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Annale de maths approfondies Ecricome pour la filiere ECS, session 2002.

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CONCOURS D'ADMISSION 2002

option scientifique

MATHÉMATIQUES

mercredi 22 mai 2002 de 8 h 00 à 12 h 00
durée : 4 heures
Aucun instrument de calcul n'est autorisé.
Aucun document n'est autorisé.
L'énoncé comporte 7 pages.
Les candidats sont invités à soigner la présentation de leur copie, à mettre en évidence les principaux résultats, à respecter les notations de l'énoncé, et à donner des démonstrations complètes (mais brèves) de leurs affirmations.

1. EXERCICE.

E désigne un espace vectoriel sur le corps ℂ des nombres complexes.
Id_E l'identité de E, Θ l'endomorphisme nul.
ℂ[X] l'ensemble des polynômes à coefficients complexes.
Pour tout n, ℂ_n[X] représente l'ensemble des polynômes à coefficients complexes, de degré inférieur ou égal à l'entier n.
Si g est un endomorphisme de E, on définit g^n par :
{g^0 = Id_E; g^n = g^(n − 1) ∘ g, n ∈ ℕ^∗
Pour tout polynôme P de ℂ[X] tel que : P(X) = a_0 + a_1 X + … + a_p X^p, on note P(g) l'endomorphisme de E égal à :
P(g) = a_0 Id_E + a_1 g + … + a_p g^p
On rappelle que pour tous polynômes P, Q de ℂ[X] on a :
(PQ)(g) = P(g) ∘ Q(g) = Q(g) ∘ P(g)

Puissance d'un endomorphisme.

On désigne par T le polynôme de ℂ[X] défini par :
T(X) = 3X^3 − X^2 − X − 1
et par f un endomorphisme de E satisfaisant à la relation:
T(f) = Θ
  1. Montrer que 1 est la seule racine réelle de T. Soient α et α¯ les deux autres racines non réelles et conjuguées. Calculer α + α¯ et αα¯.
  2. On désigne par φ l'application qui, à tout polynôme P de ℂ[X] associe le reste dans la division euclidienne de P par T.
    a. Rappeler le théorème de la division des polynômes suivant les puissances décroissantes.
    b. Montrer que φ est un endomorphisme de ℂ[X].
    c. L'endomorphisme φ est-il injectif ? Est-il surjectif ?
  3. On note L_1, L_2, L_3, les polynômes définis par:
L_1(X) = (X − 1)(X − α), L_2(X) = (X − 1)(X − α¯); L_3(X) = (X − α)(X − α¯)
a. Montrer que (L_1, L_2, L_3) est une base de ℂ_2[X].
b. Montrer que pour tout n de ℕ, il existe un unique triplet ( a_n, b_n, c_n ) appartenant à ℂ^3 tel que :
φ(X^n) = a_n L_1 + b_n L_2 + c_n L_3
et exprimer a_n, b_n, c_n en fonction de α, α¯, n. Vérifier que c_n = 1/2.
c. Prouver que pour tout n de ℕ :
f^n = a_n L_1(f) + b_n L_2(f) + c_n L_3(f)
d. Justifier la convergence des suites (a_n), (b_n), (c_n) vers des réels respectifs a, b, c.
4. On pose h = aL_1(f) + bL_2(f) + cL_3(f).
a. Montrer que h = 1/6(3f^2 + 2f + Id_E).
b. Prouver enfin que h est un projecteur.

2. EXERCICE.

On se propose ici d'étudier la série de terme général :
u_n(x) = a_n x^n
où x est un réel quelconque et a_n un réel défini par:
a_n = ∫_0^1[(1 + t^2)/2]^n dt, n ∈ ℕ

