Ecricome Maths approfondies ECS 2010Sujet et corrigé
Epreuve de maths approfondies - ECS 2010
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Annale de maths approfondies Ecricome pour la filiere ECS, session 2010.
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CONCOURS D'ADMISSION 2010
Mathématiques
Option Scientifique
Mercredi 21 avril 2010 de 8h00 à 12h00
Durée : 4 heures
Candidats bénéficiant de la mesure "Tiers-temps":
8h00 − 13h20
Durée : 4 heures
Candidats bénéficiant de la mesure "Tiers-temps":
Aucun document n'est autorisé.
Aucun instrument de calcul n'est autorisé.
L'énoncé comporte 9 pages.
Aucun instrument de calcul n'est autorisé.
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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.
EXERCICE 1
Pour tout entiern ⩾ 1 , on considère les intégrales :
Pour tout entier
- Convergence de la suite
(u_n)_(n ⩾ 1) .
(a) Vérifier que :
En déduire que :
∀n ⩾ 1, 0 ⩽ u_n − 1/2 ⩽ 1/(n + 1) .
Quelle est la limite de la suite(u_n)_(n ⩾ 1) ?
(b) En utilisant le changement de variableu = t^n , établir que :
Quelle est la limite de la suite
(b) En utilisant le changement de variable
2. Résultats intermédiaires.
(a) Pour tout entier
k ⩾ 1 , calculer la limite suivante :
lim_(x → 1)((ln(x))^k)/(x − 1) .
(b) Soitk un entier naturel non nul.
(b) Soit
Prouver la convergence de l'intégrale
∫_0^1((ln(x))^k)/(x − 1)dx .
(c) On introduit la fonctionf définie sur
ℝ par:
∀x ∈ ℝ, f(x) = e^x − e^(2x) .
(c) On introduit la fonction
A l'aide de l'inégalité de Taylor-Lagrange en 0 à l'ordre 1 appliquée à la fonction
f , montrer que :
3. Application.
(a) En utilisant la question 2, démontrer que :
(b) On considère l'intégrale
I = ∫_0^1(ln(u))/(1 − u)du que l'on ne cherchera pas à calculer.
Donner alors un équivalent de
v_n puis un équivalent de
u_n − 1/2 en fonction de
I .
EXERCICE 2
Pour tout entier naturel
n , on note
ℝ_n[X] l'ensemble des polynômes à coefficients réels de degré au plus
n . On considère l'application
f qui à un polynôme
P de
ℝ_n[X] associe le polynôme :
- Etude de
f . Soitn un entier naturel fixé uniquement dans cette question.
(a) Justifier quef est un endomorphisme deℝ_n[X] .
(b) Calculerf(1), f(X) puisf(X^k) pourk ∈ {2, .., n} .
Etablir alors que la matrice
A_n de
f dans la base canonique de
ℝ_n[X] est triangulaire.
(c) Prouver quef est diagonalisable et que chacun de ses espaces propres est de dimension 1.
(d) SoitP un vecteur propre de
f associé à la valeur propre
λ .
(c) Prouver que
(d) Soit
Etablir que :
λ = − 4deg(P) .
En déduire qu'il existe un unique polynôme unitaireH_n de degré
n tel que
En déduire qu'il existe un unique polynôme unitaire
Rappel : un polynôme unitaire est un polynôme dont le coefficient dominant vaut 1 .
2. Etude de la suite(H_n)_(n ∈ ℕ) .
(a) En dérivant la relation(E_n) , démontrer que :
2. Etude de la suite
(a) En dérivant la relation
En déduire que :
(b) Pourquoi peut-on affirmer que
H_0 = 1 et
H_1 = X ?
Calculer alors
H_2 et
H_3 .
(c) D'après ce qui précède, la suiteu_n = H_n(1) satisfait à la relation de récurrence :
(c) D'après ce qui précède, la suite
Ecrire un programme en Pascal calculant
u_(2010) .
3. Application aux points critiques d'une fonction à trois variables.
3. Application aux points critiques d'une fonction à trois variables.
On note
U l'ouvert de
ℝ^3 défini par :
ainsi que la fonction
V définie sur
U par :
∀(x, y, z) ∈ U, V(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 − ln|x − y| − ln|y − z| − ln|z − x| . Soit
(α, β, γ) ∈ U .
