E3A Mathématiques B MP 2007Sujet, corrigé et rapport du jury
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Épreuve de Mathématiques B MP
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 la calculatrice est interdit
Exercice 1
Soit
F une fonction de classe
C^∞ sur
ℝ développable en série entière sur
ℝ . On pose :
Soit
α un réel strictement positif. On considère l'équation différentielle
E :
- On désigne par
J un intervalle deℝ qui ne contient pas 0 . Résoudre surJ l'équation homogènexy^′ + αy = 0 ; on pourra poserz = |x|^α y et déterminer une équation différentielle du premier ordre vérifiée parz .
On désigne par
I la réunion des intervalles
] − ∞, 0[ et
]0, + ∞[ .
2. 2a) Résoudre surI l'équation homogène
xy^′ + αy = 0
2. 2a) Résoudre sur
2b) Quelles sont les solutions sur
I de l'équation homogène
xy^′ + αy = 0 qui admettent une limite finie en 0 ?
3. Soienta, b deux réels. Justifier que l'équation différentielle
E admet une unique solution
f définie sur
I et telle que
f(− 1) = a et
f(1) = b . On énoncera précisément le théorème utilisé.
4. Montrer qu'il existe au plus une solution deE sur
I qui admet une limite finie en 0.
5. Soitf une fonction développable en série entière ; son rayon de convergence noté
R est supposé non nul. On note
(a_i)_(i ∈ ℕ) les coefficients de
f :
3. Soient
4. Montrer qu'il existe au plus une solution de
5. Soit
5a) On suppose que
f est solution de l'équation différentielle
E sur
] − R, R [. Exprimer les coefficients
(a_i)_(i ∈ ℕ) en fonction des coefficients
(β_i)_(i ∈ ℕ) de
F . Que peut on dire alors de
R ?
5 b) Réciproquement, démontrer que
E admet une unique solution développable en série entière sur
ℝ . On introduira la série entière :
dont on déterminera le rayon de convergence.
5c) Au vu des résultats précédents, quelles précisions peut-on apporter à la question 4 ?
6. Dans cette question,∀x ∈ ℝ, F(x) = e^x .
5c) Au vu des résultats précédents, quelles précisions peut-on apporter à la question 4 ?
6. Dans cette question,
6a) Soit
x ∈ ]0, + ∞[ ; démontrer que l'intégrale
∫_0^x t^(α − 1)e^t dt est convergente.
On définith sur
]0, + ∞[ en posant :
On définit
6b) Montrer que
h est solution de l'équation différentielle
E sur
]0, + ∞[ .
6c) Montrer queh(x) admet une limite finie lorsque
x tend vers 0 par valeurs positives. Déterminer cette limite.
6d) En déduire que :
6c) Montrer que
6d) En déduire que :
Exercice 2
Soit
f la fonction définie sur
ℝ^2 :
Dans l'exercice, on considère le disque unité
D et le cercle unité
C :
- On se propose d'étudier les éventuels extrema locaux de
f .
1a). Justifier que
f est de classe
C^∞ sur
ℝ^2 .
1b). Calculer les dérivées partielles(∂f)/(∂x) et
(∂f)/(∂y) de
f au point
(x_0, y_0) .
1c) . Démontrer que les points
(x_0, y_0) tels que
(∂f)/(∂x)(x_0, y_0) = 0 et
(∂f)/(∂y)(x_0, y_0) = 0 sont exactement les points
(1, 0) et
(− 1, 0) .
1d). Effectuer un développement limité à l'ordre 2 de la fonction(h, k) → f(1 + h, k) au voisinage de
(0, 0) . Le point
(1, 0) est-il un extremum local de
f ? Si oui, est-ce un minimum ou un maximum local ?
1e). De même, le point(− 1, 0) est-il un extremum local de
f ? Si oui, est-ce un minimum ou un maximum local ? Justifier votre réponse.
1f). Quels sont les extrema locaux def ? On énoncera avec soin le théorème utilisé.
2. Désormais, soitg la fonction définie sur le disque unité
D par
g(x, y) = x^3 − 3x(1 + y^2) .
1b). Calculer les dérivées partielles
1d). Effectuer un développement limité à l'ordre 2 de la fonction
1e). De même, le point
1f). Quels sont les extrema locaux de
2. Désormais, soit
2a). Justifier que
g admet un maximum
A et un minimum
a sur
D .
2b). Démontrer queA ne peut être atteint que sur le cercle
C .
2c). Montrer que,∀t ∈ ℝ, g(cost, sint) = 2cost(2cos^2 t − 3) . En déduire la valeur de
A et les points de
C sur lesquels
f atteint cette valeur.
2d). Déterminer la valeur dea et les points de
C sur lesquels
g atteint cette valeur.
2b). Démontrer que
2c). Montrer que,
2d). Déterminer la valeur de
Exercice 3
Soit
n un entier naturel
⩾ 1 . On considère
J_n la matrice de taille
n à coefficients réels dont tous les coefficients sont égaux à
1/n :
Le vecteur de
ℝ^n dont toutes les coordonnées sont égales à 1 est noté
v .
- Montrer l'égalité
J_n v = v . - Déterminer l'image de
J_n . Quelle est la dimension du noyau deJ_n ? - Calculer
J_n^2 . - Montrer que
J_n est diagonalisable. Expliciter ses valeurs propres et pour chacune, préciser la multiplicité.
Soit
M une matrice de taille
n à coefficients réels.
5. Dans cette question, on considère l'équationE d'inconnue le réel
x :
5. Dans cette question, on considère l'équation
On note
S_E l'ensemble des solutions de l'équation
E .
(a) LorsqueM = 0 , la matrice nulle, déterminer
S_E .
(b) LorsqueM = I , la matrice identité, montrer que
S_E est réduit à un unique élément. Préciser cet élément.
(c) On supposeM inversible. Soit
x ∈ ℝ .
(i) Montrer qu'un vecteurw dans le noyau de
M + xJ_n est colinéaire au vecteur
M^(− 1)v .
(ii) Soitw = M^(− 1)v . En notant
σ la somme des coordonnées du vecteur
M^(− 1)v , démontrer l'équivalence :
(a) Lorsque
(b) Lorsque
(c) On suppose
(i) Montrer qu'un vecteur
(ii) Soit
En déduire que
S_E est au plus de cardinal 1. Pour quelle valeur de
σ , l'ensemble
S_E est-il vide?
(d) On se propose de déterminerS_E lorsque
M est non inversible.
(i) Montrer queS_E est non vide.
(ii) S'il existe un réelb tel que
M + bJ_n est inversible, établir une bijection entre
S_E et l'ensemble des solutions de l'équation
(F) d'inconnue
x , définie par :
(d) On se propose de déterminer
(i) Montrer que
(ii) S'il existe un réel
(iii) Conclure.
6. Soitf la fonction de la variable réelle
x définie en posant :
6. Soit
(a) Démontrer qu'il existe des réels
α et
β tels que :
∀x ∈ ℝ, f(x) = α + xβ . Expliciter
α et
β en fonction de
M et des coefficients de la comatrice de
M .
On rappelle que la comatrice deM est la matrice dont le
(i, j) -ème coefficient est le déterminant de la matrice obtenue en retirant à
M sa
i -ème ligne et sa
j -ème colonne, multiplié par
(− 1)^(i + j) , pour tous les indices
i et
j dans
{1, …, n} .
(b) Retrouver ainsi les résultats de la question 5.
On rappelle que la comatrice de
(b) Retrouver ainsi les résultats de la question 5.
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