
λ et des polynômes
Q_1, Q_2, R_1 et
R_2 en justifiant votre réponse. En déduire que
φ est un endomorphisme de l'espace vectoriel
ℂ_n[X] .
Partie II - Étude d'un premier exemple
Dans cette partie uniquement, on suppose que:
Q3. Montrer que la matrice de l'endomorphisme
φ de
ℂ_2[X] dans la base (
1, X, X^2 ) est :
Q4. Déterminer les valeurs propres et les sous-espaces propres de la matrice
M .
Q5. Justifier que l'endomorphismeφ est diagonalisable. Déterminer une base de
ℂ_2[X] formée de vecteurs propres de
φ .
Q5. Justifier que l'endomorphisme
Partie III - Étude d'un second exemple
Dans cette partie uniquement, on suppose que
n = 2 et que
B = X^3 . Comme
A est un élément de l'espace vectoriel
ℂ_2[X] , il existe
(α, β, γ) ∈ ℂ^3 tel que
A = α + βX + γX^2 .
Q6. Montrer que la matrice de l'endomorphismeφ de
ℂ_2[X] dans la base (
1, X, X^2 ) est :
Q6. Montrer que la matrice de l'endomorphisme
Q7. Montrer que l'endomorphisme
φ est diagonalisable si et seulement si le polynôme
A est constant.
Partie IV - Étude du cas où
B est scindé à racines simples
Dans cette partie, on ne suppose plus que
n = 2 : le nombre
n est un entier quelconque de
ℕ^∗ . Jusqu'à la fin de l'exercice, on suppose que
B est un polynôme scindé à racines simples. On note
x_0, …, x_n ∈ ℂ les racines de
B qui sont donc des nombres complexes distincts.
On définit les polynômes de Lagrange
L_0, …, L_n ∈ ℂ_n[X] associés aux points
x_0, …, x_n par :
En particulier, les relations suivantes sont vérifiées:
IV. 1 - Décomposition avec les polynômes de Lagrange
Q8. Soit
P ∈ ℂ_n[X] . Montrer que
x_0, …, x_n sont des racines du polynôme
D = P − ∑_(i = 0)^n P(x_i)L_i .
Q9. Déduire de la question précédente que pour toutP ∈ ℂ_n[X] , on a
P = ∑_(i = 0)^n P(x_i)L_i .
Q10. Montrer que(L_0, …, L_n) est une base de
ℂ_n[X] .
Q9. Déduire de la question précédente que pour tout
Q10. Montrer que
IV. 2 - Réduction de l'endomorphisme
φ
Pour tout entier
k ∈ [ [0, n] ] , on désigne respectivement par
Q_k ∈ ℂ[X] et
R_k ∈ ℂ_n[X] le quotient et le reste dans la division euclidienne de
AL_k par
B .
Q11. Soit
(j, k) ∈ [ [0, n] ]^2 . Montrer que
R_k(x_j) = 0 si
j ≠ k et que
R_k(x_k) = A(x_k) .
Q12. En utilisant Q9, en déduire pour toutk ∈ [ [0, n] ] que
φ(L_k) = A(x_k)L_k .
Q13. Justifier que l'endomorphismeφ est diagonalisable et préciser ses valeurs propres.
Q12. En utilisant Q9, en déduire pour tout
Q13. Justifier que l'endomorphisme
EXERCICE 2
Étude de séries de pile ou de face
Présentation générale
On considère un espace probabilisé (
Ω, A, P ) modélisant une succession infinie de lancers indépendants d'une pièce équilibrée (c'est-à-dire donnant pile avec la probabilité
1/2 et face avec la probabilité
1/2 ). Pour tout entier
k ∈ ℕ^∗ , on désigne par
P_k l'évènement [le
k -ième lancer de la pièce donne pile] et par
F_k l'évènement [le
k -ième lancer de la pièce donne face].
On appelle série une succession de lancers amenant le même côté de la pièce. La série
n^∘1 commence au premier lancer et se poursuit jusqu'à ce qu'un des lancers suivants donne un résultat différent du premier lancer. De même, la série
n^∘2 commence au lancer suivant la fin la série
n^∘1 et se termine au lancer précédant un changement de côté. On définit de même les séries suivantes.
Voici deux exemples pour illustrer la définition des séries donnée ci-dessus :
Partie I- Étude de la longueur de la première série
Dans cette partie, nous allons étudier la longueur de la première série. On définit la variable aléatoire
L_1 de la manière suivante :
- si la série
n^(∘ 1) ne se termine pas (ce qui arrive si et seulement si on obtient que des piles ou que des faces), on poseL_1 = 0 ; - sinon, on désigne par
L_1 la longueur de la sérien^∘1 .
Ainsi, si l'évènement donné dans l'exemple 1 est réalisé, alors on a
L_1 = 2 tandis que si l'événement donné dans l'exemple 2 est réalisé, alors on a
L_1 = 3 .
I. 1 - Calcul de la somme d'une série entière
Q14. Rappeler (sans le démontrer) le rayon de convergence et la somme de la série entière :
Q15. En déduire que pour tout
x ∈ ] − 1, 1 [, la série
∑_(k ⩾ 0)kx^k converge et que
∑_(k = 0)^(+ ∞)kx^k = x/((1 − x)^2) .
I. 2 - Étude de
L_1
Dans cette partie, on considère un entier
k ∈ ℕ^∗ .
Q16. Exprimer l'évènement (L_1 = k ) en fonction des évènements
P_i et
F_i pour
i ∈ [ [1, k + 1] ] .
Q17. Montrer queP(L_1 = k) = 2^(− k) .
Q18. En déduire la valeur deP(L_1 = 0) .
