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CONCOURS ENSAM - ESTP - ECRIN - ARCHIMEDE

Epreuve de Mathématiques B PC durée 3 heures

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Exercice 1

On désigne par n un entier naturel non nul et par ℝ_n[X] l'espace vectoriel des polynômes de degré inférieur ou égal à n à coefficients réels. Si P ∈ ℝ_n[X] et k ∈ ℕ, P^((k)) désigne la dérivée k-ième du polynôme P.
Soit A un polynôme non nul de ℝ_n[X]. A tout polynôme P ∈ ℝ_n[X], on associe le polynôme (AP)^((n)), c'est à dire le polynôme dérivée n-ième du produit AP.
  1. Soient P et A dans ℝ_n[X].
    (i) Exprimer le degré de (AP)^((n)) en fonction de n et des degrés de A et de P.
    (ii) En déduire que (AP)^((n)) ∈ ℝ_n[X].
On considère :
Φ_A : ℝ_n[X], → ℝ_n[X]; P, ⟼ (AP)^((n))
On admet que Φ_A est un endomorphisme de ℝ_n[X].
2. Etude de deux exemples:
a) n = 3 et A = X^3 − 1
(i) Exprimer Φ_((X^3 − 1))(1), Φ_((X^3 − 1))(X), Φ_((X^3 − 1))(X^2) et Φ_((X^3 − 1))(X^3). En déduire la matrice de Φ_((X^3 − 1)) dans la base canonique ( 1, X, X^2, X^3 ) de ℝ_3[X]
(ii) Déterminer les valeurs propres et les sous-espaces propres associés de Φ_((X^3 − 1)).
(iii) Φ_((X^3 − 1)) est-il diagonalisable? Est-ce un automorphisme de ℝ_3[X] ?
b) n = 3 et A = X^2 + X + 1
(i) Ecrire la matrice de Φ_((X^2 + X + 1)) dans la base canonique ( 1, X, X^2, X^3 ) de ℝ_3[X]
(ii) Déterminer les valeurs propres et les sous-espaces propres de Φ_((X^2 + X + 1))
(iii) Φ_((X^2 + X + 1)) est-il diagonalisable? Est-ce un automorphisme de ℝ_3[X] ?
3. Cas général: On note d le degré de A et on pose A(X) = ∑_(i = 0)^d a_i X^i.
(i) Déterminer une condition nécessaire et suffisante portant sur le polynôme A pour que Φ_A soit un automorphisme de ℝ_n[X].
(ii) Exprimer la matrice de Φ_A dans la base canonique de ℝ_n[X] et montrer qu'elle est triangulaire supérieure.
(iii) Déterminer une condition nécessaire et suffisante portant sur le polynôme A pour que Φ_A soit diagonalisable.

Exercice 2

  1. Montrer que :
    ∀u ∈ ℝ_+^∗, 0 ⩽ Arctan(u) ⩽ u.
  2. Soit x ∈ ℝ∖{0}. Montrer que la fonction:
f_x : ℝ_+^∗, → ℝ; t, ⟼ f_x(t) = t/((t^2 + x^2))Arctan(1/t)
est intégrable sur ℝ_+^∗.
3. On considère :
g : ℝ∖{0}, → ℝ; x, ⟼ g(x) = ∫_0^(+ ∞)t/((t^2 + x^2))Arctan(1/t)dt
a) (i) Déduire de la question 1. l'encadrement :
∀x ∈ ℝ_+^∗, 0 ⩽ g(x) ⩽ π/(2x)
(ii) Montrer que g admet une limite quand x tend vers + ∞. Quelle est cette limite?
b) (i) Montrer que: ∀x ∈ ℝ_+^∗, π/8ln((x^2 + 1)/(x^2)) ≤ ∫_0^(+ 1)t/((t^2 + x^2))Arctan(1/t)dt
(ii) En déduire le comportement de g quand x tend vers 0 par valeurs supérieures.
4. a) Soit (a, b) ∈ (ℝ_+^∗)^2, a < b, montrer que :
φ : ]a, b[ × ℝ_+^∗, →; (x, t), ⟶ φ((x, t)) = t/((t^2 + x^2))Arctan(1/t)
est de classe C^1 sur ]a, b[ × ℝ_+^∗, et que:
∀(x, t) ∈ ]a, b[ × ℝ_+^∗, |(∂φ)/(∂x)((x, t))| ≤ (2bt)/((t^2 + a^2)^2)Arctan(1/t).
b) Montrer, en énonçant avec précision le théorème utilisé, que g est de classe C^1 sur ℝ_+^∗ et que :
∀x ∈ ℝ_+^∗, g^′(x) = − 2xh(x)
en posant h(x) = ∫_0^(+ ∞)t/((t^2 + x^2)^2)Arctan(1/t)dt.
c) En déduire le sens de variation de g sur ℝ_+^∗, puis sur ℝ_−^∗.
5. a) Soit x ∈ ℝ_+^∗ différent de 1 . Déterminer A et B tels que :
∀t ∈ ℝ_+^∗, 1/((t^2 + x^2)(t^2 + 1)) = A/((t^2 + x^2)) + B/((t^2 + 1)).
b) Soit x ∈ ℝ_+^∗ différent de 1. à l'aide d'une intégration par parties, montrer que:
h(x) = π/(4x^2(x + 1))
c) Démontrer que :
∀x ∈ ℝ_+^∗, h(x) = π/(4x^2(x + 1))
  1. En déduire g^′(x) pour tout x ∈ ℝ_+^∗
  2. En déduire g(x) pour tout x ∈ ℝ_+^∗, puis pour tout x ∈ ℝ_−^∗.

Exercice 3

Soit E un plan affine euclidien rapporté à un repère orthonormé direct (O, i⃗, j⃗). (Γ) est l' arc paramétré défini par l'application :
f : ℝ, →; t, ⟼ M(t){x(t), = 1/2(t^2 − 2t); y(t), = 1/3t^3 − 1/2t^2
où (x(t); y(t)) sont les coordonnées de M(t) dans le repère (O, i⃗, j⃗).
  1. Quelles sont les valeurs de t pour lesquels le point M(t) est singulier ?
  2. Soit t ∈ ℝ. Déterminer la tangente au point M(t).
  3. Décrire la position de la courbe (Γ) par rapport à la tangente aux points suivants :
    a) au point O correspondant à la valeur t = 0 du paramètre
    b) au point A correspondant à la valeur t = 1 du paramètre.
  4. Représenter la courbe ( Γ ).
  5. On considère deux points de ( Γ ), M de paramètre t et M_1 de paramètre t_1.
    a) Montrer que, pour que les tangentes à ( Γ ) en M et en M_1 soient perpendiculaires, il faut et il suffit que :
1 + t ⋅ t_1 = 0
b) Soit P le point d'intersection de ces deux tangentes, lorsqu'elles sont perpendiculaires. Démontrer que les coordonnées (x_P(t), y_P(t)) du point P, en fonction de t ∈ ℝ^∗ sont :
{x_P(t) = (t^4 − 3t^3 − t^2 + 3t + 1)/(6t^2); y_P(t) = (− t^2 + 3t + 1)/(6t)
  1. a) Montrer que l'ensemble des points du plan d'où l'on peut mener deux tangentes perpendiculaires à (Γ) est une parabole (Γ_1) dont une équation est:
6y^2 − 3y − x + 1/6 = 0
b) Déterminer le sommet, le foyer, la directrice et l'axe de cette parabole.

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