Mines Mathématiques 1 PSI 2019Sujet et rapport du jury
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ÉCOLE DES PONTS PARISTECH, ISAE-SUPAERO, ENSTA PARISTECH, TELECOM PARISTECH, MINES PARISTECH, MINES SAINT-ÉTIENNE, MINES NANCY, IMT Atlantique, ENSAE PARISTECH, CHIMIE PARISTECH.
Concours Centrale-Supélec (Cycle International), Concours Mines-Télécom, Concours Commun TPE/EIVP.
CONCOURS 2019
PREMIÈRE ÉPREUVE DE MATHÉMATIQUES
Durée de l'épreuve : 3 heures
L'usage de la calculatrice et de tout dispositif électronique est interdit.
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Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente
sur la première page de la copie :
sur la première page de la copie :
MATHÉMATIQUES I - PSI
L'énoncé de cette épreuve comporte 5 pages de texte.
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.
Soit
p un entier naturel non nul et
r un nombre réel strictement positif. On considère la fonction
L'objectif du problème est d'établir la validité de l'énoncé suivant :
Cet objectif sera atteint dans la partie II pour le cas particulier
p = 1 , et dans la partie III pour le cas
p ≥ 2 . Dans la partie
IV , on étudie une application de ce résultat au comportement asymptotique d'une solution particulière d'une certaine équation différentielle d'ordre 2.
Dans tout le sujet, on note
⌊x⌋ la partie entière du nombre réel
x , c'est-à-dire l'unique entier
k tel que
k ≤ x < k + 1 . On rappelle que par convention
0^0 = 1 , tandis que
0^r = 0 pour tout réel
r > 0 .
I Généralités, cas particuliers
- Soit
r ∈ R_+^∗ etp ∈ N^∗ . Justifier que la série entière∑_(n ≥ 1)((pn)^r)/((pn)!)z^n a pour rayon de convergence+ ∞ , et faire de même pour la série entière∑_(n ≥ 1)((pn)^r)/((pn)!)z^(np) . - Pour
x réel, expliciterS_(0, 1)(x) etS_(0, 2)(x) , et en déduire la validité des énoncésH_(0, 1) etH_(0, 2) .
II Une démonstration probabiliste de
H_(r, 1)
On admet dans cette partie qu'il existe, sur un certain espace probabilisé (
Ω, A, P ), une famille
(X_x)_(x ∈ R_+^∗) de variables aléatoires à valeurs dans
N telle que
X_x suive la loi de Poisson de paramètre
x pour tout réel
x > 0 . On fixe de telles données dans l'intégralité de cette partie, et l'on fixe un réel
r > 0 . On pose
Pour
N ∈ N^∗ , on pose
- Soit
x ∈ R_+^∗ . Montrer que(Z_x)^r admet une espérance, et exprimerE((Z_x)^r) à l'aide deS_(r, 1)(x) . - Pour
x > 0 , rappeler l'espérance et la variance deX_x . Déduire alors de l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev que
- Montrer que pour tout réel
x > 1 ,
Montrer en outre que
- Soit
N ∈ N^∗ etx ∈ R_+^∗ . Montrer queY_(x, N) admet une espérance et que
- Soit
N ∈ N^∗ . Montrer qu'il existe des réelsa_1, …, a_N tels que
On pourra introduire la famille
(H_j)_(j ∈ N) de polynômes à coefficients réels définie par
où l'indéterminée est notée
T .
En déduire que
En déduire que
- On pose
N:=⌊r⌋ ets:=r − N . Montrer l'inégalité
et en déduire
- En combinant les résultats précédents, établir la convergence
et conclure à la validité de l'énoncé
H_(r, 1) .
III Démonstration de
H_(r, p) pour
p ≥ 2
On fixe dans cette partie un entier naturel
p ≥ 2 et un réel
r > 0 , et l'on se propose de déduire la validité de
H_(r, p) de celle de
H_(r, 1) .
Pour
n ∈ N et
x ∈ R_+^∗ , on pose
- On fixe un réel
x > 0 . Étudier le signe de la fonction
On montrera en particulier que
φ_x s'annule en un unique élément de
[1, + ∞[ que l'on notera
t_x . En déduire que la suite finie
(u_n(x))_(0 ≤ n ≤ ⌊t_x⌋) est croissante et que la suite
(u_n(x))_(n ≥ ⌊t_x⌋) est décroissante.
L'ensemble
{u_n(x)|n ∈ N} admet donc un maximum valant
u_(⌊t_x⌋)(x) . Dans la suite de cette partie, ce maximum sera noté
M_x .
11. Soitα ∈ R . Déterminer la limite de
φ_x(x + α) quand
x tend vers
+ ∞ . En déduire que
11. Soit
Pour établir ce dernier résultat, on pourra revenir à la définition d'une limite.
12. Montrer que pour tout entier relatifk ,
12. Montrer que pour tout entier relatif
- Soit
m ∈ N^∗ . Montrer que
En déduire que, pour
x voisin de
+ ∞ ,
- En déduire que pour tout entier relatif
k ,
puis que
En vue de ce dernier résultat, on pourra commencer par démontrer que, pour
x assez grand,
M_x = u_(⌊x⌋ + i)(x) pour un entier
i compris entre
⌊r⌋ − 1 et
⌊r⌋ + 2 .
15. Dans cette question et la suivante, on fixe un nombre complexez tel que
|z| = 1 et
z ≠ 1 . Pour
n ∈ N^∗ , on pose
15. Dans cette question et la suivante, on fixe un nombre complexe
Montrer que
et que les séries
∑_n D_n u_(n − 1)(x) et
∑_n D_n u_n(x) sont absolument convergentes.
16. On conserve le nombre complexez introduit dans la question précédente. Montrer que
16. On conserve le nombre complexe
puis que, pour
x voisin de
+ ∞ ,
et conclure à la relation
- On pose
ξ:=exp((2iπ)/p) . Pour tout réelx , montrer que
et en déduire la validité de
H_(r, p) .
IV Application à une équation différentielle
On s'intéresse ici à l'équation différentielle :
- Montrer que, parmi les solutions de
(E) surR à valeurs réelles, il en existe une et une seule, notéef , qui soit la somme d'une série entière et vérifief^′(0) = 1 . Expliciter la suite(c_n)_(n ∈ N) telle que
- Démontrer que
Pour la dernière question, on admet le résultat suivant :
Lemme de comparaison asymptotique des séries entières.
Soit
(a_n)_(n ∈ N) et
(b_n)_(n ∈ N) deux suites à termes réels. On suppose que :
(i) La série entière∑_n b_n z^n a pour rayon de convergence
+ ∞ .
(ii) Il existe un rangn_0 ∈ N tel que
∀n ≥ n_0, b_n > 0 .
(iii) Les suites(a_n)_(n ∈ N) et
(b_n)_(n ∈ N) sont équivalentes.
(i) La série entière
(ii) Il existe un rang
(iii) Les suites
Alors la série entière
∑_n a_n z^n a pour rayon de convergence
+ ∞ et
- En exploitant la validité de
H_(r, p) pour un couple (r, p ) bien choisi, démontrer l'équivalent
Fin du problème
Pas de description pour le moment