2.1. Etude de l'absolue convergence de la série.

  1. Prouver que pour tout n entier naturel :
1/(n + 1) ⩽ a_n ⩽ 2/(n + 1)
  1. Pour |x| = 1, la série de terme général u_π(x) est-elle absolument convergente ?
  2. Donner une condition nécessaire et suffisante, sur x, pour que la série de terme général u_n(x) soit absolument convergente.
    2.2. Somme de la série pour − 1 ⩽ x < 1.
On suppose maintenant, − 1 ⩽ x < 1.
  1. Pour t ∈ [0, 1], montrer que :
2 − x − xt^2 ⩾ 3/2(1 − x)
  1. Justifier l'existence de l'intégrale: ∫_0^1(2dt)/(2 − x − xt^2)
  2. On pose
f(x) = ∫_0^1(2dt)/(2 − x − xt^2)
Montrer que pour tous les entiers naturels n :
|f(x) − ∑_(k = 0)^n u_k(x)| ⩽ (8|x|^(n + 1))/(3(n + 2)(1 − x))
  1. En déduire la convergence et la somme de la série de terme général u_n(x).
  2. Donner la valeur de a_0, puis établir la relation de récurrence suivante :
∀k ∈ ℕ (2k + 3)a_(k + 1) = 1 + (k + 1)a_k.
  1. Ecrire en PASCAL un algorithme permettant d'obtenir une valeur approchée de f(x) à 10^(− p) près, le réel x et l'entier p étant supposés dornés.

3. PROBLEME.

Deux biens C_1 et C_2 indéfiniment divisibles sont disponibles sur le marché. On appelle "panier de biens" tout couple ( x, y ) de nombres réels appartenant à l'ensemble D suivant :
D = {(x, y) tels que 0 ⩽ x, 0 ⩽ y ⩽ 5, 2x + 3y ⩽ 19}
x, y désignent respectivement les quantités du bien C_1 et du bien C_2 qui peuvent être physiquement consommés par un agent économique.
Sur le marché, le prix unitaire de chacun de ces deux biens est égal à 1 .
On considère un consommateur ayant un revenu égal à 8 .
Les paniers de biens accessibles budgétairement par ce consommateur appartiennent donc à l'ensemble B des couples (x, y) de D tels que x + y ⩽ 8.
Les préférences de ce consommateur sur B, sont définies de la façon suivante :
(x, y) est préféré ou indifférent à (x^′, y^′) si et seulement si (y − 3)exp(x + 2) ⩾ (y^′ − 3)exp(x^′ + 2)
L'application u définie sur B par :
u(x, y) = (y − 3)exp(x + 2), pour (x, y) ∈ B
s'appelle la fonction d'utilité du consommateur.

3.1. Propriétés de la relation de préférence.

  1. Justifier les propositions suivantes:
    a. (x, y) est préféré ou indifférent à (x, y).
    b. Si(x, y) est préféré ou indifférent à ( x^′, y^′ ) et si ( x^′, y^′ ) est préféré ou indifférent à ( x^(′′), y^(′′) ) alors ( x, y ) est préféré ou indifférent à ( x^(′′), y^(′′) ).
    c. (x, y) est préféré ou indifférent à (x^′, y^′) ou (x^′, y^′) est préféré ou indifférent à (x, y).

3.2. Courbes d'indifférence.

  1. Représenter graphiquement l'ensemble B dans un repère orthonormé (unités 1 cm sur chacun des axes) et déterminer les coordonnées des cinq sommets du polygone constituant le bord de B.
  2. Dans ce qui suit, pour m réel, on désigne par A_m l'ensemble défini par :
A_m = {(x, y) ∈ B tel que u(x, y) = m}
a. Déterminer la fonction numérique f_m telle que, pour m fixé on ait, pour tout élément (x, y) de A_m, y = f_m(x).
b. Etudier et représenter dans le même repère que celui de la question 3.2.1, la fonction y = f_m(x) pour m = − 8, m = 0, m = 8.
(e^(− 2) ≈ 0.14, e^(− 3) ≈ 0.05, e^(− 4) ≈ 0.02, e^(− 5) ≈ 0.007, e^(− 6) ≈ 0.002, e^(− 7) ≈ 0.001)
c. Déterminer m_0 pour que la courbe représentative de y = f_(m_0)(x) soit tangente à la droite (T) d'équation :
y = − 2/3x + (19)/3
Représenter y = f_(m_0)(x) sur le graphique.
(e^3 ≈ 20.09, e^2 ≈ 7.39, e ≈ 2.72)

