\documentclass[10pt]{article} \usepackage[french]{babel} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[T1]{fontenc} \usepackage{amsmath} \usepackage{amsfonts} \usepackage{amssymb} \usepackage[version=4]{mhchem} \usepackage{stmaryrd} \usepackage{bbold} \title{ECOLE DE HAUTES ETUDES COMMERCIALES DU NORD \\ Concours d'admission sur classes préparatoires } \author{} \date{} \begin{document} \maketitle \section*{MATHEMATIQUES \\ Option économique} \section*{Mardi 30 Avril 2002, de 8 h à 12 h} La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies.\\ Les candidats sont invités à encadrer, dans la mesure du possible, les résultats de leurs calculs.\\ Ils ne doivent faire usage d'aucun document ; seule l'utilisation d'une règle graduée est autorisée. L'utilisation de toute calculatrice et de tout matériel électronique est interdite. \section*{Exercice 1} Pour tout nombre réel \(x\), on note \([x]\) la partie entière de \(x\), c'est-à-dire l'unique nombre entier vérifiant : \([x] \leq x<[x]+1\).\\ Soit \(X\) une variable aléatoire suivant la loi exponentielle de paramètre \(\lambda(\lambda>0)\).\\ On pose \(Y=[X], Y\) est donc la partie entière de \(X\) et on a : \(\forall k \in \mathbb{Z},(Y=k)=(k \leq X0, f(x)=\frac{-x \ln x}{1+x^{2}} \\ f(0)=0 .\end{array}\right.\) \begin{enumerate} \item a. Vérifier que \(f\) est continue sur \(\mathbb{R}_{+}\).\\ b. Etudier le signe de \(f(x)\). \item Montrer que l'on définit bien une fonction \(\bar{F}\) sur \(\mathbb{R}_{+}\)en posant: \end{enumerate} \[ \forall x \in \mathbb{R}_{+}, F(x)=\int_{0}^{x} f(t) d t \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item Pour tout \(x\) de \(\mathbb{R}_{+}\), on pose : \(g(x)=F(x)-x\).\\ a. Montrer que \(g\) est dérivable sur \(\mathbb{R}_{+}\)et que, pour \(x>0\), on peut écrire \(g^{\prime}(x)\) sous la forme \end{enumerate} \[ g^{\prime}(x)=\frac{-x h(x)}{1+x^{2}} \] b. Etudier les variations de \(h\), puis en déduire son signe (on donne \(\ln \frac{\sqrt{5}-1}{2} \simeq-0,48\) ).\\ c. En déduire le signe de \(g(x)\).\\ 4) On définit la suite ( \(u_{n}\) ) par la donnée de son premier terme \(u_{0}=1\) et la relation de récurrence, valable pour tout \(n\) de \(\mathbb{N}: u_{n+1}=F\left(u_{n}\right)\).\\ a. Établir par récurrence que : \(\forall n \in \mathbb{N}, u_{n} \in[0,1]\).\\ b. Montrer, en utilisant le résultat de la troisième question, que ( \(u_{n}\) ) est décroissante.\\ c. En déduire que la suite ( \(u_{n}\) ) converge et donner \(\lim _{n \rightarrow+\infty} u_{n}\). \section*{Problème} \section*{Partie 1 : étude d'un ensemble de matrices.} On considère les matrices suivantes de \(\mathcal{M}_{4}(\mathbb{R})\) : \[ I=\left(\begin{array}{llll} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right) ; J=\left(\begin{array}{llll} 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{array}\right) ; K=\left(\begin{array}{llll} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right) ; L=\left(\begin{array}{llll} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \end{array}\right) . \] On note \(E\) l'ensemble des matrices \(M\) s'écrivant \(W=a I+b J+c K+d L\), où \(a, b, c\) et \(d\) décrivent \(\mathbb{R}\). \begin{enumerate} \item a. Montrer que \(E\) est un espace vectoriel.