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Présentation du sujet

Difficulté moyenne
Polynômes de Tchebychev et caractérisation des fonctions indéfiniment dérivables et analytiques sur [-1,1]
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Le problème, inspiré des idées de S. Bernstein, utilise les polynômes de Tchebychev pour montrer que les fonctions indéfiniment dérivables sur [-1,1] sont exactement celles dont la meilleure approximation par des polynômes décroît rapidement, puis relie les fonctions approchées à décroissance exponentielle aux fonctions analytiques. Il s'appuie notamment sur les séries de Fourier.

  1. 1Partie I : polynômes de Tchebychevpremière annéeÉtablir les premières propriétés des polynômes de Tchebychev, calculer des normes et l'équation différentielle qu'ils vérifient.
  2. 2Partie II : application des polynômes de Tchebychev à la majoration des polynômes et de leurs dérivéesUtiliser l'interpolation de Lagrange et les polynômes de Tchebychev pour majorer un polynôme et ses dérivées successives.
  3. 3Partie III : détermination de l'ensemble F∞Étudier les coefficients de Fourier d'une fonction et son développement en série de Tchebychev pour caractériser les fonctions de classe C∞.
  4. 4Partie IV : étude de l'ensemble EexpCaractériser les fonctions dont le développement en série de Tchebychev décroît exponentiellement et les relier aux fonctions développables en série entière.

Difficulté moyenne. Le rapport indique que le problème, malgré sa longueur, a été facile à corriger, et que les deux premières parties ne mobilisaient que des notions de première année, mais que très peu de candidats ont traité sérieusement la partie IV.

Ce qu'a observé le jury

4 erreurs relevées
Récurrence utilisant un résultat non encore établi · Convergence normale des séries de fonctions mal connue · Fonction C∞ supposée développable en série entière
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Les questions ont été abordées dans l'ordre du sujet et les deux premières parties, accessibles, ont été largement traitées, mais le jury déplore un manque récurrent de rigueur et des lacunes sur des techniques de base pourtant rappelées d'année en année.

Les erreurs les plus sanctionnées

  1. 1
    Récurrence utilisant un résultat non encore établiI.A.1

    Beaucoup de candidats établissent la question I.A.1 à l'aide de la formule à trois termes de la question I.A.3, ce qui les conduit à une récurrence dont l'initialisation faisait partie de la question I.A.2.

  2. 2
    Convergence normale des séries de fonctions mal connue

    La notion de convergence normale d'une série de fonctions n'est pas connue de la quasi-totalité des candidats, qui appliquent le théorème de dérivation terme à terme dès que la série converge uniformément.

  3. 3
    Fonction C∞ supposée développable en série entière

    Pour un très grand nombre de candidats, une fonction indéfiniment dérivable est considérée comme ipso facto développable en série entière.

  4. 4
    Confusion entre le polynôme et la fonction polynomiale associéeI.C

    De nombreux candidats s'étonnent que l'on calcule une expression avec le polynôme alors que le texte précise que la fonction polynomiale associée porte la même notation.

Ce qui a été bien réussi

  • Le thème des polynômes de Tchebychev, déjà rencontré en exercice pendant la préparation, n'a pas laissé les candidats en terrain inconnu.
  • Les deux premières parties, n'utilisant que des notions de première année, ont été largement abordées.

Conseils du jury

  • Maîtriser précisément les quantificateurs, en particulier dans les questions de préliminaire.
  • Revoir les techniques de base : manipulation des inégalités, modules des nombres complexes, dérivation des fonctions composées, équivalents et développements limités.
  • Ne pas conclure qu'une fonction C∞ est développable en série entière sans démonstration.
  • Rédiger un raisonnement par récurrence complet plutôt que d'invoquer « de proche en proche ».

Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.

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Lecture du sujet en ligne

L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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Mathématiques I

