E3A Mathématiques PC 2020Sujet, corrigé et rapport du jury
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ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE PC
MATHÉMATIQUES
Jeudi 7 mai:
14h − 18h
N.B. : le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.
N.B. : le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.
RAPPEL DES CONSIGNES
- Utiliser uniquement un stylo noir ou bleu foncé non effaçable pour la rédaction de votre composition ; d'autres couleurs, excepté le vert, peuvent être utilisées, mais exclusivement pour les schémas et la mise en évidence des résultats.
- Ne pas utiliser de correcteur.
- Écrire le mot FIN à la fin de votre composition.
Exercice 1.
Soient
a ∈ ℝ et la matrice
M_a = (1, a, 0; 0, 0, 1; 0, 1, 0) .
- Pour quelles valeurs du réel
a la matriceM_a est-elle diagonalisable ? - Pour quelles valeurs du réel
a la matriceM_a est-elle inversible ? - Montrer que lorsqu'elle n'est pas diagonalisable,
M_a est semblable à la matrice(− 1, 0, 0; 0, 1, 1; 0, 0, 1) .
Exercice 2.
Soient
x un réel positif ou nul et
φ_x la fonction qui à un réel
t ∈ ℝ_+ , associe
φ_x(t) = (e^(− t))/(1 + xt) .
On pose alors, pour toutx ⩾ 0, f(x) = ∫_0^(+ ∞)φ_x(t)dt .
On pose alors, pour tout
- Justifier que la fonction
f est bien définie surℝ_+ . - Déterminer le sens de variation de la fonction
f surℝ_+ .
On pourra comparer
f(x) et
f(y) pour deux éléments
x et
y de
ℝ_+ tels que
x < y .
3. Limite def en l'infini
3.1. Démontrer que la suite(f(n))_(n ∈ ℕ) converge vers une limite
ℓ .
3.2. Déterminer la valeur deℓ .
3.3. En déduirelim_(x → + ∞)f(x) .
3. Limite de
3.1. Démontrer que la suite
3.2. Déterminer la valeur de
3.3. En déduire
Exercice 3.
On considère la suite
(a_n)_(n ∈ ℕ) définie par
a_0 = 1 et la relation de récurrence :
- En utilisant un raisonnement par récurrence, démontrer que:
∀n ∈ ℕ, 0 < a_n ⩽ 1 . - On considère la série entière
∑_(n ⩾ 0)a_n x^n . Justifier que son rayon de convergence est supérieur ou égal à 1 .
Pourx ∈ ] − 1, 1[ , on posef(x) = ∑_(n = 0)^(+ ∞)a_n x^n .
3.1. Déterminer le rayon de convergence de la série entière
∑_(n ⩾ 0)(x^n)/(n + 2) .
3.2. Déterminer l'ensemble réel de définition de la fonctionx ↦ ∑_(n = 0)^(+ ∞)(x^n)/(n + 2) .
3.3. On pose, lorsque cela est possible,(∑_(n = 0)^(+ ∞)a_n x^n)(∑_(n = 0)^(+ ∞)(x^n)/(n + 2)) = ∑_(n = 0)^(+ ∞)w_n x^n , produit de Cauchy réel des deux séries
∑_(n ⩾ 0)a_n x^n et
∑_(n ⩾ 0)(x^n)/(n + 2) .
Justifier que le rayon de convergence de la série entière∑_(n ⩾ 0)w_n x^n est supérieur ou égal à 1 et donner pour tout entier naturel
n , une expression de
w_n à l'aide de la suite
(a_n) .
3.4. En déduire que l'on a pour toutx ∈ ] − 1, 1[, f^′(x) = f(x)∑_(n = 0)^(+ ∞)(x^n)/(n + 2) .
4. Démontrer alors que pour toutx ∈ [0, 1[, ln(f(x)) = ∑_(n = 0)^(+ ∞)(x^(n + 1))/((n + 1)(n + 2)) .
5. En déduire, pour toutx ∈ [0, 1[ , une expression de
f(x) à l'aide de fonctions usuelles.
3.2. Déterminer l'ensemble réel de définition de la fonction
3.3. On pose, lorsque cela est possible,
Justifier que le rayon de convergence de la série entière
3.4. En déduire que l'on a pour tout
4. Démontrer alors que pour tout
5. En déduire, pour tout
On utilisera sans le redémontrer que l'on a :
1/((n + 1)(n + 2)) = 1/(n + 1) − 1/(n + 2) .
6. Justifier que la série∑_(n ⩾ 0)(a_n)/(2^n) converge et calculer sa somme.
6. Justifier que la série
Exercice 4.
- Soient
n un entier naturel supérieur ou égal à 2 etM ∈ ℳ_n(ℝ), M ≠ I_n etM ≠ 1/2I_n , vérifiant la relation :
1.1. On note
F = Vect(I_n, M, M^2) . Prouver que
∀k ∈ ℕ, M^k ∈ F .
Déterminer la dimension de
F et en donner une base.
1.2. Vérifier queF est stable pour la multiplication des matrices.
1.3. SoientA = M − I_n et
B = M − 1/2I_n .
1.2. Vérifier que
1.3. Soient
Justifier que
ℬ = (A, B) constitue une base de
F .
Déterminer les composantes des matricesAB, BA, A^2 et
B^2 dans la base
ℬ .
1.4. Déterminer toutes les matricesT de
F vérifiant :
T^2 = M .
2. SoitX une variable aléatoire réelle telle que l'on a:
Déterminer les composantes des matrices
1.4. Déterminer toutes les matrices
2. Soit
2.1. On note
p_n = ℙ(X = n) . Exprimer
p_n en fonction de
n .
En déduire la loi de la variable aléatoire
X .
2.2. Justifier que la variable aléatoireX possède une espérance et une variance et les calculer.
2.2. Justifier que la variable aléatoire
Exercice 5.
Dans cet exercice,
E désigne l'espace vectoriel
ℝ_2[X] des polynômes de degré inférieur ou égal à 2 et à coefficients réels et
ℬ = (1, X, X^2) sa base canonique.
Pour tout couple (P, Q ) d'éléments de
E , on pose :
Pour tout couple (
- Vérifier que l'on définit ainsi un produit scalaire sur
E . - Déterminer une base orthonormale de
E pour ce produit scalaire. - Déterminer la distance du polynôme
U = X^2 − 4 àℝ_1[X] . - Soit
H l'ensemble des polynômesP deE tels queP(1) = 0 .
4.1. Vérifier queH est un sous-espace vectoriel deE . Quelle est sa dimension?
4.2. Soitφ la projection orthogonale surH . Déterminer la matrice deφ dans la baseℬ .
FIN
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