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E3A Mathématiques 2 PSI 2019Sujet et corrigé

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Épreuve de Mathématiques 2 PSI

Durée 3 h

Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, d'une part il le signale au chef de salle, d'autre part il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.

L'usage de calculatrices est interdit.

AVERTISSEMENT

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.

Questions de cours

  1. Citer le théorème de Cauchy linéaire pour un système différentiel.
  2. On rappelle que j est le nombre complexe : j = − 1/2 + i(√3)/2 où i vérifie i^2 = − 1.
    2.1 Déterminer le module et un argument de j.
    2.2 Déterminer la valeur de s_k = 1 + j^k + j^(2k) pour tout k ∈ ℕ.
    2.3 Déterminer les solutions dans ℂ du système : {a + b, + c, = 1; a + jb, + j^2 c, = 0; a + j^2 b, + jc, = 0 où a, b et c sont les inconnues.
  3. Soit n un entier naturel supérieur ou égal à 3 .
Donner sans démonstration l'expression du déterminant de Vandermonde de la matrice
V_γ = (1, 1, ⋯, ⋯, 1; γ_0, γ_1, ⋯, ⋯, γ_(n − 1); γ_0^2, γ_1^2, ⋯, ⋯, γ_(n − 1)^2; ⋮, ⋮, ⋮; γ_0^(n − 1), γ_1^(n − 1), ⋯, ⋯, γ_(n − 1)^(n − 1)) ∈ ℳ_n(ℂ)

Le résultat et l'expression obtenus dans la question 3. ne devront plus être utilisés dans la suite du problème

Partie 1

Soient n un entier naturel supérieur ou égal à 3, γ = (γ_0, …, γ_(n − 1)) une famille de n éléments de 𝕂 = ℝ ou ℂ et
V_γ = (1, 1, ⋯, ⋯, 1; γ_0, γ_1, ⋯, ⋯, γ_(n − 1); γ_0^2, γ_1^2, ⋯, ⋯, γ_(n − 1)^2; ⋮, ⋮, ⋮; γ_0^(n − 1), γ_1^(n − 1), ⋯, ⋯, γ_(n − 1)^(n − 1)) ∈ ℳ_n(𝕂)
  1. Montrer que s'il existe un couple (i, j) ∈ [ [0, n − 1] ]^2 avec i ≠ j tel que γ_i = γ_j, alors det(V_γ) = 0.
  2. On suppose les γ_i distincts deux à deux et on note C_j la colonne d'indice j de la matrice ^t V_γ.
Soient λ_1, λ_2, …, λ_n des scalaires tels que ∑_(j = 1)^n λ_j C_j = 0.
En utilisant le polynôme P(X) = ∑_(j = 1)^n λ_j X^(j − 1), montrer que : ∀j ∈ [ [1, n] ], λ_j = 0.
Que peut-on en déduire pour det(V_γ) ? On ne calculera pas det(V_γ).
3. On suppose toujours que les γ_k sont distincts deux à deux.
Pour tout k ∈ [ [0, n − 1] ], on définit sur ℝ la fonction ψ_k par : x ↦ e^(γ_k x)
3.1 Soient (m_k)_(k ∈ [ [0, n − 1] ]) des scalaires et Ψ = ∑_(k = 0)^(n − 1)m_k ψ_k.
Calculer les dérivées successives de Ψ jusqu'à l'ordre n − 1.
3.2 En déduire que la famille (ψ_k)_(k ∈ [ [0, n − 1] ]) est libre dans 𝒞^∞(ℝ, 𝕂)

Partie 2

Soit (E_1) l'équation différentielle y^((3)) = y.
  1. Soit f une solution à valeurs complexes de cette équation.
    1.1 Déterminer une équation différentielle linéaire du premier ordre ( E_2 ) vérifiée par la fonction g = f + f^′ + f^(′′).
    1.2 Résoudre l'équation ( E_2 ).
    1.3 En déduire l'ensemble des solutions à valeurs complexes de l'équation (E_1).
  2. Soit (S) le système différentiel à coefficients contants X^′ = AX où A = (0, 1, 0; 0, 0, 1; 1, 0, 0) ∈ ℳ_3(ℂ) et X(t) = (x(t); y(t); z(t)), t ∈ ℝ où x, y et z sont des fonctions de la variable réelle à valeurs dans ℂ.
    2.1 La matrice A est-elle diagonalisable dans ℳ_3(ℂ) ? dans ℳ_3(ℝ) ?
    2.2 Résoudre le système (S).
    2.3 Retrouver alors par cette méthode les solutions de l'équation (E_1) obtenues à la question 1.3. de cette partie.
  3. On considère la série entière réelle ∑_(n ⩾ 0)(x^(3n))/((3n)!).
    3.1 Déterminer le rayon de convergence de cette série entière. On note alors, lorsque cela existe, φ(x) = ∑_(n = 0)^(+ ∞)(x^(3n))/((3n)!).
    3.2 Justifier que φ est de classe 𝒞^∞ sur ℝ.
    3.3 Déterminer les développements en série entière de φ^′, φ^(′′), φ^((3)) puis φ^((k)) pour tout k ∈ ℕ.
    3.4 En utilisant les questions précédentes, déterminer une expression de φ n'utilisant que des fonctions usuelles à valeurs réelles.
    3.5 Déterminer une expression de ψ(x) = ∑_(n = 0)^(+ ∞)(x^(3n + 2))/((3n + 2)!) n'utilisant que des fonctions usuelles à valeurs réelles.
    3.6 Déterminer une expression de θ(x) = ∑_(n = 0)^(+ ∞)(x^(6n))/((6n)!) n'utilisant que des fonctions usuelles à valeurs réelles.