(a) Etablir que(α, β, γ) est un point critique de
V si et seulement si
(α, β, γ) est solution du système :
(a) Etablir que
(b) On introduit le polynôme
Q(X) = (X − α)(X − β)(X − γ) .
Montrer que
(α, β, γ) est solution de
(S) si et seulement si
Q^(′′) − 4XQ^′ admet pour racines
α, β, γ .
(c) Prouver que si(α, β, γ) est un point critique de
V alors
(c) Prouver que si
puis que
Q = H_3 (cf. question 2.b).
Donner alors les points critiques deV .
Donner alors les points critiques de
PROBLEME
Soitr un entier naturel supérieur ou égal à 2 . Une urne contient
r boules numérotées
1, 2, .., r . On pioche indéfiniment les boules avec remise, chaque boule pouvant être piochée de façon équiprobable.
Pour tout entieri ∈ {1, 2, .., r} , on note
Y_i la variable aléatoire égale au « nombre de pioches nécessaires pour obtenir
i boules distinctes ». On convient que
Y_1 = 1 . On désigne par
X_r la variable aléatoire égale au « nombre de pioches nécessaires pour obtenir les
r boules numérotées
1, 2, .., r» . Il est immédiat que
X_r = Y_r .
Par exemple, en supposant quer = 4 , si les boules piochées successivement portent les numéros:
Soit
Pour tout entier
Par exemple, en supposant que
alors on a:
Y_1 = 1, Y_2 = 4, Y_3 = 8, Y_4 = X_4 = 11 .
La partieI établit certains résultats préliminaires qui seront utilisés dans d'autres parties.
La partie II se consacre à l'étude de la loi des variables discrètesY_(i + 1) − Y_i afin d'en déduire l'espérance et la variance de la variable discrète
X_r .
La partie III détermine la loi de la variableX_r puis étudie la distribution asymptotique de la variable
X_r autour de sa moyenne.
La partie
La partie II se consacre à l'étude de la loi des variables discrètes
La partie III détermine la loi de la variable
On note exp la fonction exponentielle définie par :
PARTIE I : Résultats préliminaires.
- Etude d'une suite.
On introduit la suite
(u_n)_(n ⩾ 1) définie par :
∀n ⩾ 1, u_n = (∑_(i = 1)^n 1/i) − ln(n) .
(a) Ecrire un programme Pascal permettant de calculeru_n pour un entier
n ⩾ 1 donné.
(b) A l'aide d'un développement limité, justifier queu_n − u_(n + 1) ∼ _(n → + ∞)1/(2n^2) . En déduire la nature de la série
∑_(n ⩾ 1)(u_n − u_(n + 1)) puis démontrer la convergence de la suite
(u_n)_(n ⩾ 1) .
(c) Montrer que la suite(∑_(i = 1)^n 1/(i^2))_(n ⩾ 1) converge (on ne demande pas le calcul de la limite).
(a) Ecrire un programme Pascal permettant de calculer
(b) A l'aide d'un développement limité, justifier que
(c) Montrer que la suite
2. Loi de Gumbel.
Soit
Z une variable aléatoire continue. On suppose que
Z suit la loi de Gumbel, c'est-à-dire que sa fonction de répartition
F_Z est définie par :
(a) Vérifier que la fonction
F_Z est bien une fonction de répartition puis que
Z possède une densité que l'on précisera.
(b) On considère la variable aléatoireW = exp(− Z) .
(b) On considère la variable aléatoire
Déterminer la fonction de répartition de la variable aléatoire
W .
En déduire que la variable aléatoireW suit une loi usuelle dont on précisera le ou les paramètres.
(c) Pour tout entierk , montrer que l'intégrale
∫_0^(+ ∞)(ln(x))^k e^(− x)dx est absolument convergente.
(d) En justifiant le changement de variablex = exp(− t) , démontrer que la variable
Z admet un moment d'ordre
k valant:
En déduire que la variable aléatoire
(c) Pour tout entier
(d) En justifiant le changement de variable
PARTIE II : Etude de la variable
X_r
- Etude du cas
r = 3 .
