Centrale Mathématiques 2 TSI 2009Sujet et corrigé
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Calculatrices autorisées
Dans tout le problème, (
Π ) est un plan euclidien orienté rapporté à un repère orthonormal direct
(O, i⃗, j⃗) et
P_1, …, P_k sont
k points de ce plan, non contenus dans une même droite passant par
O .
On rappelle que, si une ellipse admet dans un certain repère orthonormal direct une équation de la forme(x^2)/(a^2) + (y^2)/(b^2) = 1 , son aire est égale à
πab et les points qui sont à l'intérieur de cette ellipse sont ceux dont les coordonnées dans ce repère vérifient:
(x^2)/(a^2) + (y^2)/(b^2) < 1 .
On note(Π⃗) le plan vectoriel euclidien engendré par
i⃗ et
j⃗ .
On dira qu'une ellipse est convenable si elle est centrée enO et si tous les points
P_1, …, P_k sont à l'intérieur de l'ellipse ou sur l'ellipse elle-même (les axes d'une telle ellipse ne sont pas nécessairement dirigés par
i⃗ et
j⃗ ).
Une ellipse convenable sera dite optimale si son aire est inférieure ou égale à celle de toute autre ellipse convenable.
Le but du problème est de prouver qu'il existe une ellipse optimale, et une seule.
Pourn entier strictement positif, on note
M_n(ℝ) l'espace vectoriel des matrices réelles
n × n et
S_n(ℝ) le sous-espace vectoriel des matrices symétriques de
M_n(ℝ) . Si
A appartient à
M_n(ℝ) , on note
a_(i, j) le coefficient de
A qui se trouve à la
i -ème ligne et à la
j -ème colonne.
Note : on identifie une matrice deM_1(ℝ) avec son unique élément
a_(1, 1) .
On rappelle que, si une ellipse admet dans un certain repère orthonormal direct une équation de la forme
On note
On dira qu'une ellipse est convenable si elle est centrée en
Une ellipse convenable sera dite optimale si son aire est inférieure ou égale à celle de toute autre ellipse convenable.
Le but du problème est de prouver qu'il existe une ellipse optimale, et une seule.
Pour
Note : on identifie une matrice de
Partie I - Matrices symétriques
I.A - Soit
A ∈ M_2(ℝ), A = (c, d; e, f) .
I.A.1) Former le polynôme caractéristique deA .
I.A.2) En déduire la somme et le produit des deux valeurs propres (réelles ou complexes) deA en fonction de la trace de
A et du déterminant de
A .
I.A.3) On suppose de plus queA est symétrique. Démontrer que
A admet deux valeurs propres réelles strictement positives si et seulement si son déterminant et sa trace sont strictement positifs.
I.A.1) Former le polynôme caractéristique de
I.A.2) En déduire la somme et le produit des deux valeurs propres (réelles ou complexes) de
I.A.3) On suppose de plus que
Les résultats de la fin de cette partie I sont établis pour un entier
n, n ⩾ 2 mais ne seront utilisés, dans la suite du problème, que pour
n = 2 .
I.B - Soit(i, j) un couple d'entiers tels que
1 ⩽ i ⩽ j ⩽ n . On note
M_(i, j) la matrice, appartenant à
M_n(ℝ) , dont tous les termes sont nuls, à l'exception de
m_(i, j) et
m_(j, i) qui sont égaux à 1 .
I.B.1) On suppose quen = 3 .
a) Il y a 6 couples(i, j) tels que
1 ⩽ i ⩽ j ⩽ 3 . Écrire les 6 matrices
M_(i, j) .
b) Démontrer que les 6 matrices précédentes forment une base deS_3(ℝ) .
I.B.2) On revient au cas général :n ⩾ 2 .
a) Combien y-a-t-il de matricesM_(i, j) ?
b) Démontrer que toutA ∈ S_n(ℝ) est une combinaison linéaire des matrices
M_(i, j) .
c) Quelle est la dimension deS_n(ℝ) ?
I.C - On identifie tout élément deℝ^n à un vecteur colonne
V à
n lignes. On note
^t V le transposé d'un tel vecteur.
