ENS Mathématiques BCPST 2006Sujet et corrigé
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Filière BCPST
MATHÉMATIQUES
Epreuve commune aux ENS de Paris, Lyon et Cachan
Durée : 4 heures
L'usage de calculatrice est interdit.
Le but de ce sujet est de définir et de résoudre partiellement trois modèles concernant l'abondance d'une espèce ou les abondances respectives de plusieurs espèces en coexistence.
Le sujet comporte trois parties indépendantes de longueurs inégales pouvant être traitées dans un ordre quelconque.
Les candidats composeront sur des copies séparées pour chaque partie, en les identifiant clairement. Il est recommandé de veiller au soin de la présentation, à la rigueur et à la concision des raisonnements. Les démonstrations s'appuyant sur des représentations graphiques pourront s'avérer utiles.
Les candidats composeront sur des copies séparées pour chaque partie, en les identifiant clairement. Il est recommandé de veiller au soin de la présentation, à la rigueur et à la concision des raisonnements. Les démonstrations s'appuyant sur des représentations graphiques pourront s'avérer utiles.
Notations
L'ensemble des nombres réels est noté
ℝ . Le logarithme (neperien) est désigné par
ln .
Pour tout entier natureln , la notation
n ! désigne le produit des
n premiers entiers, où par convention
0! = 1 . On rappelle que le nombre de parties à
k éléments d'un ensemble à
n éléments est noté
C_n^k et vaut
(n!)/(k!(n − k)!) .
Pour tout entier naturel
L'espérance mathématique d'une variable aléatoire réelle (v.a.r.)
X est notée
𝔼(X) et sa variance
Var(X) . La covariance de deux v.a.r. X et Y est notée
Cov(X, Y) .
Pour toute v.a.r. X et tout nombre réelx, ℙ(X ∈ [x; x + dx[) est abrégé en
ℙ(X ∈ dx) .
L'indicatrice1_A d'un événement A est la variable aléatoire qui vaut 1 si A est réalisé et 0 sinon. En particulier,
𝔼(1_A) = ℙ(A) .
Pour toute v.a.r. X et tout nombre réel
L'indicatrice
Première partie : le partage aléatoire de MacArthur
L'une des plus anciennes façons de modéliser la répartition des ressources (et donc des abondances) entre
n + 1 espèces, consiste à supposer que la quantité totale des ressources disponibles est constante et est divisée aléatoirement entre les
n + 1 espèces présentes. Pour ce faire, on « jette
≫n points uniformément et indépendamment dans l'intervalle [
0; 1 ], qui définissent
n + 1 fragments adjacents aléatoires et de même loi, mais de somme 1 . Chacun de ces fragments représente la part des ressources allouée à chaque espèce.
Plus précisément, on considère
n variables indépendantes
U_1, …, U_n uniformes sur
[0; 1] . On désigne par
X_1 ⩽ ⋯ ⩽ X_n , le réarrangement croissant des
U_1, …, U_n . Les
n + 1 fragments adjacents sont donc de tailles
X_1 − X_0, X_2 − X_1, …, X_n − X_(n − 1), X_(n + 1) − X_n , où par convention
X_0 = 0 et
X_(n + 1) = 1 . Il est à nouveau possible de ranger ces fragments dans l'ordre croissant de leurs tailles, soit par définition
Y_1 ⩽ ⋯ ⩽ Y_(n + 1) .
Pour spécifier que le nombre de fragments considérés est
n + 1 (bien que le nombre de points jetés soit
n ), nous noterons la probabilité
ℙ_(n + 1) .
- a) Montrer que pour pour tous entiers
1 ⩽ k ⩽ n + 1 , et tout réelx ∈ ]0; 1[ ,
b) En déduire une expression générale, pour tous entiers
i et
j , de
c) Montrer que
𝔼_(n + 1)(X_k − X_(k − 1)) = 1/(n + 1) .
d) Expliquer pourquoi en général, bien que les(Y_k)_(1 ⩽ k ⩽ n + 1) soient une renumérotation des
(X_k − X_(k − 1))_(1 ⩽ k ⩽ n + 1), 𝔼_(n + 1)(Y_k) ≠ 1/(n + 1) . Montrer en particulier que
d) Expliquer pourquoi en général, bien que les
- Le but de cette question est de déterminer la loi du plus petit fragment,
Y_1 . On noteI_(n + 1) l'intervalle ouvert]0; 1/(n + 1)[ .
