ENS Mathématiques C MP 2013Sujet et corrigé
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Équation fonctionnelle invariante par rotation et équation cinétique de type BoltzmannAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le problème étudie d'abord une équation fonctionnelle invariante par rotation, vérifiée par une fonction positive de la variable réelle, pour en déterminer toutes les solutions continues puis de classe C1. Il établit ensuite des inégalités de type Gronwall, utilisées pour démontrer l'existence et l'unicité d'une solution à une équation intégro-différentielle non linéaire modélisant une version simplifiée de l'équation cinétique de Boltzmann. La dernière partie étudie les propriétés de cette solution, dont la conservation de la masse et la croissance de l'entropie.
- 1Partie IDéterminer, parmi les fonctions de classe C1 vérifiant l'équation fonctionnelle invariante par rotation, celles qui sont solutions, en se ramenant à une équation différentielle linéaire.
- 2Partie IIDéterminer, parmi les fonctions seulement continues vérifiant la même équation fonctionnelle, celles qui sont solutions, en se ramenant à une équation de Cauchy fonctionnelle sur le logarithme.
- 3Partie IIIÉtablir plusieurs inégalités de type lemme de Gronwall, discrètes et continues, portant sur des suites de fonctions et des fonctions vérifiant des inégalités intégrales.
- 4Partie IVConstruire par itération une suite de fonctions solutions approchées d'une équation intégro-différentielle non linéaire de type cinétique, et démontrer, à l'aide des estimations de la partie III, l'existence et l'unicité locale en temps d'une solution obtenue comme limite uniforme de cette suite.
- 5Partie VÉtudier des propriétés de la solution obtenue en partie IV : changement de variables par une matrice inversible, conservation de la masse au cours du temps, et croissance de l'entropie associée, en lien avec le théorème H de Boltzmann.
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Commentaires
Les erreurs et imprécisions
- Tout d'abord la question III. 1 est fausse telle quelle. Il me semble que la meilleure façon de la rectifier est de supposer les fonctions
C_n positives. - Pour la même raison, il serait bon de rectifier la question IV.2.i) en demandant à
C_n d'être à valeurs positives. - En IV.3.i), il serait tout aussi raisonnable de demander de vérifier que
J_n est à valeurs positives. - En V.1.ii) la notation
M(x, y) n'a aucun sens puisqueM est une matrice dansGL_2(R) et que (x, y ) est un vecteur ligne. Il faudrait préciser la notation qui n'est d'ailleurs utilisée qu'une seule fois. - Le théorème de Fubini admis ne permet pas de traiter directement la question V. 2 puisqu'on intègre sur
R × [ − π, π] × R a priori. Il aurait été plus raisonnable d'admettre un cas plus général. - Toujours en V. 2 je ne comprends pas à quoi sert l'hypothèse sur
φ . En V. 3 on se sert deφ = 1 et en V. 4 on a besoin d'une fonction de deux variables. L'hypothèse est plus gênante qu'autre chose. - En V. 4 la variable
x n'est pas définie. - La question I. 1 mériterait d'être en préliminaire : elle est utile pour traiter la partie II.
- En fait les parties I et II ne sont pas indépendantes. Outre la question I. 1 qui sert en partie II, la question I. 3 est une conséquence de la question II.3.
- L'écriture sous forme d'opérateur, utilisée uniquement en I.2.i), de [
x∂/(∂y) − y∂/(∂x) ] aurait pu être expliquée. Mais le plus grave est la confusion entre fonction et valeurs sans aucune mise en garde :f(x)f(y) est compris comme une fonction. - Il y a une virgule en trop après « lorsque » en question II.2.ii). D'une façon générale il y a peut-être trop de virgules.
Les points gênants
- La connaissance du lemme de Gronwall avantageait les candidats puisqu'il s'agit de la question III.2. Il me semble que donner une indication aurait équilibré les chances de chacun(e).