Partie 3

Dans la suite du problème

  • toutes les fonctions sont définies sur ℝ et à valeurs dans 𝕂 = ℝ ou ℂ,
  • n est un entier naturel supérieur ou égal à 3 ,
  • α = (a_0, a_1, …, a_(n − 1)) est un élément de 𝕂^n et A_α = (0, 1, 0, ⋯, ⋯, 0; 0, 0, 1, ⋱, 0; ⋮, ⋮, ⋱, ⋱, ⋱, ⋮; ⋮, ⋮, ⋱, ⋱, 0; 0, 0, ⋯, ⋯, 0, 1; a_0, a_1, ⋯, ⋯, ⋯, a_(n − 1)) ∈ ℳ_n(𝕂).
En outre, lorsque y ∈ 𝒞^∞(ℝ, 𝕂), on note Y = (y; y^′; ⋮; y^((n − 1))) qui est donc un élément de 𝒞^∞(ℝ, 𝕂^n)
Soient :
  • (E_α) l'équation différentielle linéaire : y^((n)) = ∑_(k = 0)^(n − 1)a_k y^((k)),
  • 𝒮_α = {f ∈ 𝒞^n(ℝ, 𝕂), f^((n)) = ∑_(k = 0)^(n − 1)a_k f^((k))}
1.1 Ecrire l'équation différentielle ( E_α ) à l'aide d'un système différentiel.
1.2 Montrer que si y ∈ 𝒮_α, alors y ∈ 𝒞^∞(ℝ, 𝕂).
1.3 Prouver que 𝒮_α est un sous-espace vectoriel de 𝒞^∞(ℝ, 𝕂).
1.4 Déterminer la dimension de 𝒮_α.
On prend jusqu'à la fin de cette partie : α = (1, 0, …, 0) et 𝕂 = ℂ
2. Ecrire l'équation ( E_α ) dans ce cas.
3. Déterminer tous les nombres complexes r pour lesquels la fonction x ↦ e^(rx) appartient à 𝒮_α.
4. Donner une base de 𝒮_α. (On pourra utiliser des résultats obtenus dans la partie 1)
5. Soit d l'application qui à y ∈ 𝒮_α associe d(y) = y^′.
5.1 Vérifier que d est un endomorphisme de 𝒮_α.
5.2d est-il bijectif?
5.3d est-il diagonalisable?

Partie 4

Dans cette partie, on prend 𝕂 = ℝ( et donc 𝒮_α = {f ∈ 𝒞^n(ℝ, ℝ), f^((n)) = ∑_(k = 0)^(n − 1)a_k f^((k))}), n = 2p et on considère l'équation différentielle : y^((2p)) = y.
On note S_1 (resp. S_2 ) l'espace vectoriel des fonctions de ℝ dans ℝ solutions de l'équation différentielle y^((p)) = y (resp. y^((p)) = − y ) 。
Pour f et g dans 𝒮_α, on note (f|g) = ∫_(− ∞)^(+ ∞)e^(− 3|t|)[f(t)g(t) + f^((p))(t)g^((p))(t)]dt.
  1. Montrer que cette expression a un sens pour tous f et g de 𝒮_α.
On admettra que pour tout f de 𝒮_α, on a au voisinage de + ∞ : f(t) = O(e^t) et au voisinage de − ∞, f(t) = O(e^(− t)).
2. Montrer que l'on définit ainsi un produit scalaire sur 𝒮_α.
3. Montrer que S_1 et S_2 sont supplémentaires orthogonaux dans 𝒮_α.
4. Exemple : n = 4 et f : x ↦ ∑_(k = 0)^(+ ∞)(x^(4k))/((4k)!).
On admet que f est définie et de classe C^∞ sur ℝ tout entier.
4.1 Déterminer α de sorte que f ∈ 𝒮_α.
4.2 Expliciter les projetés orthogonaux de f sur S_1 et sur S_2.
4.3 En déduire une expression de f à l'aide de fonctions usuelles réelles.

FIN DE L'ÉPREUVE

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