SoitA ∈ S_n(ℝ) . On lui associe la forme quadratique
q sur
ℝ^n telle que
I.B - Soit
I.B.1) On suppose que
a) Il y a 6 couples
b) Démontrer que les 6 matrices précédentes forment une base de
I.B.2) On revient au cas général :
a) Combien y-a-t-il de matrices
b) Démontrer que tout
c) Quelle est la dimension de
I.C - On identifie tout élément de
Soit
I.C.1) Pour
V et
V^′ dans
ℝ^n , exprimer l'unique terme de
^t VAV^′ en fonction de
q(V), q(V^′) et
q(V + V^′) .
I.C.2) Pouri et
j entiers, fixés entre 1 et
n , comment choisir
V et
V^′ pour que l'unique terme de
^t VAV^′ soit égal à
a_(i, j) ?
I.C.3) SoientA_1 et
A_2 deux matrices dans
S_n(ℝ) telles que, pour tout
V ∈ ℝ^n , on ait
^t VA_1 V = ^t VA_2 V . Démontrer que
A_1 = A_2 .
I.C.4) SoientA_1 et
A_2 deux matrices dans
S_n(ℝ) . On suppose que les valeurs propres
λ_1, …, λ_n de
A_1 sont strictement positives et que pour tout
V ∈ ℝ^n , tel que
^t VA_1 V = 1 , on ait aussi
^t VA_2 V = 1 .
SoitV ∈ ℝ^n, V non nul.
a) Démontrer qu'il existe un vecteurW non nul tel que
^t VA_1 V = ^t WDW , où
D est la matrice diagonale ayant
λ_1, …, λ_n comme termes diagonaux.
b) En déduire que^t VA_1 V est un nombre réel strictement positif.
I.C.2) Pour
I.C.3) Soient
I.C.4) Soient
Soit
a) Démontrer qu'il existe un vecteur
b) En déduire que
On note
r^2 ce nombre.
c) En considérant^t(V/r)A_1 V/r , montrer que
^t VA_1 V = ^t VA_2 V .
d) Démontrer queA_1 = A_2 .
c) En considérant
d) Démontrer que
Partie II - Quelques propriétés de l'ellipse
À tout endomorphisme symétrique
fde(Π⃗) on associe la courbe
C_f , ensemble des points
M du plan
Π tels que le produit scalaire
OM^(→−) ⋅ f(OM^(→−)) soit égal à 1 .
II.A -
II.A.1) Démontrer qu'il existe une base orthonormale directe(i_0→, j_0→) de
(Π⃗) telle que
C_f admette, dans le repère (
O, i_0→, j_0→ ), une équation de la forme
λ_1 x^2 + λ_2 y^2 = 1.
II.A.2) Démontrer queC_f est une ellipse si et seulement si les valeurs propres de
f sont deux réels strictement positifs.
II.B - Réciproquement, soitE une ellipse de centre
O , dans le plan (
Π ).
II.B.1) Démontrer qu'il existe un endomorphismef de
Π⃗ , symétrique et à valeurs propres strictement positives et tel que
E soit la courbe
C_f associée à
f .
On pourra définir cet endomorphisme par sa matrice dans une base orthonormale directe bien choisie deΠ⃗ .
II.B.2) En utilisant le résultat de I.C-, montrer que cet endomorphisme est unique.
II.C -f étant un endomorphisme symétrique de
Π⃗ , on note
M_f la matrice de
f dans la base
(i⃗, j⃗) .
II.C.1) Démontrer que les trois matrices(− 1, 0; 0, 1), (0, − 1; − 1, 0) et
(1, 0; 0, 1) forment une famille libre dans
S_2(ℝ) .
II.C.2) En déduire qu'on peut associer àf un unique triplet (
α, β, γ ) de réels tels que la matrice
M_f s'écrive
M_f = (γ − α, − β; − β, γ + α)
II.C.3) Démontrer quef admet deux valeurs propres réelles et strictement positives si et seulement si le triplet (
α, β, γ ) associé à
f vérifie les deux propriétés ci-dessous :
II.A -
II.A.1) Démontrer qu'il existe une base orthonormale directe
II.A.2) Démontrer que
II.B - Réciproquement, soit
II.B.1) Démontrer qu'il existe un endomorphisme
On pourra définir cet endomorphisme par sa matrice dans une base orthonormale directe bien choisie de
II.B.2) En utilisant le résultat de I.C-, montrer que cet endomorphisme est unique.