Préliminaires et objectif du problème

On rappelle que ℕ^∗ = ℕ∖{0} et que ℤ^∗ = ℤ∖{0}.
Pour tout entier n ∈ ℕ on note ℂ_n[X] le sous-espace vectoriel de ℂ[X] constitué par les polynômes à coefficients complexes de degré inférieur ou égal à n.
On munit l'algèbre C([ − 1, 1], ℂ) des fonctions à valeurs complexes continues sur le segment [ − 1, 1] de la norme ‖‖_∞ de la convergence uniforme, définie par
(∀f ∈ C([ − 1, 1], ℂ)), ‖f‖_∞ = sup_(x ∈ [ − 1, 1])|f(x)|
Tout polynôme de ℂ[X] est identifié à la fonction polynomiale qu'il induit sur [ − 1, 1].
Soit (λ_n)_(n ∈ ℕ) une suite de réels positifs.
  • On dit que cette suite (λ_n)_(n ∈ ℕ) est à décroissance rapide si pour tout entier k ∈ ℕ elle est dominée par la suite (n^(− k))_(n ∈ ℕ^∗), c'est-à-dire si
(∀k ∈ ℕ)(∃M_k ∈ ℝ_+)(∀n ∈ ℕ^∗), λ_n ≤ (M_k)/(n^k).
On note F_∞ l'ensemble des fonctions f ∈ C([ − 1, 1], ℂ) pour lesquelles il existe une suite (Q_n)_(n ∈ ℕ) de polynômes telle que:
  • ∀n ∈ ℕ, Q_n ∈ ℂ_n[X]
  • la suite (‖f − Q_n‖_∞)_(n ∈ ℕ) est à décroissance rapide.
  • On dit que cette suite (λ_n)_(n ∈ ℕ) est à décroissance exponentielle si, pour un certain réel r ∈ ]0, 1[, elle est dominée par la suite géométrique (r^n)_(n ∈ ℕ), c'est-à-dire si
(∃r ∈ ]0, 1[), (∃M ∈ ℝ_+), (∀n ∈ ℕ), λ_n ≤ Mr^n
On note F_(exp) l'ensemble des fonctions f ∈ C([ − 1, 1], ℂ) pour lesquelles il existe une suite (Q_n)_(n ∈ ℕ) de polynômes telle que:
  • ∀n ∈ ℕ, Q_n ∈ ℂ_n[X]
  • la suite (‖f − Q_n‖_∞)_(n ∈ ℕ) est à décroissance exponentielle.

Filière MP

Remarque : Une suite à décroissance rapide (resp. exponentielle) converge vers 0 mais n'est pas forcément décroissante.
L'objectif du problème est de montrer, en utilisant les propriétés des polynômes de Tchebychev établies en Partie I, que les fonctions de l'ensemble F_∞ sont exactement les fonctions de classe C^∞ sur [ − 1, 1] et de relier les fonctions f de l'ensemble E_(exp) aux fonctions f dont la série de Taylor
∑_(n ≥ 0)(f^((n))(a))/(n!)(x − a)^n
en tout point a ∈ [ − 1, 1] converge vers f(x) sur un voisinage de a.
a) Vérifier que si une suite est à décroissance exponentielle alors elle est à décroissance rapide.
b) Vérifier que les ensembles F_∞ et F_(exp) sont des sous-espaces vectoriels de C([ − 1, 1], ℂ). Quelle relation d'inclusion existe-t-il entre ces deux sous-espaces ?
c)
i) Soit f une fonction de classe C^∞ sur [ − 1, 1] dont toutes les dérivées sont bornées sur [ − 1, 1] par un même réel M. Montrer que f ∈ F_(exp).
ii) Donner des exemples de fonctions de F_(exp).

Partie I - Polynômes de Tchebychev

Pour tout entier n ∈ ℕ on pose : (∀x ∈ [ − 1, 1]), T_n(x) = cos(narccosx).

I.A - Premières propriétés des T_n

I.A.1) Montrer que T_n est une fonction polynomiale à coefficients entiers. Le polynôme associé est encore noté T_n et s'appelle le n-ième polynôme de Tchebychev.
I.A.2) Expliciter T_1, T_2, T_3 et T_4.
I.A.3) Montrer que pour tout n ∈ ℕ, T_(n + 2)(x) = 2xT_(n + 1)(x) − T_n(x).
I.A.4) En déduire la parité, le degré et le coefficient dominant de T_n.
I.A.5) Écrire un algorithme pour calculer T_n(X).
On pourra employer le langage de programmation associé au logiciel de calcul formel utilisé ou un langage naturel non ambigu.
I.A.6) Montrer que, pour tout t ∈ [0, π], on a : T_n(cost) = cosnt.