a)a − i) Montrer queℙ_(n + 1)(Y_1 ∈ I_(n + 1)) = 1 .
a-ii) Établir que poury ∈ I_2, ℙ_2(Y_1 > y) = 1 − 2y .
b)b − i) Soienta ∈ ]0; 1[ etf une fonction réelle de[0; 1]^n . Montrer que siU_1, …, U_n sont des v.a. indépendantes uniformes sur[0; 1] ,
b-ii) Pour
y ∈ I_(n + 1) , justifier l'égalité
Indication. On pourra se ramener aux cas où
Y_1 = X_(n + 1) − X_n .
c) Montrer par récurrence surn ⩾ 1 que pour tout
y ∈ I_(n + 1) ,
c) Montrer par récurrence sur
d) En déduire que
- a)
a − i ) Soienta ∈ ]0; 1[ et U une v.a. uniforme sur[0; 1] . Montrer que la loi de U sachant{U > a} est la même que celle dea + (1 − a)U .
a-ii) Soity ∈ I_(n + 1) . Justifier, par exemple à l'aide d'une représentation graphique, que la loi dun -uplet(Y_2, …, Y_(n + 1)) sousℙ_(n + 1)(⋅ |Y_1 = y) , est la même que celle, sousℙ_n , dun -uplet
b) Pour
k ∈ {1, …, n} , en déduire une relation entre
𝔼_(n + 1)(Y_(k + 1)) et
𝔼_n(Y_k) .
c) Pourk ∈ {1, …, n} , on définit
α_k^((n)) = n𝔼_n(Y_k) . Donner une relation entre
α_(k + 1)^((n + 1)) et
α_k^((n)) , puis établir le résultat final :
c) Pour
Deuxième partie : la métaphore de la cantine
Dans cette partie il s'agit de caractériser la loi du nombre d'espèces représentées dans un échantillon de
n individus, et leurs abondances respectives, à l'aide d'un unique paramètre.
Soit
θ un réel strictement positif. Des individus numérotés
1, 2, …, n , arrivent successivement dans une salle de restaurant contenant une infinité de tables infiniment longues. Le premier individu s'assied à une table au hasard. Pour tout entier
k ⩾ 1 , lorsque l'individu
k + 1 arrive, il choisit au hasard un des
k convives déjà attablés avec la probabilité
1/(k + θ) , et s'assied à la même table, ou occupe une nouvelle table avec la probabilité
θ/(k + θ) .
L'entier
K_n désigne le nombre de tables occupées lorsque
n convives se sont installés et pour
1 ≤ i ≤ n , on note
q_(n, i) = ℙ(K_n = i) . La répartition de ces
n convives en
K_n tables est une métaphore pour la répartition d'un échantillon de
n individus vivants en
K_n espèces.
- a) Montrer que
b) Pour tous
2 ⩽ i ⩽ n , trouver une relation entre
q_(n + 1, i), q_(n, i) et
q_(n, i − 1) .
2. SoientL_n et
P_n les polynômes de degré
n suivants
2. Soient
a) Donner une relation de récurrence vérifiée par
(P_n) .
b) En déduire que
b) En déduire que
On admettra que cette équation caractérise la loi de
K_n , mais dans la question suivante, on se concentre sur son espérance et sa variance.
3. a) Montrer que𝔼(K_n) = P_n^′(1) et en déduire
𝔼(K_n) .
3. a) Montrer que
Indication. On pourra prendre le logarithme de
P_n .
b) Montrer queVar(K_n) = P_n^(′′)(1) + P_n^′(1) − (P_n^′(1))^2 et calculer
Var(K_n) .
4. Dans cette question, on cherche à obtenir directement les résultats de la question précédente.
a) Montrer que
b) Montrer que
4. Dans cette question, on cherche à obtenir directement les résultats de la question précédente.
a) Montrer que
où les
(ε_i)_(i = 1, …, n) sont des variables de Bernoulli indépendantes dont on précisera les probabilités de succès respectives.
b) En déduire𝔼(K_n) et
Var(K_n) .
5. a) Établir la double inégalité
b) En déduire
5. a) Établir la double inégalité
b) Donner un équivalent de
𝔼(K_n) lorsque
n → ∞ (et le justifier).