- La question III. 3 est calquée sur la démonstration du théorème de Cauchy-Lipschitz donnée par le théorème du point fixe de Picard. Une fois encore les étudiant(e)s ayant vu la démonstration en cours étaient avantagé(e)s. Il me semble que donner des indications aurait permis d'équilibrer les chances de chacun(e).
- L'interprétation géométrique et, avec elle, une notation plus commode pour (
xcos(θ) − ysin(θ), xsin(θ) + ycos(θ)) seraient bienvenues. Par exemple
- L'équation (3) est illisible. Il me semble que le numéro d'équation devrait au minimum se trouver à la fin de l'équation. Par ailleurs une notation pour
xcos(θ) − ysin(θ) etxsin(θ) + ycos(θ) permettrait de tout faire tenir sur une ligne. - En partie IV,
T_1 désigne un réel (a priori différent selon la question) et en partie V c'est une matrice triangulaire. - La définition de
f en fin de partie IV est maladroite. - Les partie IV et V sont très techniques et souffrent d'une absence de notations qui rend l'ensemble très lourd à manipuler. On pourrait au moins donner une notation pour les fonctions continues et bornées, voire même pour les fonctions telles que
(t, x) ↦ f(t, x)exp(x^2/2) est continue et bornée. Nommerx ↦ exp(x^2/2) et toutes les fonctions intervenant permettrait aussi d'alléger les énoncés, tout comme les réponses. - La question V. 1 n'a pas vraiment d'intérêt et pourrait largement être admise. Son aspect technique n'apporte rien et il y a déjà de nombreuses questions techniques.
- En V. 2 l'équation est illisible et pourrait tenir sur une seule ligne avec des notations adéquates.
- En V. 4 l'apparition d'une valeur absolue est troublante, même si elle est correcte.
Les détails
- La répétition des «On note . . . l'ensemble » en début de sujet n'est pas très heureuse.
- La notation
Q_+ n'est utilisée qu'une fois : on pourrait s'en dispenser. - On n'a jamais besoin de matrices non inversibles. On pourrait noter
GL_2(R) . - La rédaction du sujet, bien que globalement compréhensible, pourrait être plus soignée. Quelques exemples :
a) L'utilisation de parenthèses et de crochets de tailles adaptées faciliterait la lecture, par exemple via l'utilisation de \left et \right enHT_(EX) .
b) «On suppose dans cette partie quef ∈ F est ...». Le mélange langage/métalangage est incorrect.
c) « est de classeC^1(R, R_+) ». Soitf est de classeC^1 deR dansR_+ , soitf appartient àC^1(R, R_+) .
d) L'écriture «∀x, y, θ ∈ R » est incorrecte.
e) L'écriture «∀n ∈ N^∗, t ∈ [0, 1] » est incorrecte. Le mieux aurait sans doute été de redoubler le quantificateur universel.
f) L'écriture «fonctionsg : R^2 → R continues » est incorrecte.
g) L'écriture « telles que|g(x, y)| ≤ Hexp(− L(x^2 + y^2)) pour des constantesH, L > 0 données » est incorrecte, de même que «SoitT > 0, B > 0 , etD > 0 ».
h) Ceci conduit notamment à la phrase « pourK_1 etT_1 > 0 » où il n'est pas clair queK_1 est également un réel strictement positif.
i) Les nombreuses parenthèses alourdissent la lecture et pourraient avantageusement être omises. Exemple : « la fonctionr (deR_+ dansR ) définie par ».
j) Il me parait inutile, quoique très courant, de rajouter des «que» avant les assertions à démontrer.
k) L'usage de « Montrer », quoique très courant, est incorrect.
l) La notation - pour les ensembles n'est pas très agréable.
L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve.