I.B - Calcul de normes

I.B.1) Calculer ‖T_n‖_∞.
I.B.2) Montrer que (∀n ∈ ℕ) (∀u ∈ ℝ), |sinnu| ≤ n|sinu|.
I.B.3) En déduire que ‖T_n^′‖_∞ = n^2.
I.C - Encadrement de T_n(x) sur [1, + ∞[
I.C.1) Montrer que
(∀r ∈ ℝ^∗), T_n((r + r^(− 1))/2) = (r^n + r^(− n))/2
I.C.2) Soit un réel x ∈ [1, + ∞[.
a) Montrer qu'il existe r ∈ ℝ^∗, tel que x = (r + r^(− 1))/2.
b) En déduire que 1 ≤ T_n(x) ≤ (x + √(x^2 − 1))^n.

I.D - Équation différentielle vérifiée sur IR par T_n

I.D.1) En dérivant l'égalité T_n(cost) = cosnt valable pour tout réel t ∈ [0, π], trouver une équation différentielle linéaire homogène du second ordre vérifiée sur IR par T_n.
I.D.2) Soit k ∈ ℕ, k ≤ n. Déduire de la question I.D. 1 que
T_n^((k))(1) = n/(n + k)((n + k)!)/((n − k)!)(2^k k!)/((2k)!)
Montrer que T_n^((k))(− 1) = (− 1)^(n + k)T_n^((k))(1).

Partie II - Application des polynômes de Tchebychev à la majoration des polynômes et de leurs dérivées

On introduit la subdivision σ = (a_0, a_1, …, a_n) du segment [ − 1, 1 ] définie par :
∀j ∈ [0, n], a_j = cos[(1 − j/n)π]
Par ailleurs, pour tout i ∈ [0, n] on appelle E_i = [0, n]∖{i} l'ensemble des entiers naturels autres que i qui sont inférieurs ou égaux à n.
Enfin, pour tout i ∈ [0, n] on note
L_i(X) = (∏_(j ∈ E_i)(X − a_j))/(∏_(j ∈ E_i)(a_i − a_j))
le i-ème polynôme élémentaire de Lagrange associé à la subdivision σ.

II.A - Majoration d'un polynôme sur [1, + ∞[

II.A.1) Résoudre sur [ − 1, 1] l'équation |T_n(x)| = 1 et calculer T_n^′(a_j) pour j = n, pour j = 0 puis pour j ∈ [1, n − 1].
II.A.2) Montrer que
T_n(X) = ∑_(i = 0)^n(− 1)^(n − i)L_i(X)
II.A.3) On suppose que x ∈ [1, + ∞[. Montrer que
T_n(x) = ∑_(i = 0)^n|L_i(x)|
II.A.4) Soit P(X) un polynôme appartenant à ℂ_n[X]. Montrer que
(∀x ∈ [1, + ∞[), |P(x)| ≤ ‖P‖_∞(x + √(x^2 − 1))^n

II.B - Majoration des dérivées successives d'un polynôme sur [ 1, + ∞ [

II.B.1) On suppose que x ∈ [1, + ∞[. Montrer que :
(∀k ∈ [1, n]), T_n^((k))(x) = ∑_(i = 0)^n|L_i^((k))(x)|.
II.B.2) Soit P(X) un polynôme appartenant à ℂ_n[X]. Montrer que :
(∀k ∈ [1, n]), (∀x ∈ [1, + ∞[), |P^((k))(x)| ≤ ‖P‖_∞T_n^((k))(x).
II.C - Majoration des dérivées successives d'un polynôme sur [ − 1, 1]
Soit P ∈ ℂ_n(X). On considère un entier k ∈ [1, n].
II.C.1) On pose
(∀λ ∈ [ − 1, 1]), P_λ(X) = P((λ + ε)/2X + (λ − ε)/2) avec; ε = 1 si λ ∈ [0, 1] et ε = − 1 si λ ∈ [ − 1, 0[
Montrer que :
|P_λ^((k))(1)| = ((|λ| + 1)/2)^k|P^((k))(λ)|.
II.C.2) En déduire que ‖P^((k))‖_∞ ≤ 2^k T_n^((k))(1)‖P‖_∞.
II.C.3) Montrer que :
‖P^((k))‖_∞ ≤ 2^(2k)(k!)/((2k)!)((n + k)!)/((n − k)!)‖P‖_∞
et que, si k = 1, on a la majoration plus fine ‖P^′‖_∞ ≤ 2n^2‖P‖_∞.