II.C -
II.C.1) Démontrer que les trois matrices
II.C.2) En déduire qu'on peut associer à
II.C.3) Démontrer que
II.D - Soit
E une ellipse de centre
O , dans le plan (
Π ) et
f l'unique endomorphisme symétrique qui lui est associé (donc
E = C_f ).
Soit(α, β, γ) le triplet associé à
f (donc associé à
E ).
II.D.1) En se plaçant dans un repère particulier, montrer que les points qui sont à l'intérieur deE ou sur
E elle-même sont les points
M du plan tels que
OM^(→−) ⋅ f(OM^(→−)) ⩽ 1 .
II.D.2) En déduire que ce sont les pointsM du plan dont les coordonnées dans
(O, i⃗, j⃗) vérifient
(γ − α)x^2 + (γ + α)y^2 − 2βxy ⩽ 1 ,
II.D.3) En reprenant le repère particulier, exprimer l'aire deE en fonction de
Det(f) , déterminant de
f dans une base orthonormale directe.
II.D.4) En déduire que cette aire est égale àπ/(√(γ^2 − α^2 − β^2)) .
Soit
II.D.1) En se plaçant dans un repère particulier, montrer que les points qui sont à l'intérieur de
II.D.2) En déduire que ce sont les points
II.D.3) En reprenant le repère particulier, exprimer l'aire de
II.D.4) En déduire que cette aire est égale à
Partie III-Existence d'une ellipse optimale
III.A -
III.A.1) Justifier que, si les trois pointsO, P_i, P_j sont alignés, la suppression dans l'ensemble
L = {P_1, …, P_k} de l'un (bien choisi) des deux points
P_i ou
P_j ne change pas l'ensemble des ellipses convenables.
On suppose donc que pour tousi et
j distincts,
O, P_i, P_j ne sont pas alignés.
III.A.2) Il en résulte que les pointsP_i sont tous distincts de
O . À chaque point
P_i ∈ L on attribue alors un couple (
θ_i, ρ_i ) de coordonnées polaires dans le repère
(O, i⃗, j⃗) , avec
ρ_i > 0 .
SoitE une ellipse de centre
O , associée à un triplet (
α, β, γ ). Démontrer que
P_i est à l'intérieur de
E ou sur
E elle-même si et seulement si
III.A.1) Justifier que, si les trois points
On suppose donc que pour tous
III.A.2) Il en résulte que les points
Soit
III.A.3) Quelle est la position de
P_i quand cette inégalité est une égalité?
III.B - Démontrer qu'il existe au moins une ellipse convenable.
III.B - Démontrer qu'il existe au moins une ellipse convenable.
Dans la suite de cette partie,
E_0 est une ellipse convenable quelconque, fixée définitivement, associée au triplet
(α_0, β_0, γ_0) .
III.C -
III.C.1) Démontrer que pour tout
r ⩾ 1 , le triplet (
α_0, β_0, rγ_0 ) est associé à une ellipse
E_1 de centre
O , d'aire inférieure ou égale à celle de
E_0 .
III.C.2) Démontrer qu'on peut, de plus, choisirr de sorte que cette ellipse
E_1 soit convenable et passe par l'un des points
P_1, …, P_k .
On suppose, quitte à réordonner les pointsP_1, …, P_k , que ce point est
P_1 et que l'on a choisi la base orthonormale directe
(i⃗, j⃗) de sorte que
θ_1 = 0 .
On note(α_1, β_1, γ_1) le triplet
(α_0, β_0, rγ_0) associé à
E_1 .
III.C.2) Démontrer qu'on peut, de plus, choisir
On suppose, quitte à réordonner les points
On note
III.D -
III.D.1) Démontrer que, pour tout
λ ⩾ 0 , le triplet (
α_1 + λ, β_1, γ_1 + λ ) est associé à une ellipse
E_2 , de centre
O , passant par
P_1 et dont l'aire est inférieure ou égale à celle de
E_1 .
