Petites Mines Mathématiques Sup 2000Sujet
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CONCOURS COMMUN SUP 2000 DES ÉCOLES DES MINES D'ALBI, ALÈS, DOUAI, NANTES
Épreuve de Mathématiques
(toutes filières)
Lundi 22 mai 2000 de 14 h 00 à 18 h 00
Instructions générales :
Les candidats sont invités à porter une attention particulière à la rédaction : les copies illisibles ou mal présentées seront pénalisées.
ANALYSE
Partie I : Étude de la fonction réciproque de la fonction
tanh .
On notera respectivement cosh, sinh et tanh les fonctions cosinus hyperbolique, sinus hyperbolique et tangente hyperbolique définies par :
On notera respectivement cosh, sinh et tanh les fonctions cosinus hyperbolique, sinus hyperbolique et tangente hyperbolique définies par :
-
- Montrer, en étudiant ses variations, que tanh est une bijection de
ℝ sur un intervalleI deℝ à préciser. On note artanh («argument tangente hyperbolique») sa réciproque.
- Montrer, en étudiant ses variations, que tanh est une bijection de
-
- Exprimer la dérivée de tanh en fonction de tanh.
-
- Démontrer que artanh est impaire.
-
- Démontrer que artanh est dérivable sur
I et calculer sa dérivée.
- Démontrer que artanh est dérivable sur
-
- Exprimer artanh à l'aide de fonctions usuelles.
-
- Déterminer un développement limité à l'ordre 5 de artanh en 0 .
Partie II : Étude d'une équation différentielle
Soit l'équation différentielle
(E) : xy^′ + 3y = 1/(1 − x^2) .
7. - Résoudre (E ) sur l'intervalle
J = ]0, 1[ .
7. - Résoudre (
Partie III : Étude d'une équation fonctionnelle
Le but de cette partie est de résoudre le problème suivant :
déterminer les fonctionsf définies sur
ℝ , à valeurs réelles et dérivables en 0 qui vérifient :
déterminer les fonctions
-
- Déterminer les fonctions constantes solutions du problème posé.
-
- Déterminer les valeurs possibles de
f(0) sif est solution.
- Déterminer les valeurs possibles de
-
- Montrer que, si
f est solution, on a∀x ∈ ℝ, − 1 ≤ f(x) ≤ 1 . (on pourra exprimerf(x) en fonction def(x/2) .)
- Montrer que, si
-
- Montrer que si
f est solution,− f est aussi solution.
- Montrer que si
-
- Montrer que tanh est solution du problème posé.
Dans les questions 13. à 17., on suppose que
f est une solution du problème posé, que
f(0) = 1 et que
f n'est pas constante.
On considèrex_0 ∈ ℝ , tel que
f(x_0) ≠ f(0) et l'on définit la suite
(u_n) par:
∀n ∈ ℕ, u_n = f((x_0)/(2^n)) .
13. - Montrer que la suite(u_n) est convergente et préciser sa limite.
14. - Établir une relation entreu_n et
u_(n + 1) ; en déduire que la suite (
u_n ) garde un signe constant, puis étudier sa monotonie suivant le signe de
u_0 .
15. - En utilisant les résultats des questions 13. et 14., aboutir à une contradiction.
16. - Que peut-on dire si l'hypothèse «f(0) = 1 » est remplacée par l'hypothèse «
f(0) = − 1 »?
17. - Conclusion?
On considère
13. - Montrer que la suite
14. - Établir une relation entre
15. - En utilisant les résultats des questions 13. et 14., aboutir à une contradiction.
16. - Que peut-on dire si l'hypothèse «
17. - Conclusion?
Dans les questions 18. à 22., on suppose que
f est une solution du problème posé et que
f(0) = 0 .
18. - En raisonnant par l'absurde et en considérant une suite du même type que celle des questions 13. à 17., montrer que:∀x ∈ ℝ, f(x) ≠ − 1 et
f(x) ≠ − 1 .
On définit alors la fonctiong par :
∀x ∈ ℝ, g(x) = artanh(f(x)) .
19. - Montrer que:∀x ∈ ℝ, g(2x) = 2g(x) .
20. - Montrer queg est dérivable en zéro.
21. - Soitx ∈ ℝ^⋆ ; on définit la suite (
v_n ) par:
∀n ∈ ℕ, v_n = (f(x/(2^n)))/(x/(2^n)) .
18. - En raisonnant par l'absurde et en considérant une suite du même type que celle des questions 13. à 17., montrer que:
On définit alors la fonction
19. - Montrer que:
20. - Montrer que
21. - Soit
Montrer que (
v_n ) est convergente et déterminer sa limite.
22. - En déduire queg est linéaire.
23. - Déterminer toutes les fonctions solutions du problème posé.
22. - En déduire que
23. - Déterminer toutes les fonctions solutions du problème posé.
ALGÈBRE
Les parties I, II et III sont, dans une large mesure, indépendantes.