Partie III - Détermination de l'ensemble E_∞

On note C_(2π) l'algèbre des fonctions 2π-périodiques et continues sur ℝ, à valeurs complexes. On munit C_(2π) de deux normes, la norme quadratique N_2 définie pour φ ∈ C_(2π), par
N_2(φ) = (1/(2π)∫_(− π)^π|φ(t)|^2 dt)^(1/2) induite par le produit scalaire hermitien :; (φ|ψ) = 1/(2π)∫_(− π)^π φ(t)^–ψ(t)dt
et la norme N_∞ de la convergence uniforme définie par
N_∞(φ) = sup_(t ∈ [ − π, π])|φ(t)|.
Pour tout entier k ∈ ℤ on pose e_k : t ↦ e^(ikt). On rappelle que la famille (e_k)_(k ∈ ℤ) est une famille orthonormale de l'espace préhilbertien ( C_(2π), N_2 ) et que, pour tout k ∈ ℤ, le k-ième coefficient de Fourier d'une fonction φ ∈ C_(2π) est le complexe
c_k(φ) = (e_k|φ) = 1/(2π)∫_(− π)^π φ(t)e^(− ikt)dt.
Pour tout entier n ∈ ℕ on note τ_n le sous-espace vectoriel de C_(2π) engendré par les fonctions e_k où k ∈ [ − n, n] :
τ_n = vect(e_(− n), …, e_0, …, e_n); dim(τ_n) = 2n + 1.
Soit φ ∈ C_(2π). Pour tout entier n ∈ ℕ, on note
S_n(φ) = ∑_(k = − n)^n c_k(φ)e_k le n-ième polynôme trigonométrique de Fourier de φ.

III.A - Propriétés liées aux normes N_2 et N_∞

III.A.1) On suppose que la série
∑_(n ≥ 1)(|c_n(φ)| + |c_(− n)(φ)|) converge.
Montrer que la suite (S_n(φ))_(n ∈ ℕ) converge uniformément sur ℝ vers φ.
III.A.2) Soit φ ∈ C_(2π) muni de la norme quadratique N_2. On rappelle que S_n(φ) est la projection orthogonale de φ sur τ_n. En déduire que :
(∀ω ∈ τ_n∖{S_n(φ)}), N_2(φ − ω) > N_2(φ − S_n(φ)).
III.A.3) On suppose que la fonction φ ∈ C_(2π) est de classe C^p sur ℝ, avec p ≥ 1. Montrer que :
(∀k ∈ ℤ^∗), |c_k(φ)| ≤ (N_∞(φ^((p))))/(|k|^p).

III.B - Étude d'une application linéaire

On rappelle que C([ − 1, 1], ℂ) est muni de la norme ‖‖_∞. On note L l'application linéaire qui à toute fonction f de C([ − 1, 1], ℂ), associe la fonction Lf de C_(2π) définie par ∀t ∈ ℝ Lf(t) = f(cost).
Montrer que L est injective et calculer la norme subordonnée ‖|L|‖_∞ de L lorsque l'on munit C_(2π) de la norme N_∞ puis la norme subordonnée ‖L‖_2 de L lorsque l'on munit C_(2π) de la norme N_2.

III.C - Propriétés liées aux coefficients de Fourier d'une fonction Lf

Dans cette section on considère une fonction f fixée dans C([ − 1, 1], ℂ).
III.C.1) Vérifier que c_(− k)(Lf) = c_k(Lf).
III.C.2) Soit (Q_n)_(n ∈ ℕ) une suite de polynômes telle que pour tout n ∈ ℕ on ait Q_n ∈ ℂ_n[X]. Montrer que :
(∀k ≥ 2), |c_k(Lf)| ≤ 1/(√2)‖f − Q_(k − 1)‖_∞.
III.C.3) Pour tout entier n ∈ ℕ on pose:
(∀x ∈ [ − 1, 1]), U_n(f)(x) = S_n(Lf)(arccosx)
Montrer que :
U_n(f) = c_0(Lf) + 2∑_(k = 1)^n c_k(Lf)T_k
III.C.4) On suppose que la série ∑_(k ≥ 1)|c_k(Lf)| converge. Montrer que :
‖f − U_n(f)‖_∞ ≤ 2∑_(k = n + 1)^(+ ∞)|c_k(Lf)|.