6. Étudier la différenceVar(K_n) − 𝔼(K_n) et en déduire un équivalent de
Var(K_n) lorsque
n → ∞ .
6. Étudier la différence
Troisième partie : la série logarithmique de Fisher
Le but de cette partie est d'établir un résultat ancien sur la loi du nombre d'individus appartenant à une même espèce.
A La fonction
Γ
- Montrer que la fonction
Γ : x ⟼ ∫_0^∞t^(x − 1)e^(− t)dt est bien définie sur]0; + ∞[ . - a) Pour tout réel positif
x , montrer queΓ(x + 1) = xΓ(x) .
b) En déduire une expression pourΓ(n) lorsquen est un entier naturel non nul.
c) Donner un équivalent deΓ(x) lorsquex → 0^+ .
Dorénavant, pour tout réel positif
θ , nous dirons qu'une v.a.r positive suit la loi Gamma
(θ) si elle a pour densité de probabilité la fonction
- Calculer l'espérance et la variance d'une variable aléatoire X de loi
Gamma(θ) .
B Étude de la série logarithmique
Soit
f la fonction définie par
- Montrer que pour tout
x ∈ ] − 1; 1 [, la série de terme général(x^n)/n converge. - Établir que pour tout entier
n , la dérivéen -ième def est donnée par :
- Montrer que pour tout
x < 1 et tout entiern ⩾ 1 ,
- Pour
x ∈ ] − 1; 1[ , calculer la somme∑_(n = 1)^∞(x^n)/n .
C Abondance d'une espèce
- Dans cette question uniquement, on suppose qu'une espèce
E compte N individus, et qu'il est possible d'observer chacun de ces individus avec la même probabilitép , indépendamment les uns des autres.
a) Donner la loi du nombre X d'individus observés.
b) Soit un réeld > 0 . Que devient la loi de X lorsqueN → ∞, p → 0 etp N → d ?
On se donne deux réels strictement positifs
ρ et
θ , et l'on suppose désormais que X suit une loi de Poisson d'espérance
D (la vraie densité de population), où pour rendre compte de l'incertitude existant sur elle,
D est une v.a.r. indépendante telle que :
où G suit la loi Gamma(
θ ).
9. a) Montrer que pourk entier naturel et
y réel positif,
9. a) Montrer que pour
b) En déduire que
- a) Calculer
ℙ(G ∈ dy|X = k) .
b) Montrer que la v.a.(ρ + 1)D/ρ , conditionnée par l'observation dek individus, suit une loi Gamma de paramètre à préciser.
c) Montrer que
Commenter la façon dont le nombre d'individus observés prédit la densité de population.
On ne s'intéresse plus dorénavant qu'aux espèces dont au moins un individu a été observé.
11. a) Montrer que pour tout entierk ⩾ 1 et tout réel
y > 0
On ne s'intéresse plus dorénavant qu'aux espèces dont au moins un individu a été observé.
11. a) Montrer que pour tout entier
b) Prouver la convergence suivante
où
c est une constante à déterminer.
On appelleℙ^⋆ cette loi limite.
c) En déduire que
On appelle
c) En déduire que
où
x ∈ ]0; 1[ sera exprimé à l'aide de
ρ , et que
La loi
ℙ^⋆ est connue sous le nom de série logarithmique de Fisher.
d) Calculer𝔼^⋆(D), 𝔼^⋆(X), 𝔼^⋆(DX) , et
Cov(D, X) . Quel est le signe de cette covariance ? Commenter.
12. Les espèces connues d'un écosystème sont au nombre deS et leurs abondances sont indépendantes et suivent toutes la loi
ℙ^⋆ .
a) Quel est le nombre attendu M d'espèces singletons (c'est-à-dire dont un seul individu a été observé) ? Quel est le nombre attendu N d'individus observés au total? Comment peut-on estimerρ si l'on connait M et N ?
b) ÉtudierS/N en tant que fonction de
x . Interpréter les cas
x → 0^+ et
x → 1^− .
d) Calculer
12. Les espèces connues d'un écosystème sont au nombre de
a) Quel est le nombre attendu M d'espèces singletons (c'est-à-dire dont un seul individu a été observé) ? Quel est le nombre attendu N d'individus observés au total? Comment peut-on estimer
b) Étudier
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