3.3. Recherche d'un élément maximal sur B pour la relation de préférence.

  1. On admet que B est un fermé de ℝ^2. Montrer qu'il est borné.
  2. Justifier l'existence d'un couple ( x_0, y_0 ) de B préféré ou indifférent à tous les couples (x, y) de B.
  3. On note B^∘ l'ouvert de ℝ^2 des couples solutions du système :
{0 < x; 0 < y < 5; 2x + 3y < 19; x + y < 8
Montrer que u n'admet pas d'extremum local sur B^∘.
4. On étudie dans cette question le maximum de la fonction u sur B, sous la contrainte
2x + 3y = 19
a. Montrer que ce problème se ramène à déterminer le maximum de la fonction g de la variable réelle, définie sur [2, 5] par :
g(x) = (10 − 2x)/3exp(x + 2)
b. Déterminer ce maximum après avoir justifié son existence.
5. Etudier de même la recherche du maximum de la fonction u sur B, sous chacune des quatre autres contraintes:
x + y = 8, x = 0, y = 0, y = 5
  1. Déduire de ce qui précède la valeur du couple ( x_0, y_0 ).

3.4. Etude de deux tests d'arrêt.

On considère l'épreuve qui consiste à effectuer une série de sondages sur un ensemble de consommateurs du bien C_1.
Toute personne interrogée se voit attribuer un numéro.
Pour tout i de ℕ^∗, le numéro X_i affecté au i^(ème) consommateur interrogé est une variable aléatoire.
Les variables (X_i)_(i ∈ ℕ^∗) sont mutuellement indépendantes.
On définit deux tests qui conditionnent l'arrêt de l'enquête :
  • Test I : le sondage s'arrête dès que le numéro d'un consommateur est supérieur ou égal au numéro du consommateur précédemment interrogé.
  • Test II : le sondage s'arrête dès que la somme des numéros des consommateurs est supérieure strictement à l'entier N, avec N supérieur ou égal à 2 .
    Enfin, on note T_1 (respectivement T_2 ) la variable aléatoire réelle discrète égale au nombre de personnes interrogées, l'enquête ayant été interrompue par le Test I (respectivement le Test II).

3.4.1. Partie 1

On suppose que les variables (X_i)_(i ∈ ℕ^∗) suivent la même loi, une loi uniforme sur l'ensemble {1, 2, …, N}.
Par convention : C_n^j = 0 pour j > n.

Etude d'un cas particulier.

  1. Pour cette question seulement, N = 3.
    a. Donner la loi des variables T_1 et T_2.
    b. Calculer leur espérance et leur variance.

Etude de la loi de T_1.

  1. Quel est l'ensemble T_1(Ω) des valeurs prises par la variable T_1 ?
  2. Montrer que pour tout entier n ⩾ 0, la probabilité de l'événement {T_1 > n} est donnée par :
p{T_1 > n} = (C_N^n)/(N^n)
En déduire la loi de T_1.
3. Montrer que l'espérance de T_1 est donnée par :
E(T_1) = (1 + 1/N)^N
  1. De même, prouver que :
E(T_1^2 − T_1) = 2(1 + 1/N)^(N − 1)
En déduire la variance V(T_1) de T_1 en fonction de N.
5. Donner les limites de E(T_1) et V(T_1) lorsque N tend vers l'infini .

Etude de la loi de T_2.

  1. Montrer que, pour tous entiers naturels r, n :
∑_(k = 0)^r C_k^n = C_(r + 1)^(n + 1)
  1. Quel est l'ensemble T_2(Ω) des valeurs prises par la variable T_2 ?
  2. Par récurrence sur l'entier n inférieur ou égal à N, prouver que :
∀j ∈ {1, 2, …N} p{X_1 + X_2 + … + X_n ⩽ j} = (C_j^n)/(N^n)
  1. En déduire la loi de T_2.
  2. Quelle est votre conclusion ?

3.4.2.- Partie 2

On suppose que les variables (X_i)_(i ∈ ℕ^∗) sont des variables aléatoires absolument continues qui suivent une loi uniforme sur le segment [1, N].
  1. Montrer que la densité de probabilité f_n d'une somme de n variables aléatoires, indépendantes, suivant la même loi uniforme sur le segment [0, 1], est donnée sur l'intervalle [0, 1] par :
∀x ∈ [0, 1] f_n(x) = (x^(n − 1))/((n − 1)!)
  1. Prouver que si la variable X suit une loi uniforme sur le segment [1, N], alors la variable Y, définie par X = 1 + (N − 1)Y, suit une loi uniforme sur le segment [0, 1].
  2. En déduire la loi de T_2.

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