E3A Mathématiques 2 PC 2017Sujet et corrigé
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E3A PC 22017
L'usage de la calculatrice est interdit
AVERTISSEMENT
L'épreuve est constituée d'un problème dont les trois parties sont relativement indépendantes.
La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies. En particulier, les résultats non justifiés ne seront pas pris en compte. Les candidats sont invités à encadrer les résultats de leurs calculs.
Partie I
I.1) (a) Calculer
f(t) = ∫_0^1 e^(− ts)ds pour
t ∈ ℝ , si
t = 0 puis
t ≠ 0 .
(b) Montrer quef est une application continue sur
ℝ et établit une bijection de
ℝ sur un intervalle à préciser.
(c) Montrer quef est développable en série entière sur
ℝ et donner son développement
I.2) Pourx ∈ ℝ , soit
S(x) = ∫_0^x f(t)dt .
(a) Montrer queS est développable en série entière et donner son développement.
(b) Justifier l'égalité :∑_(n = 1)^(+ ∞)((− 1)^(n + 1))/(n(n!)) = ∫_0^1(1 − e^(− t))/tdt
I.3) (a) Pour toutx > 0 , justifier l'existence de
R(x) = ∫_x^(+ ∞)(e^(− t))/tdt .
(b) On poseγ = S(1) − R(1) = ∫_0^1(1 − e^(− t))/tdt − ∫_1^(+ ∞)(e^(− t))/tdt . Justifier l'égalité :
γ = − ∫_0^(+ ∞)ln(t)e^(− t)dt
(c) Montrer queR est de classe
𝒞^1 sur
ℝ_+^∗ , donner une relation entre
R^′(x) et
S^′(x) pour
x > 0 et justifier que :
S(x) = R(x) + lnx + γ
I.4) (a) Pourx > 0 et
n ∈ ℕ^∗ , soit
g_n(x) = ∑_(k = 1)^n(x^k)/k − ∫_1^n(x^t)/tdt .
(b) Montrer que
(c) Montrer que
I.2) Pour
(a) Montrer que
(b) Justifier l'égalité :
I.3) (a) Pour tout
(b) On pose
(c) Montrer que
I.4) (a) Pour
Pour tout
x ∈ ]0, 1[ , justifier l'existence de
g(x) = ∑_(k = 1)^(+ ∞)(x^k)/k − ∫_1^(+ ∞)(x^t)/tdt et prouver que, pour tout
n ∈ ℕ^∗ : 0 ⩽ g_n(x) − g(x) ⩽ (x^n)/n
(b) Prouver que la suite de fonctions(g_n)_(n ∈ ℕ^∗) converge uniformément vers
g sur
]0, 1[ .
(c) En admettant quelim_(n → + ∞)g_n(1) = lim_(x → 1^−)g(x) , montrer que :
(b) Prouver que la suite de fonctions
(c) En admettant que
I.5) Soient
a > 0 et
b > 0 . En utilisant
R(ax) − R(bx) , calculer
∫_0^(+ ∞)(e^(− at) − e^(− bt))/tdt .
I.6) (a) Montrer que, pour toutx > 0 , on a :
R(x) ⩽ (e^(− x))/x , puis que
lim_(x → + ∞)xR(x) = 0 .
(b) Au moyen d'une intégration par parties, prouver queR est intégrable sur
ℝ_+^∗ et
I.6) (a) Montrer que, pour tout
(b) Au moyen d'une intégration par parties, prouver que
Partie II
II.1) (a) Pour
n ∈ ℕ , montrer l'existence de
I_n = ∫_0^(+ ∞)t^n e^(− t)dt
(b) Justifier queI_(n + 1) = (n + 1)I_n . En déduire la valeur de
I_n .
II.2) On considère l'espace vectorielℝ_2[X] des polynômes réels de degré
⩽ 2 .
(b) Justifier que
II.2) On considère l'espace vectoriel
À tout
P ∈ ℝ_2[X] , on associe
T(P) tel que:
∀x ∈ ℝ, T(P)(x) = ∫_0^(+ ∞)e^(− t)P(x + t)dt .
(a) Montrer queT est un endomorphisme de
ℝ_2[X] et écrire sa matrice
M dans la base
B = (1, X, X^2) .
(b) Étudier siM est diagonalisable dans
M_3(ℝ) .
II.3) Soitn ∈ ℕ et l'espace vectoriel
ℝ_n[X] des polynômes réels de degré
⩽ n . On note
D l'endomorphisme de
ℝ_n[X] associant à tout polynôme
P son polynôme dérivé
P^′ .
(a) SoitP ∈ ℝ_n[X] et
(x, t) ∈ ℝ^2 . Déterminer des réels
b_0(x), …, b_n(x) tels que
P(x + t) = ∑_(k = 0)^n t^k b_k(x) .
(a) Montrer que
(b) Étudier si
II.3) Soit
(a) Soit
Indication : On pourra citer et utiliser une formule de Taylor.
(b) À toutP ∈ ℝ_n[X] , on associe
T(P) tel que:
∀x ∈ ℝ, T(P)(x) = ∫_0^(+ ∞)e^(− t)P(x + t)dt .
(b) À tout
Montrer que
T est un endomorphisme de
ℝ_n[X] et déterminer des réels
a_0, …, a_n tels que pour tout
P ∈ ℝ_n[X] on ait :
T(P) = ∑_(k = 0)^n a_k D^k(P) .
