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SESSION 2003
Filière PC
MATHEMATIQUES

Epreuve commune aux ENS de Paris, Lyon et Cachan Durée : 4 heures

L'usage de calculatrices électroniques de poche à alimentation autonome, non imprimantes et sans document d'accompagnement, est autorisé. Cependant, une seule calculatrice à la fois est admise sur la table ou le poste de travail, et aucun échange n'est autorisé entre les candidats.
Les définitions importantes sont signalées par un signe ⇝. Les résultats admis sont encadrés par des - Toute réponse non justifiée ne sera pas prise en compte.
Pour tout intervalle I ⊂ ℝ, et tout entier naturel k, on note simplement C^k(I) = C^k(I, ℝ) l'espace des fonctions de classe C^k sur I et à valeurs réelles. L'espace des fonctions continues, C^0(I), est noté C(I). Si I est un intervalle fermé [a, b], on note de plus C_0(I) l'espace des fonctions continues sur I s'annulant en a et b, et C_0^k(I) l'espace des fonctions de classe C^k sur I, nulles en a et b ainsi que toutes leurs dérivées jusqu'à l'ordre k. De façon analogue, C_0^k(ℝ) désigne l'espace des fonctions de classe C^k sur ℝ admettant des limites nulles en − ∞ et + ∞, ainsi que toutes leurs dérivées jusqu'à l'ordre k.
Dans tout le problème, E est une fonction à valeurs réelles de deux variables réelles, notées q et p, et E est supposée au moins de classe C^3, c'est-à-dire E ∈ C^3(ℝ × ℝ, ℝ). Les dérivées partielles premières de E sont ainsi notées
(∂E)/(∂q)(q, p) et (∂E)/(∂p)(q, p),
et les dérivées partielles secondes de E
(∂^2 E)/(∂q^2)(q, p), (∂^2 E)/(∂q∂p)(q, p) et (∂^2 E)/(∂p^2)(q, p).
Le problème concerne la minimisation de l'intégrale
∫_I E(ρ(x), ρ^′(x))dx
pour ρ appartenant à un ensemble A de fonctions admissibles à préciser ( inclus dans C^1(I) ).

I Résultats préliminaires

1 Un lemme fondamental

Soient a et b des nombres réels tels que a < b et
B = ^(déf)C^1([a, b])⋂C_0([a, b]) = {h ∈ C^1([a, b]); h(a) = h(b) = 0}.
i)
Déterminer toutes les fonctions f ∈ C([a, b]) telles que, pour tout h ∈ B,
∫_a^b f(x)h^′(x)dx = 0
Indication : on pourra utiliser des fonctions h de la forme
h(x) = ∫_a^x(f(t) − c)dt
ii)
Déterminer, en utilisant i), l'ensemble des couples (f, g) ∈ C([a, b]) × C([a, b]) tels que, pour tout h ∈ B,
∫_a^b(f(x)h(x) + g(x)h^′(x))dx = 0
Parmi ces couples, peut-on avoir g(x) = |x − (a + b)/2| ?

2 Mesure des courbes et surfaces

i)
On considère un arc de courbe défini par une équation cartésienne,
Γ = {(x, φ(x)); x ∈ [a, b]}
avec a < b et φ ∈ C^1([a, b]). quelle est la longueur de l'arc Γ ?
ii)
Soient α ∈ ]0, 2π[ et R > r > 0. Quelle est l'aire de
S = {(ρcosω, ρsinω); r ≤ ρ ≤ R et 0 ≤ ω ≤ α}?
iii)
On suppose que l'arc Γ défini en i) ne coupe pas l'axe Ox et on considère Σ la surface de révolution obtenue par rotation de Γ autour de cet axe.
  • On admet que l'aire de Σ est égale à
A = 2π∫_a^b φ(x)√(1 + φ^′(x)^2)dx
Vérifier cette formule dans le cas où Γ est un segment de droite. On pourra s'aider d'un dessin, et utiliser ii).

3 Méthode de séparation des variables

Soient I et J des intervalles de ℝ. On suppose que G ∈ C^1(J) ne s'annule pas. Soient a ∈ I, α ∈ J et ρ ∈ C^1(I, J) telle que ρ(a) = α et
ρ^′(x) = G(ρ(x))
pour tout x ∈ I. Calculer
∫_α^(ρ(x))(dr)/(G(r))