III.D.2) Démontrer que1 − cos(2θ_i) est strictement positif pour tout
i de 2 à
k .
III.D.3) Démontrer qu'on peut, de plus, choisirλ de sorte que
E_2 soit convenable et passe par l'un des points
P_2, …, P_k .
On suppose, quitte à réordonner les pointsP_2, …, P_k , que
E_2 passe par
P_2 .
On note(α_2, β_2, γ_2) le triplet
(α_1 + λ, β_1, γ_1 + λ) associé à
E_2 .
III.E - On étudie l'ensemble des triplets (α, β, γ ) qui vérifient
III.D.2) Démontrer que
III.D.3) Démontrer qu'on peut, de plus, choisir
On suppose, quitte à réordonner les points
On note
III.E - On étudie l'ensemble des triplets (
III.E.1) Démontrer que ce sont les triplets de la forme (
g(β), β, h(β) ), où
g et
h sont deux fonctions que l'on précisera.
III.E.2) Démontrer que, pour un tel triplet,γ^2 − α^2 − β^2 est une fonction du second degré de
β , dont le terme de plus haut degré est
− β^2 .
III.E.3) Démontrer qu'un tel triplet est associé à une ellipse convenable d'aire inférieure ou égale à celle deE_2 si et seulement si
β appartient à un certain intervalle fermé borné non vide (que l'on ne demande pas de préciser).
III.E.4) En déduire que, parmi les ellipses convenables passant parP_1 et
P_2 , il en existe une d'aire minimale.
III.F - Déduire de ce qui précède qu'il existe une (au moins) ellipse optimale et qu'elle passe par deux (au moins) des pointsP_i .
III.E.2) Démontrer que, pour un tel triplet,
III.E.3) Démontrer qu'un tel triplet est associé à une ellipse convenable d'aire inférieure ou égale à celle de
III.E.4) En déduire que, parmi les ellipses convenables passant par
III.F - Déduire de ce qui précède qu'il existe une (au moins) ellipse optimale et qu'elle passe par deux (au moins) des points
Partie IV - Unicité de l'ellipse optimale
Pour pouvoir raisonner géométriquement, on interprète (
α, β, γ ) comme les coordonnées d'un point d'un espace rapporté à un repère orthonormal
(Ω, I⃗, J⃗, K⃗) (il n'y a aucun lien entre cet espace et le plan (
Π )).
On noteK l'ensemble des points de cet espace dont le triplet (
α, β, γ ) des coordonnées est associé à une ellipse convenable.
Pour la commodité du langage, on suppose que l'axe (Ω, K⃗ ) est vertical ascendant; on pourra donc utiliser les mots «au-dessus» et «au-dessous» pour situer un point par rapport à une surface, afin d'en déduire une description géométrique d'une partie de l'espace.
IV.A - SoitH_0 la surface d'équation
Z^2 = X^2 + Y^2 dans le repère
(Ω, I⃗, J⃗, K⃗)
IV.A.1) Quelles sont ses sections par les plans d'équationsX = 0, Y = 0 et
Z = 1 ?
IV.A.2) Quelle est la nature deH_0 ?
On note
Pour la commodité du langage, on suppose que l'axe (
IV.A - Soit
IV.A.1) Quelles sont ses sections par les plans d'équations
IV.A.2) Quelle est la nature de
On note
H_0^+ l'ensemble des points de
H_0 qui vérifient
Z ⩾ 0 .
IV.A.3) Donner, sans justification, la position par rapport àH_0^+ des points tels que le triplet
(α, β, γ) soit associé à une ellipse.
IV.B - Pouri entre 1 et
k , on note
T_i la surface d'équation
IV.A.3) Donner, sans justification, la position par rapport à
IV.B - Pour
IV.B.1) Quelle est la nature de
T_i ?
IV.B.2) Donner sans justification la position par rapport àT_i des points de l'espace qui vérifient la relation
Z ⩽ Xcos2θ_i + Ysin2θ_i + 1/(ρ_i^2) .
IV.C -
IV.C.1) Déduire de ce qui précède une description géométrique de l'ensembleK .
IV.C.2) Justifier que si deux pointsM_1 et
M_2 appartiennent à
K , le milieu du segment
M_1 M_2 appartient à
K .
