Mines Mathématiques 2 MP 2015Sujet, corrigé et rapport du jury
Téléchargements
Présentation du sujet
Difficulté moyenneNorme d'une matrice aléatoire à coefficients sous-gaussiensAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe problème étudie la norme d'opérateur d'une matrice carrée dont les coefficients sont des variables aléatoires sous-gaussiennes indépendantes. Il combine algèbre linéaire (norme d'opérateur, matrices symétriques), analyse et topologie élémentaire (compacité, recouvrements de la sphère unité) et probabilités discrètes (inégalité de Markov, indépendance) pour majorer la probabilité que cette norme soit grande.
- 1A. Norme d'opérateur d'une matriceExistence et propriétés de la norme d'opérateur, cas des matrices symétriques, étude de la matrice Jn et matrices à coefficients bornés par 1 (questions 1 à 7).
- 2B. Variables aléatoires sous-gaussiennesMajoration de ch(t), inégalité de convexité, stabilité par combinaison de variables indépendantes et inégalités de concentration (questions 8 à 14).
- 3C. Recouvrements de la sphèreRecouvrement fini d'un compact par des boules, parties ε-séparées et majoration de leur cardinal par un argument de volume (questions 15 à 18).
- 4D. Norme d'une matrice aléatoireSynthèse des parties précédentes pour majorer la probabilité que la norme d'opérateur dépasse 2r√n (questions 19 et 20).
Difficulté moyenne. Le jury estime la longueur et la difficulté du sujet adaptées au niveau moyen des candidats, avec un bon étalement des notes.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesCompacité et existence d'un maximum · Axiomes d'une norme incomplets · Matrice symétrique sans base orthonorméeAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe jury juge le sujet réussi : abordable, classant et aboutissant à un résultat significatif. Les questions de probabilités, nouvelles au programme, ont été traitées aussi bien que les autres. Les justifications des calculs et des raisonnements restent en revanche nettement perfectibles.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Compacité et existence d'un maximumQuestion 1
Les arguments fermé, borné, dimension finie sont oubliés, tout comme la continuité de x ↦ ‖Mx‖ avant d'invoquer la compacité.
« Notons que cela n’a guère de sens de parler du maximum d’une fonction vectorielle (donc non numérique) sur un compact. »
- 2Axiomes d'une norme incompletsQuestion 2
Les quatre propriétés ne sont pas toutes établies et le caractère défini est affirmé plus que démontré.
« La positivité était souvent oubliée »
- 3Matrice symétrique sans base orthonorméeQuestion 3
Le raisonnement exige de se placer dans une base orthonormée de vecteurs propres, et de vérifier que l'image de la sphère par une matrice orthogonale est toute la sphère.
« il était essentiel de mentionner le fait qu’une telle matrice est diagonalisable dans une base orthonormée »
- 4Diagonalisation de Jn trop lourdeQuestion 4
Le rang égal à 1, le théorème du rang et la trace suffisaient, sans polynôme caractéristique. Beaucoup n'ont pas donné les sous-espaces propres.
« de nombreux candidats n’ont même pas donné les sous-espaces propres associés. »
- 5Inégalités faussesQuestion 6
Des démonstrations utilisent des égalités valables seulement pour une matrice symétrique, alors que l'inégalité de Cauchy-Schwarz suffisait.
- 6Raisonnement par l'absurde viciéQuestion 15
Modifier l'ensemble fini en cours de raisonnement ne produit aucune contradiction : le résultat demandé n'est pas démontré.
« Et surtout, on n’a absolument pas prouvé le résultat demandé. »
Ce qui a été bien réussi
- Les probabilités ont été traitées aussi valablement que les autres parties du programme.
- La question 8 d'analyse a généralement été bien traitée.
- La question 14 a souvent été traitée correctement, tout comme la question 18 par un grand nombre de candidats.
- Un nombre conséquent de candidats a réussi la question 19, et certains ont traité le sujet en entier.
Conseils du jury
- Justifier chaque étape de calcul : existence d'une espérance, croissance et linéarité de l'espérance, indépendance.
- Préférer les arguments courts (rang, trace, symétrie) aux calculs lourds.
- Préciser pourquoi un volume de réunion est la somme des volumes : les boules sont deux à deux disjointes.