Soitn un entier naturel non nul.
Soit
Partie I :
On pose :
A = (X + 1)^(2n) − 1 , polynôme de
ℝ[X] .
-
- Montrer que l'on peut écrire
A = X × B oùB est un polynôme deℝ[X] dont on précisera le degré, le coefficient dominant et le terme constant notéb_0 .
- Montrer que l'on peut écrire
-
- Déterminer les racines de
A dansℂ . On poseraz_0 = 0 et les autres racinesz_1, z_2, …, z_(2n − 1) seront mises sous forme trigonométrique.
On poseP_n = ∏_(k = 1)^(n − 1)sin(kπ)/(2n) .
- Déterminer les racines de
-
- Montrer, à l'aide d'un changement d'indice, que
P_n = ∏_(k = n + 1)^(2n − 1)sin(kπ)/(2n) .
- Montrer, à l'aide d'un changement d'indice, que
En déduire que, si
Q_n = ∏_(k = 1)^(2n − 1)sin(kπ)/(2n) , alors
P_n = √(Q_n) .
4. - Calculer de deux façons :∏_(k = 1)^(2n − 1)z_k . Puis, en déduire
Q_n et enfin,
P_n .
5. - On poseF = 1/A . Déterminer la décomposition de
F en éléments simples sur
ℂ .
4. - Calculer de deux façons :
5. - On pose
Partie II :
On travaille dans un
ℂ -espace vectoriel
E supposé non réduit au vecteur nul.
L(E) désigne l'ensemble des endomorphismes de
E, I_E est l'application identité de
E et
θ désigne l'application nulle.
Par convention :∀f ∈ L(E), f^0 = I_E .
On étudie sur quelques cas particuliers, l'équation :(f + I_E)^(2n) − I_E = θ où
f ∈ L(E) est l'inconnue.
6. - Déterminer les homothéties vectorielles qui sont solutions de l'équation proposée.
7. - En développant(1 + 1)^(2n) et
(1 − 1)^(2n) déterminer les sommes
S = ∑_(k = 0)^n((2n)/(2k)) et
S^′ = ∑_(k = 0)^(n − 1)((2n)/(2k + 1)) . (la notation
(n/k) désigne le coefficient binomial
: (n!)/(k!(n − k)!) .)
8. - Sis est une symétrie de
E , exprimer
(s + I_E)^(2n) − I_E en fonction de
s et
I_E . En déduire les symétries de
E solutions de l'équation proposée.
Par convention :
On étudie sur quelques cas particuliers, l'équation :
6. - Déterminer les homothéties vectorielles qui sont solutions de l'équation proposée.
7. - En développant
8. - Si
Partie III :
On travaille dans
M_3(ℂ) ensemble des matrices carrées d'ordre 3 à coefficients dans
ℂ .
I désigne la matrice identité et
O la matrice nulle.
On poseG = {M_(a, b) ∈ M_3(ℂ)|(a, b) ∈ ℂ^2} où
M_(a, b) désigne la matrice
(a, b, b; b, a, b; b, b, a) .
9. - Montrer queG est un sous-espace vectoriel de
M_3(ℂ) dont on précisera la dimension et une base ; vérifier que
G est stable pour le produit matriciel.
On cherche à résoudre l'équation matricielle(∗)(M + I)^(2n) − I = O , avec
M , matrice inconnue, dans
G .
On noteE le
ℂ -espace vectoriel
ℂ^3 et
B = (e_1, e_2, e_3) la base canonique de
E .
SoientM = M_(a, b) un élément de
G tel que
b ≠ 0, u l'endomorphisme de
E canoniquement associé à
M et
I_E , l'application identité de
E .
10. - Déterminer une base(e_1^′) de
E_1 = Ker(u − (a + 2b).I_E) .
11. - Déterminer une base(e_2^′, e_3^′) de
E_2 = Ker(u − (a − b).I_E) .
12. - Montrer que(e_1^′, e_2^′, e_3^′) est une base de
E ; on la note
B^′ .
13. - Déterminer la matriceD de
u dans la base
B^′ .
14. - On noteP la matrice de passage de
B à
B^′ . Écrire
P et déterminer
P^(− 1) en précisant la méthode utilisée et en détaillant les calculs.
15. - ExprimerM en fonction de
P, D et
P^(− 1) .
16. - Montrer que :M est solution de l'équation () si et seulement si
D est solution de l'équation ().
17. - Déterminer toutes les matricesD solutions de l'équation ().
18. - En déduire toutes les solutions de l'équation () dansG .
On pose
9. - Montrer que
On cherche à résoudre l'équation matricielle
On note
Soient
10. - Déterminer une base
11. - Déterminer une base
12. - Montrer que
13. - Déterminer la matrice
14. - On note
15. - Exprimer
16. - Montrer que :
17. - Déterminer toutes les matrices
18. - En déduire toutes les solutions de l'équation () dans
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