On suppose uniquement dans cette question que
r = 3 , c'est-à-dire que l'urne ne contient que trois boules numérotées respectivement
1, 2, 3 chacune pouvant être piochée avec la probabilité
1/3 .
(a) Soitn un entier naturel non nul.
(a) Soit
Comparer les événements
(Y_2 > n) et
C_n : «les
n premières pioches fournissent des boules portant toutes le même numéro».
Calculer la probabilitéP(C_n) . En déduire la probabilité
P(Y_2 > n) puis donner la loi de la variable
Y_2 .
(b) Justifier que :
Calculer la probabilité
(b) Justifier que :
puis que :
En déduire la loi de la variable
Y_3 − Y_2 .
Dans toute la suite du problème,r désignera un entier supérieur ou égal à 2.
2. Loi deY_(i + 1) − Y_i pour
i ∈ {1, 2, .., r − 1} .
(a) Justifier que :
Dans toute la suite du problème,
2. Loi de
(a) Justifier que :
(b) Démontrer que :
(c) En déduire que
Y_(i + 1) − Y_i suit une loi usuelle dont on précisera le ou les paramètres puis établir que :
- Espérance et variance de
X_r .
(a) Justifier que :X_r = 1 + ∑_(i = 1)^(r − 1)(Y_(r − i + 1) − Y_(r − i)) .
En admettant que les variables
Y_2 − Y_1, Y_3 − Y_2, …, Y_r − Y_(r − 1) sont indépendantes, vérifier que :
(b) A l'aide de la question I.1, prouver l'existence de deux réels
α et
β tels que :
PARTIE III : Loi de
X_r et de sa déviation asymptotique par rapport à sa moyenne.
Pour tout entier
k ∈ {1, 2, .., r} et tout entier naturel
m ⩾ 1 , on considère l'événement
A_(k, m) : «le numéro
k n'a pas été pioché durant les
m premières pioches».
- Loi de
X_r .
Soit
m un entier naturel non nul.
(a) Pour tout entierk ∈ {1, 2, …, r} , calculer successivement :
(a) Pour tout entier
- la probabilité de l'événement
A_(k, m) , - la probabilité de l'événement «
k numéros n'ont pas été piochés au cours desm premières pioches».
(b) Justifier que :
puis, en utilisant la formule du crible de Poincaré, démontrer que :
En déduire la loi de
X_r .
2. Comportement deX_r au delà de sa moyenne.
(a) A l'aide d'une récurrence surm , montrer que, pour toute famille (
D_1, .., D_m ) d'événements, on a :
2. Comportement de
(a) A l'aide d'une récurrence sur
(b) Démontrer que pour tout réel
x , on a :
exp(x) ⩾ 1 + x . En déduire que :
(c) Soit
ε > 0 , on note
M_r la partie entière de
(1 + ε)rln(r) , c'est-à-dire l'unique entier relatif tel que :
Comparer les événements «
(X_r > M_r) » et «
(X_r > (1 + ε)rln(r)) ». En déduire que :
Ainsi on vient d'établir que :
qui peut se traduire ainsi : l'événement «
X_r est significativement supérieur à sa moyenne » est un événement asymptotiquement rare.
3. Distribution deX_r autour de sa moyenne.
3. Distribution de
On introduit la suite
(Z_r)_(r ⩾ 2) de variables aléatoires définie par :
Soit
t un réel fixé, on note
m_r la partie entière du réel
rln(r) + rt , c'est-à-dire l'unique entier relatif tel que :
(a) Justifier l'existence d'un rang
r_0(t) tel que :
puis prouver l'égalité :
(b) Soit
k un entier naturel. A l'aide d'un développement limité, établir que :
(c) Démontrer que, pour tout entier
k , on a :
(r/k) ∼ _(r → + ∞)(r^k)/(k!) .
En déduire que :
(d) En admettant que l'on a :
exprimer la valeur de la limite
lim_(r → + ∞)P(Z_r ⩽ t) en fonction de
F_Z(t) (définie à la question I.2).
Quel résultat vient-on d'établir sur la suite de variables aléatoires(Z_r)_(r ⩾ 2) ?
Quel résultat vient-on d'établir sur la suite de variables aléatoires
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