Centrale Mathématiques 1 PSI 2020Sujet, corrigé et rapport du jury
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Difficulté moyenneGestion d'erreurs d'un processus automatisé : loi de Poisson, théorème de Perron-Frobenius et chaînes de MarkovAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet étudie des probabilités liées à la gestion d'erreurs d'un processus automatisé. Il traite d'abord un cas particulier lié à la loi de Poisson, démontre ensuite partiellement le théorème de Perron-Frobenius sur les matrices positives, puis établit une inégalité pour les chaînes de Markov, avec deux questions d'informatique en Python.
- 1Partie I : cas de la loi de PoissonSomme de variables indépendantes et fonctions génératrices, série de fonctions normalement convergente, puis estimation asymptotique d'une probabilité à l'aide de la formule de Stirling.
- 2Partie II : quelques résultats sur les matricesDémonstration partielle du théorème de Perron-Frobenius : rayon spectral, vecteur propre strictement positif, valeur propre dominante et convergence des puissances.
- 3Partie III : une inégalité pour les chaînes de MarkovMatrice de transition, fonction de taux définie par une valeur propre dominante, fonctions Python sur les puissances de matrices et majoration par l'inégalité de Markov.
Difficulté moyenne. Le jury juge le sujet plutôt long mais progressif, ce qui a permis à tous les candidats de traiter de nombreuses questions ; la troisième partie a été moins abordée.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 7,59 / 20 · écart-type 4,19 · 4 106 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 7,59/ 20
- Écart-type
- 4,19
- Présents
- 4 106
- Coefficient
- 12
- Durée
- 4 h
- 1er quartile
- 4,4
- Médiane
- 6,9
- 3e quartile
- 10,1
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 27 juin 2020. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesConfusion entre variable aléatoire et événement · Convergence normale mal justifiée · Série prise à tort pour géométriqueAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLa première partie a été abordée presque entièrement par tous, avec certaines questions très bien traitées, mais des résultats de cours mal cités. La deuxième partie, très largement traitée, a été moins réussie par manque de rigueur. La troisième partie a été moins abordée, et peu de candidats ont réussi les questions d'informatique, pourtant classiques.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Confusion entre variable aléatoire et événement
De nombreuses copies écrivent des expressions comme P(X), qui n'ont aucun sens.
« Il est important de bien faire la différence entre une variable aléatoire et un évènement. »
- 2Convergence normale mal justifiéeQ7
Beaucoup majorent u_k(x) sans valeur absolue ni étude du signe, et le vocabulaire des séries de fonctions est confus.
- 3Série prise à tort pour géométriqueQ8
La série des (1/(1 + kx))^k n'est pas géométrique dès que x est non nul.
- 4Valeurs propres et polynôme annulateurQ13
Des candidats confondent « admettre 0 pour seule valeur propre » et « admettre 0 pour valeur propre ». Un polynôme annulateur donne seulement l'inclusion du spectre dans ses racines.
- 5Inégalités entre valeurs propres complexesQ24
Les matrices n'étaient supposées diagonalisables que sur C, mais beaucoup écrivent des inégalités entre valeurs propres a priori complexes.
- 6Hypothèse de positivité oubliéeQ36
Pour appliquer l'inégalité de Markov, la positivité de la variable aléatoire est trop souvent omise.
Ce qui a été bien réussi
- La première partie a été abordée presque entièrement par tous les candidats, avec certaines questions très bien traitées.
- Beaucoup de très bonnes réponses ont été proposées dans la deuxième partie.
- Une majorité de copies est clairement présentée.
- De nombreux candidats maîtrisent le langage des probabilités, les séries génératrices, la formule des probabilités totales et le théorème de Cayley-Hamilton.
Conseils du jury
- Numéroter les questions, les traiter dans l'ordre en laissant des blancs si besoin, et encadrer les résultats.
- Limiter les abréviations peu courantes et articuler le raisonnement avec des mots de liaison.
- Justifier une formule donnée par l'énoncé plutôt que la recopier.