III.D - Développement en série de Tchebychev d'une fonction f de F_∞

On suppose dans cette question que f est une fonction de l'ensemble F_∞.
III.D.1) Montrer que la suite (|c_n(Lf)|)_(n ∈ ℕ) est à décroissance rapide.
III.D.2) Montrer que :
(∀x ∈ [ − 1, 1]), f(x) = c_0(Lf) + 2∑_(n = 1)^(+ ∞)c_n(Lf)T_n(x)
et que la série de fonctions converge normalement sur [ − 1, 1].
III.D.3) En déduire que f est de classe C^∞ sur [ − 1, 1] et que :
(∀k ∈ ℕ), (∀x ∈ [ − 1, 1]), f^((k))(x) = 2∑_(n = 1)^(+ ∞)c_n(Lf)T_n^((k))(x)

III.E - Achèvement de la détermination de l'ensemble F_∞

On suppose dans cette question que f est une fonction de classe C^∞ sur [ − 1, 1].
III.E.1) Montrer que la suite (|c_n(Lf)|)_(n ∈ ℕ) est à décroissance rapide.
III.E.2) En déduire que f ∈ F_∞.

Partie IV - Étude de l'ensemble E_(exp)

IV.A - Caractérisation des éléments de l'ensemble E_(exp)

IV.A.1) Soit f une fonction de C([ − 1, 1], ℂ). Montrer que les assertions suivantes sont équivalentes :
a) f ∈ E_(exp).
b) La suite (|c_n(Lf)|)_(n ∈ ℕ) est à décroissance exponentielle.

IV.B - Développement en série de Tchebychev d'une fonction f de E_(exp)

On suppose dans cette question que f est une fonction de l'ensemble F_(exp). Il existe donc un réel r ∈ ]0, 1[ tel que :
(∃M ∈ ℝ_+), (∀n ∈ ℕ), |c_n(Lf)| ≤ Mr^n.
IV.B.1) Justifier le fait que :
(∀x ∈ [ − 1, 1]), f(x) = c_0(Lf) + 2∑_(n = 1)^(+ ∞)c_n(Lf)T_n(x),
que la série de fonctions converge normalement sur [ − 1, 1], que f est de classe C^∞ sur [ − 1, 1] et que :
(∀k ∈ ℕ), (∀x ∈ [ − 1, 1]), f^((k))(x) = 2∑_(n = 1)^(+ ∞)c_n(Lf)T_n^((k))(x)
IV.B.2) En déduire que
(∀k ∈ ℕ), ‖f^((k))‖_∞ ≤ (2M)/(1 − r) ⋅ (k!)/([λ(r)]^k), avec λ(r) = ((1 − r)^2)/(4r).
IV.C - Développement en série de Taylor au voisinage de tout point a ∈ [ − 1, 1] d'une fonction f de F_(exp)
On conserve les mêmes hypothèses qu'à la question précédente pour f. Soit un point a ∈ [ − 1, 1].
Montrer que la série de Taylor :
∑_(n ≥ 0)(f^((n))(a))/(n!)(x − a)^n
de f au point a converge vers f(x) sur le voisinage [ − 1, 1] ∩ ]a − λ(r), a + λ(r)[ du point a.
IV.D - Inclusion stricte entre E_(exp) et E_∞
Montrer que la fonction f définie par
(∀x ∈ [ − 1, 1]∖{0}), f(x) = exp(− 1/(x^2)) et f(0) = 0
appartient à F_∞ mais n'appartient pas à E_(exp).

IV.E - Réciproque partielle concernant la détermination de l'ensemble E_(exp)

Soit f une fonction à valeurs réelles ou complexes développable en série entière sur un intervalle ouvert ] − ρ, ρ[, avec ρ > 1. Montrer que la restriction de f au segment [ − 1, 1] appartient à E_(exp).

- FIN •••

Questions fréquentes

4 questions
Sur quels chapitres porte le sujet de maths 1 Centrale MP 2002 ?
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Sur quels chapitres porte le sujet de maths 1 Centrale MP 2002 ?

Le sujet porte sur les polynômes de Tchebychev, l'interpolation de Lagrange, les séries de Fourier et les séries entières, pour caractériser les fonctions indéfiniment dérivables et analytiques sur [-1,1].

Le sujet de maths 1 Centrale MP 2002 est-il difficile ?

Le rapport le décrit comme facile à corriger malgré sa longueur, les deux premières parties étant accessibles avec des notions de première année, mais la partie IV a été très peu traitée.

Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet de maths 1 Centrale MP 2002 ?

Le jury signale une méconnaissance de la convergence normale des séries de fonctions et l'idée fausse selon laquelle toute fonction C∞ serait développable en série entière.

Faut-il bien connaître les polynômes de Tchebychev pour ce sujet de maths 1 Centrale MP 2002 ?

Le sujet les redéfinit et en établit les propriétés dès la partie I, ce qui le rend accessible même sans connaissance préalable approfondie.

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