Q19. Démontrer que la variable aléatoireL_1 admet une espérance, puis déterminer sa valeur. Que représente ce nombre par rapport au problème étudié dans cet exercice?
Q16. Exprimer l'évènement (
Q17. Montrer que
Q18. En déduire la valeur de
Q19. Démontrer que la variable aléatoire
Partie II - Étude du nombre de séries
Pour tout entier
n ∈ ℕ^∗ , on note
N_n le nombre de séries apparues lors des
n premiers lancers. Par exemple, si l'évènement de l'exemple 1 dans la présentation est réalisé, alors on a:
Jusqu'à la fin de l'exercice, on considère un entier
n ∈ ℕ^∗ .
II. 1 - Généralités
Q20. Déterminer les lois de
N_1 et
N_2 .
Q21. Quel est l'ensemble des valeurs prises par la variable aléatoireN_n ?
Q21. Quel est l'ensemble des valeurs prises par la variable aléatoire
II. 2 - Relation de récurrence pour la loi
N_n
Dans cette sous-partie, on détermine une relation de récurrence entre la loi de
N_(n + 1) et la loi de
N_n .
Q22. Soitk ∈ [ [1, n + 1] ] . Justifier que l'on a l'égalité d'évènements :
Q22. Soit
puis en déduire que :
Dans la suite, on admet que l'on a pour tout
k ∈ [ [1, n + 1] ] les relations :
Q23. En utilisant la formule des probabilités totales avec le système complet d'évènements :
et les relations précédentes, montrer que l'on a pour tout
k ∈ [ [1, n + 1] ] la relation :
II. 3 - Fonction génératrice, loi et espérance de
N_n
Pour tout
m ∈ ℕ^∗ , on note
G_m : ℝ → ℝ la fonction génératrice de la variable aléatoire
N_m , dont on rappelle la définition :
En particulier, on déduit des résultats précédents (on ne demande pas de le vérifier) que :
Q24. Déduire de
Q23 que pour tout
x ∈ ℝ , on a la relation :
Q25. Déterminer une expression explicite de
G_n(x) pour tout
n ∈ ℕ^∗ et tout
x ∈ ℝ .
Q26. Rappeler l'expression de l'espérance deN_n en fonction de sa fonction génératrice
G_n . En déduire l'espérance de la variable aléatoire
N_n .
Q27. Déterminer la loi de la variable aléatoireN_n à partir de l'expression de
G_n .
Q26. Rappeler l'expression de l'espérance de
Q27. Déterminer la loi de la variable aléatoire
EXERCICE 3
La constante d'Euler
Présentation générale
Dans cet exercice, on commence dans la première partie par démontrer la convergence d'une suite afin de définir la constante d'Euler comme sa limite. Dans la seconde partie, on détermine une expression de cette constante sous la forme d'une intégrale.
Partie I- Construction de la constante d'Euler
On définit la suite
(u_n)_(n ∈ ℕ^∗) par :
et on considère la suite
(Δ_n)_(n ⩾ 2) définie par :
Q28. Déterminer un nombre
a ∈ ℝ_+^∗ tel que
Δ_n ∼ _(n → + ∞) − a/(n^2) .
Q29. Montrer que la série∑_(n ⩾ 2)Δ_n est convergente.
Q30. En déduire que la suite(u_n)_(n ∈ ℕ^∗) est convergente.
Q29. Montrer que la série
Q30. En déduire que la suite
Partie II - Expression intégrale de la constante d'Euler
Dans Q30, on a montré que la suite
(u_n)_(n ∈ ℕ^∗) converge vers un un nombre réel que l'on note
γ dans la suite de l'exercice. Ce dernier est appelé constante d'Euler. Dans cette partie, on détermine une expression de
γ sous la forme d'une intégrale.
Pour tout
n ∈ ℕ^∗ , on considère la fonction
f_n : ]0, + ∞[ → ℝ définie par :
II. 1 - Propriétés de la suite
(f_n)_(n ∈ ℕ^∗)
Dans cette sous-partie, on pourra utiliser librement l'inégalité
ln(1 + x) ⩽ x valable pour tout
x ∈ ] − 1, + ∞[ .
Q31. Soitt ∈ ]0, + ∞[ . Justifier qu'il existe
n_0 ∈ ℕ^∗ tel que pour tout
n ∈ ℕ^∗ vérifiant
n ⩾ n_0 , on a :
Q31. Soit
Q32. Déduire de la question précédente que la suite de fonctions
(f_n)_(n ∈ ℕ^∗) converge simplement vers la fonction
t ↦ e^(− t)ln(t) sur l'intervalle
]0, + ∞[ .
Q33. Soitn ∈ ℕ^∗ . Montrer que pour tout
t ∈ ]0, + ∞[ , on a
|f_n(t)| ⩽ e^(− t)|ln(t)| .
Q34. Montrer que la fonctiont ↦ e^(− t)ln(t) est intégrable sur
]0, + ∞[ .
Q33. Soit
Q34. Montrer que la fonction
II. 2 - Convergence d'une suite d'intégrales
Pour tout
n ∈ ℕ^∗ , on considère les intégrales :
On considère un entier
n ∈ ℕ^∗ .
Q35. Montrer que l'intégraleI_n est convergente.
Q36. Déduire des résultats de la sous-partie II. 1 que la suite(I_n)_(n ∈ ℕ^∗) est convergente et que :
Q35. Montrer que l'intégrale
Q36. Déduire des résultats de la sous-partie II. 1 que la suite
Q37. Montrer que l'intégrale
J_n est convergente si et seulement si l'intégrale :
est convergente. En déduire que l'intégrale
J_n est convergente et que l'on a les égalités :
Q38. Montrer que l'on a la relation :
Q39. Déduire des questions précédentes que:
FIN
FIN
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