(c) Déterminer les éléments propres deT (valeurs propres et vecteurs propres).
II.4) Soitg : ℝ → ℝ , une fonction continue et bornée. Déterminer
y ∈ 𝒞^1(ℝ, ℝ) solution de l'équation différentielle sur
ℝ : y^′ − y + g = 0 .
Justifier que la solution générale est de la forme :y : x ⟼ ke^x + e^x∫_x^(+ ∞)e^(− t)g(t)dt , avec
k ∈ ℝ
II.5) Soitg : ℝ → ℝ continue et bornée et soit
N_∞(g) = sup{|g(t)|, t ∈ ℝ} .
(a) On définitT_g : ℝ → ℝ par:
∀x ∈ ℝ, T_g(x) = ∫_0^(+ ∞)e^(− t)g(x + t)dt .
(c) Déterminer les éléments propres de
II.4) Soit
Justifier que la solution générale est de la forme :
II.5) Soit
(a) On définit
Justifier qu'alors
T_g(x) = e^x∫_x^(+ ∞)e^(− u)g(u)du , et que
T_g est de classe
𝒞^1 sur
ℝ en précisant
(T_g)^′ en fonction de
T_g et
g .
(b) En supposantg non nulle, déterminer s'il existe
λ ∈ ℝ tel que
T_g = λg .
(c) Montrer qu'en général,T_g est bornée sur
ℝ et majorer
N_∞(T_g) au moyen de
N_∞(g) .
(d) Montrer que sig tend vers 0 en
+ ∞ , alors
T_g aussi.
(b) En supposant
(c) Montrer qu'en général,
(d) Montrer que si
Indication : on vérifiera que si
|g(t)| ⩽ ε pour
t ⩾ A , alors
|T_g(x)| ⩽ ε pour
x ⩾ A .
II.6) (a) Pour tout réelA , justifier l'existence et calculer
∫_A^(+ ∞)e^((i − 1)t)dt .
(b) Soitc : t ⟼ cos(t), s : t ⟼ sin(t) et
F le sous-espace vectoriel de
𝒞(ℝ, ℝ) engendré par
(c, s) . Montrer que
g ↦ T_g (où
T_g défini ci-dessus) définit un endomorphisme de
F et écrire sa matrice
N dans la base (
c, s ).
N est-elle diagonalisable dans
M_2(ℝ) ?
II.6) (a) Pour tout réel
(b) Soit
Partie III
On s'intéresse dans cette partie à l'équation différentielle :
xy^(′′) + y^′ − (x + 1)y = 1 .
III.1) On suppose qu'il existe une solutionθ développable en série entière de cette équation différentielle. On note alors
θ(x) = ∑_(n = 0)^(+ ∞)a_n x^n pour tout
x ∈ ] − r, r[ où
r > 0 est le rayon de convergence et
(a_n)_(n ∈ ℕ) une suite réelle.
(a) Déterminer alors une relation entrea_1 et
a_0 , ainsi qu'une relation entre
a_(n + 2), a_(n + 1) et
a_n pour tout
n ∈ ℕ .
(b) Pour une telle suite(a_n)_(n ∈ ℕ) , montrer qu'il existe
K > 0 telle que:
∀n ∈ ℕ, |a_n| ⩽ K/(n!) . En déduire qu'une telle solution
θ existe et que de plus
r = + ∞ .
III.2) On souhaite résoudre ici cette équation différentielle sur l'intervalleI = ℝ_+^∗ et l'on note :
III.1) On suppose qu'il existe une solution
(a) Déterminer alors une relation entre
(b) Pour une telle suite
III.2) On souhaite résoudre ici cette équation différentielle sur l'intervalle
(a) Pour tout
y ∈ 𝒞^2(I, ℝ) , on pose
z(x) = e^(− x)y(x) pour tout
x > 0 .
Montrer que
y ∈ S si et seulement si
z vérifie :
(b) Déterminer les
Z ∈ 𝒞^1(I, ℝ) telles que :
(c) Déterminer les
Z ∈ 𝒞^1(I, ℝ) telles que :
(d) En déduire l'expression des fonctions
z ∈ 𝒞^2(I, ℝ) vérifiant (
⋆ ) de III.2.(a), en utilisant la fonction
R définie pour
x > 0 par
R(x) = ∫_x^(+ ∞)(e^(− t))/tdt : On utilisera
R(x) et
R(2x) .
(e) Donner alors l'expression de la solution généraley ∈ S .
III.3) (a) Sachant queR(x) = − ln(x) + γ + o(1) quand
x → 0 avec
x > 0 , déterminer les solutions
y ∈ S ayant une limite finie en 0 .
Exprimer alors ces solutions en utilisant la fonctionS de la partie
I et reliée à
R par :
S(x) = R(x) + ln(x) + γ pour
x > 0 (vu en I.3.)(c)).
(b) Sachant queS est développable en série entière sur
ℝ , donner l'expression des solutions
f de la question III. 1) : on exprimera
f(x) en fonction de
S(x) et
S(2x) pour tout
x ∈ ℝ .
Comment pourrait-on alors obtenir une expression des suites(a_n)_(n ∈ ℕ) de III. 1)?
(e) Donner alors l'expression de la solution générale
III.3) (a) Sachant que
Exprimer alors ces solutions en utilisant la fonction
(b) Sachant que
Comment pourrait-on alors obtenir une expression des suites
Pas de description pour le moment