- Utiliser directement les résultats du programme, comme la fonction génératrice d'une somme de variables indépendantes.
- Utiliser un brouillon avant de rédiger et s'appuyer sur des exemples simples pour comprendre les questions.
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.Afficher ou masquer la section
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Objectif
On considère un processus industriel automatisé au cours duquel une tâche répétitive est effectuée à chaque instant
Dans la première partie, on étudie le cas particulier où les variables aléatoires
I Cas de la loi de Poisson
L'objectif de cette partie est de donner un équivalent de
Pour tout
Q 1. Montrer que
Q 2. Expliciter le calcul de la fonction génératrice
Q 3. Justifier que
Q 4. Montrer que la variable aléatoire
I.B -
II Quelques résultats sur les matrices
Notations
-
n est un entier naturel supérieur ou égal à 2 . - Soit
A ∈ M_n(ℝ) . On notesp(A) l'ensemble des valeurs propres complexes deA et pourλ ∈ sp(A) ,E_λ(A) = ker(A − λI_n) . On noteρ(A) = max{|λ|, λ ∈ sp(A)} . - On dit que
A ∈ M_n(ℝ) est positive si tous ses coefficients sont positifs. On note alorsA ⩾ 0 . - On dit que
A ∈ M_n(ℝ) est strictement positive si tous ses coefficients sont strictement positifs. On note alorsA > 0 . - Un vecteur
x deℝ^n est dit positif si tous ses coefficients sont positifs. On note alorsx ⩾ 0 . - Un vecteur
x deℝ^n est dit strictement positif si tous ses coefficients sont strictement positifs. On note alorsx > 0 . - On définit une relation d'ordre sur
M_n(ℝ) parA ⩾ B siA − B ⩾ 0 . - On définit une relation d'ordre sur
ℝ^n parx ⩾ y six − y ⩾ 0 . - Si
A = (a_(i, j))_(1 ⩽ i, j ⩽ n) ∈ M_n(ℝ) alors|A| désigne la matrice|A| = (|a_(i, j)|)_(1 ⩽ i, j ⩽ n) ∈ M_n(ℝ) . - Si
x = (x_i)_(1 ⩽ i ⩽ n) ∈ ℂ^n alors|x| désigne le vecteur|x| = (|x_i|)_(1 ⩽ i ⩽ n) ∈ ℝ^n . - On dit que
λ_0 ∈ sp(A) est une valeur propre dominante deA si, pour toutλ ∈ sp(A)∖{λ_0}, |λ_0| > |λ| .
Proposition 1
Proposition 2
II.A -
Q 13. En déduire que
Dans la suite du problème, on admettra que cette dernière implication est vraie même si la matrice
II.B - On suppose, dans les sous-parties II.B et II.C, que
On considère une valeur propre
Q 15. Montrer que
Dans les questions qui suivent, on suppose que
Q 16. Montrer qu'il existe
Q 17. On pose
Q 18. Déterminer
Q 19. Conclure.
II. C -
Q 21. Montrer que 1 est la seule valeur propre de module 1 de
On pourra admettre sans démonstration que si
Q 22.
Q 23. En regroupant les résultats des sous-parties II.B et II.C, justifier qu'on a démontré la proposition 1.
II.
Pour tout
Q 24. Soit
Q 25. Soit
II.E - Cette sous-partie permet de déterminer la valeur propre dominante
Q 26. Justifier que pour tout entier
Q 27. Montrer que
III Une inégalité pour les chaînes de Markov
On suppose que
On dit que
On attire l'attention sur les faits suivants:
- la numérotation des lignes et des colonnes de
Q commence à 0 ; -
Q est une matrice carrée de tailleN + 1 .