II Minimisation sur un intervalle I borné

Soient a et b des nombres réels tels que a < b. Comme dans la partie I, on notera
B = ^(déf)C^1([a, b])⋂C_0([a, b])
A toute fonction ρ ∈ C^1([a, b]) on associe le nombre réel
E[ρ] = ∫_a^b E(ρ(x), ρ^′(x))dx
1
Soient ρ et h ∈ C^1([a, b]). On considère e_(ρ, h), la fonction d'une variable réelle t définie par
e_(ρ, h)(t) = E[ρ + th]
Montrer que e_(ρ, h) ∈ C^2(ℝ) et exprimer ses dérivées en 0
(de_(ρ, h))/(dt)(0) et (d^2 e_(ρ, h))/(dt^2)(0)
à l'aide de ρ, ρ^′, h, h^′ et des dérivées partielles de E.
2
Soient α et β ∈ ℝ. On suppose qu'il existe ρ ∈ C^1([a, b]) tel que ρ(a) = α et ρ(b) = β, réalisant le minimum de E[ρ] sous cette contrainte, c'est-à-dire :
E[ρ] = min_(η ∈ A)E[η], où A = ^(déf){η ∈ C^1([a, b]); η(a) = α, η(b) = β}.
i)
Soit h ∈ B. Quelle est alors la valeur de
(de_(ρ, h))/(dt)(0)?
ii)
Déduire de ce qui précède que la fonction
x ∈ [a, b] ↦ (∂E)/(∂p)(ρ(x), ρ^′(x))
est de classe C^1 et telle que
d/(dx)((∂E)/(∂p)(ρ(x), ρ^′(x))) = (∂E)/(∂q)(ρ(x), ρ^′(x))
pour tout x ∈ [a, b].
⇝ Désormais, on appelle extrémale de E toute fonction ρ ∈ A, au moins de classe C^2, telle que l'équation (2) soit satisfaite pour tout x ∈ [a, b].
iii)
Soit ρ une extrémale de E. Calculer
E(ρ(b), ρ^′(b)) − ρ^′(b)(∂E)/(∂p)(ρ(b), ρ^′(b)) − E(ρ(a), ρ^′(a)) + ρ^′(a)(∂E)/(∂p)(ρ(a), ρ^′(a))
On se place dans le même cadre qu'à la question 2 ci-dessus, en supposant que (1) a lieu pour ρ de classe C^2.
i)
Soit h ∈ B. Quelle est le signe de
(d^2 e_(ρ, h))/(dt^2)(0)?
ii)
Déduire de ce qui précède que, pour tout h ∈ C^1([a, b]) ∩ C_0([a, b]) :
∫_a^b(P(x)h^′(x)^2 + Q(x)h(x)^2)dx ≥ 0
avec
P(x) = (∂^2 E)/(∂p^2)(ρ(x), ρ^′(x)), Q(x) = (∂^2 E)/(∂q^2)(ρ(x), ρ^′(x)) − d/(dx)((∂^2 E)/(∂q∂p)(ρ(x), ρ^′(x))).
A quelle(s) classe(s) C^k appartiennent P et Q ? On notera par la suite
Q[h] = ∫_a^b(P(x)h^′(x)^2 + Q(x)h(x)^2)dx

4 Exemples

i)
Dans cette question, on considère la fonction E(q, p) = √(1 + p^2). A quoi correspond, en langage commun, le problème de minimisation de E ? Trouver toutes les fonctions ρ satisfaisant l'équation (2). Montrer qu'il en existe une et une seule appartenant à l'ensemble A et l'expliciter. Pour cette solution et les fonctions P, Q définies par (4), l'inégalité (3) est-elle satisfaite?
ii)
Dans cette question, on considère la fonction E(q, p) = q√(1 + p^2). A quoi correspond le problème de minimisation de E ? Montrer que, si ρ satisfait (2), il existe une constante C telle que
ρ^′(x)^2 = (ρ(x)^2 − C^2)/(C^2)
Supposons 0 < C < α < β. Montrer, en utilisant la méthode de séparation de variables de la question I.3, que la recherche de fonctions ρ ∈ A, strictement croissantes et satisfaisant (5) sur [a, b], se ramène au calcul de la primitive d'une fonction que l'on explicitera.
NB : le calcul de la primitive n'est pas demandé.

5 Etude de Q[h]

On cherche ici des conditions sur les fonctions P et Q assurant l'inégalité (3), c'est-à-dire, avec la notation introduite à la question 3. ii),
Q[h] ≥ 0 quel que soit h ∈ C^1([a, b])⋂C_0([a, b])
i)
Montrer que (6) implique
P(x) ≥ 0 pour tout x ∈ [a, b].
Indication : on pourra construire une famille de fonctions auxiliaires g_ε ∈ C_0^1([ − ε, ε]), où ε > 0 est un paramètre destiné à tendre vers 0 telles que
∫_(− ε)^ε g_ε(x)^2 dx ≤ ε et ∫_(− ε)^ε g_ε^′(x)^2 dx ≥ C/ε
pour un certain C > 0 indépendant de ε.
ii)
Supposons qu'il existe une fonction w ∈ C^1([a, b]) satisfaisant
P(x)(Q(x) + w^′(x)) = w(x)^2
pour tout x ∈ [a, b]. A-t-on alors (6) ? (On pourra interpréter (8) comme l'annulation du discriminant d'une forme quadratique.)

iii) Etude de l'équation (8)

On suppose ici
P(x) > 0 pour tout x ∈ [a, b].
Etant donné w ∈ C^1([a, b]), une solution u de l'équation différentielle du premier ordre
Pu^′ + wu = 0
peut-elle s'annuler? Si une telle solution u est de classe C^2, exprimer (Pu^′)^′ sans utiliser u^′.
On suppose qu'il existe une solution v de classe C^2 de l'équation différentielle du second ordre
− (Pv^′)^′ + Qv = 0
ne s'annulant pas sur [a, b]. Construire alors w ∈ C^1([a, b]) vérifiant (8) pour tout x ∈ [a, b].

