E3A Mathématiques B MP 2004Sujet et corrigé
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CONCOURS ENSAM - ESTP - ECRIN - ARCHIMEDE
Epreuve de Mathématiques B MP
durée 3 heures
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Exercice 1
On considère l'équation différentielle :
On considère la fonction
g de la variable réelle
x définie par:
- Montrer que
g est impaire. - Montrer que
g est solution de l'équation différentielle(E) . - En déduire en fonction de
g toutes les solutions de l'équation différentielle(E) . - Soit
y(x) = ∑_(i = 0)^∞a_i x^i une solution développable en série entière de l'équation différentielle (E).
(a) Montrer que la suite(a_i)_(i ∈ ℕ) vérifie la relation :
(b) Déterminer
a_1 . Expliciter les coefficients
a_(2i + 1) pour
i ∈ ℕ .
(c) Montrer que la suite(a_i)_(i ∈ ℕ) est uniquement déterminée par la valeur de
a_0 , et exprimer les coefficients
a_(2i) , pour tout
i ∈ ℕ , en fonction de
a_0 .
(d) Réciproquement, on considère une suite(a_i)_(i ∈ ℕ) vérifiant la relation de récurrence :
(c) Montrer que la suite
(d) Réciproquement, on considère une suite
Déterminer le rayon de convergence
R de la série entière
y(x) = ∑_(i = 0)^∞a_i x^i .
(e) Expliciter le développement en série entière deg .
5. On considère les fonctionsg_1 et
g_2 définies par:
(e) Expliciter le développement en série entière de
5. On considère les fonctions
(a) Expliciter le développement en série entière des fonctions
g_1 et
g_2 .
(b) En déduire le le développement en série entière de la fonctiong_1 g_2 à l'aide d'un résultat dont on rappellera l'énoncé. En déduire la relation suivante :
(b) En déduire le le développement en série entière de la fonction
Exercice 2
On considère le
ℝ -espace vectoriel
ℝ^3 . On le munit du produit scalaire euclidien canonique
<, > et de la norme euclidienne associée
‖‖ , c'est à dire : pour tout
v = (v_1, v_2, v_3) ∈ ℝ^3 et tout
w = (w_1, w_2, w_3) ∈ ℝ^3 ,
On remarquera que
⟨v, w⟩ = (v_1, v_2, v_3)(w_1; w_2; w_3) .
On note
𝕄_3(ℝ) l'ensemble des matrices ( 3,3 ) à coefficients réels, et
I la matrice identité de
𝕄_3(ℝ) . Une matrice symétrique dont toutes les valeurs propres sont strictement positives est dite définie positive.
PourA ∈ 𝕄_3(ℝ) , on note
E(A) le sous-ensemble de
ℝ^3 défini par:
Pour
- Soit
P dans𝕄_3(ℝ) . On suppose queP est une matrice orthogonale. DéterminerE(P) . - Soient
α_1, α_2, α_3 des réels tous non nuls. SoitD la matrice diagonale :
Montrer que
E(D) est un ellipsoïde.
3 SoitA dans
𝕄_3(ℝ) . On suppose
A inversible.
(i) Justifier que^t AA est une matrice symétrique définie positive.
(ii) En déduire qu'il existe une matrice diagonaleD , avec des coefficients diagonaux strictement positifs, et une matrice orthogonale
P telles que
3 Soit
(i) Justifier que
(ii) En déduire qu'il existe une matrice diagonale
(iii) On pose
S = ^t PDP . Démontrer que
S est une matrice symétrique définie positive.
(iv) Montrer alors qu'il existe une matrice orthogonaleQ telle que
A = QS .
(v) En déduire queE(A) = E(S) .
(vi) Démontrer queE(A) est un ellipsoïde.
(iv) Montrer alors qu'il existe une matrice orthogonale
(v) En déduire que
(vi) Démontrer que
4 Soient
S et
S^′ dans
𝕄_3(ℝ) . On suppose que
S et
S^′ sont des matrices symétriques définies positives et que
E(S) = E(S^′) .
(i) Soitv un vecteur non nul. En considérant le vecteur
v/‖S(v)‖ , démontrer que
‖S(v)‖ = ‖S^′(v)‖ .
(ii) En déduire que :
(i) Soit
(ii) En déduire que :
On pourra commencer par exprimer le produit scalaire de deux vecteurs
x et
y en fonction des normes des vecteurs
x + y et
x − y .
(iii) En déduire queS^2 = S^(′2) .
(iv) Soitα une valeur propre de
S . A l'aide d'un théorème dont on rappellera l'énoncé, montrer que
ker(S − αI) ⊕ ker(S + αI) = ker(S^2 − α^2 I) . En déduire que
ker(S − αI) = ker(S^2 − α^2 I) .
(v) Démontrer queS = S^′ .
(iii) En déduire que
(iv) Soit
(v) Démontrer que
5 Soient
A et
A^′ dans
𝕄_3(ℝ) , supposées inversibles. Montrer que
E(A) = E(A^′) si et seulement si il existe une matrice orthogonale
V telle que
A = VA^′ .
Exercice 3
Soit
P un plan affine euclidien muni d'un repère orthonormé (
O, i⃗, j⃗ ). Soit
E l'ellipse de centre
O paramétrée par :
- Soit
t ∈ [ − π, π] . On noteM(t) le point deE de paramètret .
(i) Montrer que l'équation de la tangenteT_t àE au pointM(t) est :
(ii) Montrer qu'il existe un unique point
P sur la tangente
T_t tel que les droites
T_t et
OP sont orthogonales.
(iii) Quel est le pointP lorsque le point
M(t) est un sommet de l'ellipse
E ?
(iv) Démontrer que les coordonnées du pointP sont :
(iii) Quel est le point
(iv) Démontrer que les coordonnées du point
On remarque dans la question 1 (iv) que les coordonnées du point
P dépendent de
t . On note ce point
P_t .
2. On se propose dans cette question d'étudier le lieu des pointsP_t , lorsque
t parcourt l'intervalle
[0, π/2] . On admet que les dérivées respectives des fonctions
X et
Y sont :
2. On se propose dans cette question d'étudier le lieu des points
(i) Etablir le tableau de variations de la fonction
t ↦ X(t) , lorsque
t parcourt l'intervalle
[0, π/2] .
(ii) Démontrer qu'il existe un uniqueα dans
]0, π/2[ tel que
Y^′(α) = 0 et comparer
α à
π/3 et
π/4 . Calculer
X(α) et
Y(α) .
(iii) Etablir le tableau de variations de la fonctiont ↦ Y(t) , lorsque
t parcourt l'intervalle
[0, π/2] .
(ii) Démontrer qu'il existe un unique
(iii) Etablir le tableau de variations de la fonction
On note
F le lieu des points
P_t définis dans la question 1, pour
t ∈ [ − π, π] .
3. Représenter les courbesE et
F sur un même graphique.
4. Soitτ la translation de vecteur
10i⃗ . On considère l'ellipse
E^′ = τ(E) . On fait rouler sans glisser l'ellipse
E^′ sur l'ellipse
E dans le sens trigonométrique. Quel est le lieu du centre de
E^′ ?
3. Représenter les courbes
4. Soit
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