III.A - Justification de l'existence des lois
(Π_n)_(n ⩾ 1)
Q 29. Justifier que, pour tout
Q 30. En déduire que la loi de
Dans toute la suite, on considère une telle chaîne de Markov, et on pose
-
S_n = ∑_(k = 1)^n X_k pourn ∈ ℕ^∗ ; -
a_(i, j)(t) = q_(i, j)e^(jt) pour tout(i, j) ∈ [ [0, N] ]^2 et toutt ∈ ℝ ; -
A(t) = (a_(i, j)(t))_(0 ⩽ i ⩽ N, 0 ⩽ j ⩽ N) ∈ M_(N + 1)(ℝ) ; -
z_j(t) = P(X_1 = j)e^(jt) pour toutj ∈ [ [0, N] ] et toutt ∈ ℝ ;
− Z(t) = (z_0(t); ⋮; z_N(t)) ∈ M_(N + 1, 1)(ℝ)(ℝ) .
III.B - Définition de la fonction de taux
λ
On admet que l'espérance de la variable aléatoire
Q 31. Justifier que
Q 32. Montrer que
III.
import numpy as np
- range(n) renvoie la séquence des n premiers entiers (
0 → n − 1 ). - np.array(u) crée un nouveau tableau contenant les éléments de la séquence u. La taille et le type des éléments de ce tableau sont déduits du contenu de u.
- a.shape(a) renvoie un tuple donnant la taille du tableau a pour chacune de ses dimensions.
- a.trace(a) donne la trace du tableau a.
- np.
exp(a) renvoie un tableau de même forme que le tableau a dont chaque terme est l'exponentielle du terme correspondant du tableau a (exponentielle terme à terme). - np.dot(a, b) calcule le produit matriciel des tableaux
a etb (sous réserve de compatibilité des dimensions). -
x∗ a renvoie un tableau de même forme que le tableau a correspondant au produit de chaque terme de a par le nombre x . -
a∗ b renvoie un tableau correspondant au produit terme à terme des deux tableaux a et b . Si a et b n'ont pas le même nombre de dimensions, le plus «petit» est virtuellement étendu afin de correspondre à la forme du plus «grand». Par exemple si a est une matrice et b un vecteur, b doit avoir le même nombre de composantes que a a de lignes, il est alors virtuellement transformé en matrice avec le même nombre de colonnes que a , chaque colonne valant b .
Q 34. Expliquer ce que fait la fonction Python maxSp définie par :
def maxSp(Q:np.ndarray, k:int, t:float) -> float:
n = Q.shape[1]
E = np.exp(t * np.array(range(n)))
A = Q * E
B = puiss2k (A, k)
C = np.dot(A, B)
return C.trace() / B.trace()
III.D - Une majoration théorique et son interprétation
On admet que cette borne supérieure existe et que la convergence de la suite de fonctions
Q 35. Montrer qu'il existe un rang
III.
On dispose de deux suites finies de réels
Q 39. Justifier que pour tout
Le tableau 1 donne ces valeurs pour
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4,50 | 4,55 | 4,60 | 4,65 | 4,70 |
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4,75 | 4,80 | 4,85 | 4,90 | 4,95 |
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5,00 | 5,05 | 5,10 | 5,15 | 5,20 |
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5,25 | 5,30 | 5,35 | 5,40 | 5,45 |
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Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale Maths 1 PSI 2020 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale Maths 1 PSI 2020 ?
Sur les probabilités et variables aléatoires discrètes, la réduction des matrices, les suites et séries de fonctions et le calcul asymptotique, avec deux questions d'informatique en Python.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en Centrale Maths 1 PSI 2020 ?
La confusion entre variable aléatoire et événement, une convergence normale mal justifiée, des inégalités entre valeurs propres complexes et l'oubli de la positivité dans l'inégalité de Markov.
Le sujet Centrale Maths 1 PSI 2020 était-il long ?
Le jury le juge plutôt long, mais sa progressivité a permis à tous les candidats de traiter de nombreuses questions. La troisième partie a été moins abordée.
Faut-il connaître les chaînes de Markov pour Centrale Maths 1 PSI 2020 ?
Le sujet les introduit dans sa troisième partie. Le jury indique qu'il fallait surtout maîtriser les probabilités discrètes et les rudiments de réduction des matrices, et bien assimiler les résultats de la deuxième partie.
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