III Minimisation sur un intervalle I infini

Dans toute cette partie, la fonction E est choisie de la forme
E(q, p) = F(q) + 1/2K(q)p^2
où les fonctions F et K ∈ C^3(ℝ) satisfont les propriétés supplémentaires
K(q) ≥ K_0 > 0, pour tout q ∈ ℝ,; {F(q) > 0, pour tout q ∈ ℝ∖{α, β},; F(α) = F(β) = 0, (dF)/(dq)(α) = (dF)/(dq)(β) = 0,; (d^2 F)/(dq^2)(α) > 0 et (d^2 F)/(dq^2)(β) > 0
On suppose pour fixer les idées α < β.

1 Préambule

i)
Montrer qu'il existe une unique fonction polynomiale de degré 4 et de coefficient dominant 1 satisfaisant (12).
ii)
Pour tout nombre θ > 0, on définit A_θ^k(ℝ) comme l'ensemble des fonctions ρ ∈ C^k(ℝ) telles que
{ρ(x) − α = O(e^(θx)), et, pour tout m ≤ k, ρ^((m))(x) = O(e^(θx)), lorsque x → − ∞,; ρ(x) − β = O(e^(− θx)), et, pour tout m ≤ k, ρ^((m))(x) = O(e^(− θx)), lorsque x → + ∞.
Montrer que, si ρ ∈ A_θ^1(ℝ), alors la fonction x ↦ E(ρ(x), ρ^′(x)) est intégrable sur ℝ. Dans ce cas, on définit
E[ρ] = ∫_(− ∞)^∞E(ρ(x), ρ^′(x))dx
⇝ Par extension de la définition donnée à la question II.2.ii), on appelle extrémale de E une fonction ρ appartenant à A_θ^2(ℝ) pour au moins un nombre θ > 0 et satisfaisant (2) pour tout x ∈ ℝ.
iii)
Montrer que pour toute extrémale de E, on a
1/2K(ρ(x))ρ^′(x)^2 = F(ρ(x))
pour tout x ∈ ℝ.

2 Etude de l'équation (14)

i) Exemple

On suppose dans cette question que K est la fonction constante égale à K_0 et F la fonction polynomiale de la question 1.i) ci-dessus. En s'inspirant de la méthode de séparation de variables de la question I.3, calculer ρ satisfaisant (14) et
lim_(x → − ∞)ρ(x) = α et lim_(x → + ∞)ρ(x) = β.
Déterminer les couples (θ, k) pour lesquels ρ ∈ A_θ^k(ℝ).
ii)
On revient au cas général. Montrer qu'il existe une fonction G ∈ C^2([α, β], ℝ^+)telle que
G(q)^2 = (2F(q))/(K(q))
pour tout q ∈ [α, β]. Montrer de plus que
{G(q) > 0, pour tout q ∈ ]α, β[; G(α) = G(β) = 0; (dG)/(dq)(α) > 0 et (dG)/(dq)(β) < 0
  • On admettra que (15) suffit pour construire ρ ∈ A_θ^1(ℝ) tel que
{ρ^′(x) = G(ρ(x)), pour tout x ∈ ℝ; ρ(0) = ρ_0
avec
θ < min((dG)/(dq)(α), − (dG)/(dq)(β))
quel que soit ρ_0 ∈ ]α, β[.
A quels A_θ^k(ℝ) appartient cette fonction ρ ?
Désormais, ρ désigne une solution croissante de (14), construite grâce à la question 2.ii) ci-dessus. On associe à ρ les fonctions P et Q comme dans la partie II, par les formules (4).
i)
Exprimer les fonctions P et Q à l'aide des fonctions K, F et ρ. Montrer que P et Q sont bornées sur ℝ, et que
P(x) ≥ K_0 pour tout x ∈ ℝ
ii)
Montrer que la fonction v = ρ^′ est solution de l'équation différentielle (9) sur ℝ.
iii)
Montrer qu'il existe C_1 et C_2 > 0 tels que pour tout x ∈ ℝ,
|K(ρ(x))(ρ^(′′)(x))/(ρ^′(x))| ≤ C1 et |d/(dx)(K(ρ(x))(ρ^(′′)(x))/(ρ^′(x)))| ≤ C2
iv)
Soit ω > 0. En s'inspirant des question II.5.ii) et II.5.iii), montrer que
∫_(− ∞)^∞(P(x)h^′(x)^2 + Q(x)h(x)^2)dx ≥ 0
pour tout h ∈ C_0^1(ℝ) tel que
{h(x) = O(e^(ωx)), et h^′(x) = O(e^(ωx)), lorsque x → − ∞; h(x) = O(e^(− ωx)), et h^′(x) = O(e^(− ωx)), lorsque x → + ∞

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