I
- Montrer que
- i) Calculer (pour
(x, y) ∈ R^2∖{(0, 0)}) les quantités[x∂/(∂y) − y∂/(∂x)](f(x)f(y)) et[x∂/(∂y) − y∂/(∂x)](f(√(x^2 + y^2))) .
ii) En déduire qu'il existeα ∈ R tel que
II
- Montrer que si
f(0) = 0 , alors pour toutx ∈ R, f(x) = 0 . - On suppose dans ce paragraphe que
f(0) ≠ 0 .
i) Montrer que pour toutx ∈ R, f(x) ≠ 0 .
ii) On considère la fonctionr (deR_+ dansR ) définie parr(x) = ln((f(√x))/(f(0))) . Trouver une relation entrer(x + y), r(x) etr(y) , lorsque,x ∈ R_+, y ∈ R_+ .
iii) Trouver une relation entrer(s) etsr(1) pours ∈ N , puis pours ∈ Q_+ , et enfin pours ∈ R_+ . - Quelles sont les fonctions de
F ∩ C(R, R_+) ?
III
- Soit
A > 0, K > 0 , et(C_n)_(n ∈ N) une suite de fonctions deC([0, 1], R) telles que pour toutt ∈ [0, 1], C_0(t) ≤ A , et
- Soit
T > 0, B > 0 , etD > 0 des constantes, etφ une fonction deC([0, T], R_+) telle que
- Soit
T_1 > 0, A_1 > 0, K_1 > 0 des constantes, et(J_n)_(n ∈ N) une suite de fonctions deC([0, T_1], R_+) telles que pour toutt ∈ [0, T_1], J_0(t) ≤ A_1 , et
IV
- i) Montrer que l'on peut trouver une unique suite de fonctions
(f_n)_(n ∈ N) de[0, 1] × R dansR telles que(t, x) ∈ [0, 1] × R ↦ f_n(t, x)exp(x^2/2) est continue et bornée,t ∈ [0, 1] ↦ f_n(t, x) ∈ C^1([0, 1], R) pour toutx ∈ R , et (pour toutn ∈ N, (t, x) ∈ [0, 1] × R )
ii) Montrer que pour
2. i) Montrer que
ii) En déduire qu'il existe
- i) Montrer que (pour tout
n ∈ N )
iii) Montrer qu'il existe
4. Montrer que
V
On échangera par ailleurs dans cette partie sans justification les signes
- i) Montrer que si
M = (a, b; c, d) ∈ M_2(R) est une matrice inversible telle qued ≠ 0 , il existe une matrice triangulaire supérieure inversibleT_1 ∈ M_2(R) et une matrice triangulaire inférieure inversibleT_2 ∈ M_2(R) telles que
- Montrer que pour toute fonction
φ deC(R, R) telle quex ↦ (φ(x))/(1 + x^2) est bornée, on a (pourt ∈ [0, T])
- i) Calculer (pour
t ∈ [0, T]) la quantité∫_R f(t, x)dx en fonction def_(in) .
ii) Montrer que (pourt ∈ [0, T] etx ∈ R ),
- Dans cette question, on suppose qu'il existe
S_1, S_2 > 0 , tels que
Il s'agit d'une version simplifiée de la première partie du Théorème
ii) Montrer que si l'on a (pour
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de mathématiques C de l'ENS MP 2013 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de mathématiques C de l'ENS MP 2013 ?
Il porte sur les équations fonctionnelles, les équations différentielles, le lemme de Gronwall, la convergence uniforme de suites de fonctions et une équation cinétique inspirée du théorème H de Boltzmann.
Les cinq parties du sujet sont-elles indépendantes ?
Les parties I, II et III sont indépendantes entre elles, mais les parties IV et V s'appuient directement sur les résultats de la partie III et, pour la partie I, sur l'équation fonctionnelle qui réapparaît en partie IV.
Quels résultats de cours faut-il connaître pour ce sujet ?
Les équations différentielles linéaires, le lemme de Gronwall, la convergence uniforme de suites de fonctions et les intégrales à paramètre (théorème de Fubini).
Ce sujet est-il lié à la physique statistique ?
Oui, les parties IV et V construisent et étudient une version simplifiée de l'équation cinétique de Boltzmann, avec la conservation de la masse et la croissance de l'entropie d'un gaz raréfié.
Pas de description pour le moment