- Réutiliser explicitement les résultats des questions précédentes dans les questions de synthèse.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Ces sujets peuvent vous intéresser
Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
Lecture du sujet en ligne
ÉCOLE DES PONTS PARISTECH, SUPAÉRO (ISAE), ENSTA PARISTECH, TÉLÉCOM PARISTECH, MINES PARISTECH, MINES DE SAINT-ÉTIENNE, MINES DE NANCY, TÉLÉCOM BRETAGNE, ENSAE PARISTECH (FILIÈRE MP), ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRE TSI).
SECONDE ÉPREUVE DE MATHÉMATIQUES
Norme d'une matrice aléatoire
Les parties
A, B et
C sont mutuellement indépendantes.
A. Norme d'opérateur d'une matrice
- Montrer que
S^(n − 1) est un compact deℝ^n et en déduire l'existence de:
- Montrer que l'application qui à
M ∈ ℳ_n(ℝ) associe‖M‖_(op) est une norme surℳ_n(ℝ) . Montrer en outre que pour tousx ety dansℝ^n , on a l'inégalité‖Mx − My‖ ⩽ ‖M‖_(op)‖x − y‖ . - Si
M est symétrique, établir l'égalité‖M‖_(op) = max{|λ|; λ ∈ σ(M)} . On pourra commencer par le cas oùM est diagonale.
On noteJ_n la matrice deℳ_n(ℝ) dont tous les coefficients sont égaux à 1 . - Déterminer les valeurs propres et les espaces propres de
J_n en précisant la dimension des espaces propres. En déduire la valeur de‖J_n‖_(op) .
SoitM = (M_(i, j))_(1 ⩽ i, j ⩽ n) ∈ ℳ_n(ℝ) . - Démontrer l'inégalité
‖M‖_(op) ⩾ max{|M_(i, j)|; 1 ⩽ i, j ⩽ n} . - Etablir que :
7) Montrer que pour tout
B. Variables aléatoires sous-gaussiennes
8) Montrer que pour tout
9) Soit
- Soit
X une variable aléatoire réelle bornée par 1 et centrée. Montrer queX est 1-sous-gaussienne. En déduire que, siX est une variable aléatoire bornée parα > 0 et centrée, alors elle estα -sous-gaussienne. - Soit
X_1, …, X_n des variables aléatoires mutuellement indépendantes etα -sous-gaussiennes, etμ_1, …, μ_n des nombres réels tels que∑_(i = 1)^n(μ_i)^2 = 1 . Montrer que la variable aléatoire∑_(i = 1)^n μ_i X_i estα -sous-gaussienne. - Soit
X une variable aléatoireα -sous-gaussienne etλ > 0 . Montrer que pour toutt > 0 :
- Si
X est une variable aléatoire à valeurs dansℝ^+ , montrer queX est d'espérance finie si et seulement si la série de terme généralP(X ⩾ k) converge et que, dans ce cas :
Pour tout
14) Soit
En particulier, en prenant
C. Recouvrements de la sphère
15) Montrer que l'on peut trouver un sous-ensemble fini
16) Soit
(i) Pour tout vecteur
(ii) Pour toute famille finie
17) Vérifier que les boules
18) Justifier l'existence d'une partie finie
D. Norme d'une matrice aléatoire
Soit
19) Montrer que pour tout
- Soit
Λ_n une partie deS^(n − 1) vérifiant les conditions de la question 18). Pour tout réelr > 0 , montrer que‖M^((n))‖_(op) ⩾ 2r√n implique l'existence d'una ∈ Λ_n tel que‖M^((n))a‖ ⩾ r√n . En déduire que :
Fin du problème
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de maths 2 Mines MP 2015 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de maths 2 Mines MP 2015 ?
Sur la norme d'opérateur d'une matrice aléatoire dont les coefficients sont des variables sous-gaussiennes indépendantes. Il mêle algèbre linéaire, topologie élémentaire, analyse et probabilités.
Quels chapitres réviser pour le sujet de maths 2 Mines MP 2015 ?
La compacité en dimension finie, les normes, la réduction des matrices symétriques réelles, les séries entières, la convexité et les variables aléatoires discrètes avec l'inégalité de Markov et l'indépendance.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en maths 2 Mines MP 2015 ?
Des justifications insuffisantes : compacité mal établie, axiomes de norme incomplets, oubli de la base orthonormée pour les matrices symétriques, inégalités fausses et raisonnements par l'absurde qui ne démontrent rien.
Le sujet de maths 2 Mines MP 2015 est-il difficile ?
Selon le rapport, sa longueur et sa difficulté étaient adaptées au niveau moyen des candidats, et certains l'ont traité en entier.
Pas de description pour le moment