\\ b. Montrer que la famille ( \(I, J, K, L\) ) est libre.\\ c. Donner la dimension de \(E\). \item a. Montrer, en les calculant explicitement, que \(J^{2}, K^{2}, L^{2}, J^{3}\) et \(K^{3}\) appartiennent à \(E\).\\ b. En déduire, sans aucun calcul matriciel, que \(J K, K J, K L, L K, J L\) et \(L J\) appartiennent aussi à \(E\).\\ c. Etablir enfin que le produit de deux matrices de \(E\) est encore une matrice de \(E\). \item a. Montrer que \(L\) est diagonalisable.\\ b. Déterminer les valeurs propres de \(L\) ainsi que les sous-espaces propres associés à ces valeurs propres. \item On considère les vecteurs : \(u_{1}=\left(\begin{array}{l}1 \\ 1 \\ 1 \\ 1\end{array}\right) ; u_{2}=\left(\begin{array}{c}1 \\ -1 \\ 1 \\ -1\end{array}\right) ; u_{3}=\left(\begin{array}{c}1 \\ 1 \\ -1 \\ -1\end{array}\right) ; u_{4}=\left(\begin{array}{c}1 \\ -1 \\ -1 \\ 1\end{array}\right)\).\\ a. Montrer que ( \(u_{1}, u_{2}, u_{3}, u_{4}\) ) est une base de \(\mathcal{M}_{4,1}(\mathbb{R})\).\\ b. Vérifier que \(u_{1}, u_{2}, u_{3}\) et \(u_{4}\) sont des vecteurs propres de \(L\) et de \(J+K\). \end{enumerate} \section*{Partie 2 : étude d'un mouvement aléatoire.} Dans cette partie, \(p\) désigne un rćel de \(] 0,1[\).\\ Les sommets d'un carré sont numérotés \(1,2,3\) et 4 de telle façon que les côtés du carré relient le sommet 1 au sommet 2 , le sommet 2 au sommet 3 , le sommet 3 au sommet 4 , le sommet 4 au sommet 1 , les diagonales reliant elles le sommet 1 au sommet 3 ainsi que le sommet 2 au sommet 4.\\ Un pion se déplace sur les sommets de ce carré selon le protocole suivant : \begin{itemize} \item Le pion est sur le sommet 1 au départ. \item Lorsque le pion est à un instant donné sur un sommet du carré, il se déplace à l'instant suivant vers un sommet voisin (relié par un côté) avec la probabilité \(p\) ou vers un sommet opposé (relié par une diagonale) avec la probabilité \(1-2 p\).\\ On note \(X_{n}\) la variable aléatoire égale au numéro du sommet sur lequel se trouve le pion à I'instant \(n\). On a done \(X_{0}=1\). \end{itemize} \begin{enumerate} \item a. Écrire la matrice \(A\), carrée d'ordre 4, dont le terme situé à l'intersection de la \(i^{\text {eme }}\) ligne et de la \(j\) eme colonne est égal à la probabilité conditionnelle \(P\left(K_{n-1}=i / X_{n}=j\right)\).\\ b. Vérifier que \(A\) s'écrit comme combinaison linéaire de \(J+K\) et \(L\). \item a. Pour tout \(i\) de \(\{1,2,3,4\}\), calculer \(A u_{\text {. }}\) En déduire qu'il existe une matrice \(D\) diagonale et une matrice \(P\) inversible telles que \(A=P D P^{-1}\). Expliciter \(D\) et \(P\).\\ b. Calculer \(P^{2}\) puis en déduire \(P^{-1}\). \item Pour tout \(n\) de \(\mathbb{N}\), on pose \(C_{n}=\left(\begin{array}{l}P\left(X_{n}=1\right) \\ P\left(X_{n}=2\right) \\ P\left(X_{n}=3\right) \\ P\left(X_{n}=4\right)\end{array}\right)\).\\ a. Montrer, à l'aide de la formule des probabilités totales, que \(C_{n-1}=A C_{n}\).\\ b. En déduire que \(C_{n}=\frac{1}{4} P D^{n} P C_{0}\), puis donner la loi de \(X_{n}\) pour tout entier naturel \(n\) supérieur on égal à 1 . \end{enumerate} \end{document}