Dans la suite de cette partie,ℓ est un réel strictement positif. On note
H_ℓ la surface d'équation
IV.B.2) Donner sans justification la position par rapport à
IV.C -
IV.C.1) Déduire de ce qui précède une description géométrique de l'ensemble
IV.C.2) Justifier que si deux points
Dans la suite de cette partie,
et
H_ℓ^+ l'ensemble des points de
H_ℓ qui vérifient
Z > 0 .
IV.D -
IV.D.1) Quelles sont les sections deH_ℓ par les plans d'équations
X = 0, Y = 0 ,
Z = √ℓ, Z = 2√ℓ ?
IV.D.2) Quelle est la nature deH_ℓ ? On demande une réponse précise mais sans justification.
IV.D.3) Représenter la partie deH_ℓ comprises entre les plans
Z = 0 et
Z = 2√ℓ .
IV.E - SoientM_1 et
M_2 deux points différents de
H_ℓ^+, M_3 le milieu du segment
M_1 M_2 et (
α_3, β_3, γ_3 ) les coordonnées de
M_3 .
IV.E.1) Donner, sans justification, la position deM_3 par rapport à
H_ℓ^+ .
IV.E.2) En déduire queγ_3^2 − α_3^2 − β_3^2 > ℓ .
IV.F - Déduire de ce qui précède que l'ellipse optimale est unique.
IV.D -
IV.D.1) Quelles sont les sections de
IV.D.2) Quelle est la nature de
IV.D.3) Représenter la partie de
IV.E - Soient
IV.E.1) Donner, sans justification, la position de
IV.E.2) En déduire que
IV.F - Déduire de ce qui précède que l'ellipse optimale est unique.
Partie V-Exemples
V.A - On suppose ici que l'ensemble
L = {P_1, …, P_k} admet un axe de symétrie
Δ passant par
O .
V.A.1) En utilisant le résultat de la partie IV, montrer queΔ est également axe de symétrie pour l'ellipse optimale.
V.A.2) Application: On suppose quek = 2 et que les coordonnées de
P_1 et
P_2 dans
(O, i⃗, j⃗) sont respectivement
(2, 1) et
(2, − 1) .
a) Justifier que l'équation dans(O, i⃗, j⃗) de l'ellipse optimale est de la forme
V.A.1) En utilisant le résultat de la partie IV, montrer que
V.A.2) Application: On suppose que
a) Justifier que l'équation dans
b) Déterminer
a et
b .
V.B - On suppose ici quek = 4 et que
P_1, P_2, P_3, P_4 ont respectivement pour coordonnées
(3, 0), (3, √3), (0, 1/2), (3, 1/2) .
V.B.1) Justifier qu'on peut supprimer le pointP_4 .
V.B.2) Donner un système de coordonnées polaires pourP_1, P_2, P_3 .
V.B.3) Comment s'écrivent ici les trois inégalités du III.A.2) ?
V.B.4) Démontrer qu'il n'existe pas d'ellipse de centreO , passant par
P_1 et
P_3 et contenant
P_2 .
On admet que, de même, il n'existe pas d'ellipse de centreO , passant par
P_2 et
P_3 et contenant
P_1 .
V.B.5) Exprimerγ^2 − α^2 − β^2 en fonction de
β lorsque les deux premières inégalités du III.A.2) sont des égalités.
V.B.6) Pour quelle valeur deβ cette fonction est-elle maximale?
V.B.7) Donner une équation cartésienne de l'ellipse optimale et la tracer en s'aidant, par exemple, de la calculatrice.
V.B - On suppose ici que
V.B.1) Justifier qu'on peut supprimer le point
V.B.2) Donner un système de coordonnées polaires pour
V.B.3) Comment s'écrivent ici les trois inégalités du III.A.2) ?
V.B.4) Démontrer qu'il n'existe pas d'ellipse de centre
On admet que, de même, il n'existe pas d'ellipse de centre
V.B.5) Exprimer
V.B.6) Pour quelle valeur de
V.B.7) Donner une équation cartésienne de l'ellipse optimale et la tracer en s'aidant, par exemple, de la calculatrice.
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