\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} \begin{document} \section*{Epreuve maths 3 voie économique} \section*{EXERCICE 1 : algèbre linéaire et probabilités} Dans cet exercice, on désigne par \(p\) un nombre entier naturel non nul et par \(\mathbb{R}_{p}[X]\) l'espace vectoriel des fonctions polynômes de degré inférieur ou égal à \(p\). \begin{enumerate} \item Étude d'un endomorphisme \(\phi\) de \(\mathbb{R}_{p}[X]\)\\ a : On associe à toute fonction polynôme P la fonction \(\widehat{P}\) définie sur \(\mathbb{R}\) par : \end{enumerate} \[ \widehat{P}(x)=\frac{1}{x-1} \int_{1}^{x} P(t) d t \quad \text { si } x \neq 1 \quad \text { et } \quad \widehat{P}(1)=P(1) \] \begin{itemize} \item Montrer que la fonction \(x \rightarrow \int_{1}^{x} P(t) d t\) est une fonction polynôme admettant 1 pour racine. \item Montrer que la fonction \(\widehat{P}\) est une fonction polynôme de même degré que \(P\) lorsque \(P \neq 0\).\\ b : On considère l'application \(\phi\) associant à toute fonction polynôme \(P\) appartenant à \(\mathbb{R}_{p}[X]\) la fonction polynôme \(\widehat{P}\) définie ci-dessus.\\ Montrer que \(\phi\) est un endomorphisme de \(\mathbb{R}_{p}[X]\). Est-il injectif? surjectif?\\ \(\mathbf{c}\) : Déterminer les images par \(\phi\) des fonctions polynômes \(\quad e_{k}: x \rightarrow x^{k} \quad\) pour \(0 \leqslant k \leqslant p\), puis en déduire la matrice de \(\phi\) dans la base canonique de \(\mathbb{R}_{p}[X]\).\\ d: Quelles sont les valeurs propres de \(\phi\) ? \(\phi\) est-il diagonalisable? \end{itemize} \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{1} \item Étude des éléments propres de l'endomorphisme \(\phi\)\\ a: Déterminer les fonctions propres de \(\phi\) associée à la valeur propre 1 .\\ b : On considère une valeur propre \(\lambda\) de \(\phi\) et une fonction polynôme propre associée \(P\).\\ Montrer que, pour tout nombre réel \(x\) : \end{enumerate} \[ (1-\lambda) P(x)=\lambda(x-1) P^{\prime}(x) \] En déduire, si \(\lambda \neq 1\), que 1 est nécessairement racine de \(P\).\\ \(\mathbf{c}\) : Déterminer les images par \(\phi\) des fonctions polynômes \(\quad P_{k}: \operatorname{xrightarrow~}(x-1)^{k} \quad\) pour \(0 \leqslant k \leqslant p\) et montrer que ( \(P_{0}, P_{l}, \ldots, P_{p}\) ) est une base de \(\mathbb{R}_{p}[X]\).\\ d: On considère une fonction polynôme \(P\) exprimée comme suit dans la base précédente: \[ P=a_{0} P_{0}+a_{1} P_{1}+\ldots+a_{p} P_{p} \] Montrer que \(a_{0}=P(1)\), calculer \(\Phi_{1}=\phi(P), \Phi_{2}=(\phi \circ \phi)(P)\) puis \(\Phi_{n}=\phi^{n}(P)\) pour \(n \in \mathbb{N}^{*}\). Déterminer pour tout nombre réel \(x\) la limite de \(\Phi_{n}(x)\) quand \(n\) tend vers \(+\infty\) et en déduire en particulier que, si \(P(x)=x^{p}\), la limite de \(\Phi_{n}(x)\) quand \(n\) tend vers \(+\infty\) est égale à 1 .\\ 3) Application à une marche aléatoire Un individu se déplace sur les points d'abscisse \(0,1,2, p\) selon les règles suivantes : \begin{itemize} \item il est au point d'abscisse \(p\) à l'instant 0 . \item il est au point d'abscisse \(k(0 \leqslant k \leqslant p)\) à l'instant \(n(n \in \mathbb{N})\), il est de façon équiprobable en l'un des \(k+1\) points d'abscisses \(0,1, \ldots, k\) à l'instant \(n+1\). \end{itemize} Pour tout nombre entier naturel \(n\), on désigne par \(X_{n}\) la variable aléatoire indiquant l'abscisse du point où se trouve l'individu à l'instant \(n\) et par \(E\left(X_{n}\right)\), son espérance.\\ a : Exprimer à l'aide du théorème des probabilités totales la probabilité \(P\left(X_{n+1}=k\right)\) où \(0 \leqslant k \leqslant p\) en fonction des probabilités \(P\left(X_{n}=0\right), P\left(X_{n}=1\right), \ldots P\left(X_{n}=p\right)\).\\ b : En déduire une matrice carrée \(M\) telle que \(U_{n+1}=M U_{n}\) où \(U_{n}\) désigne la matrice-colonne dont les éléments sont du haut vers le bas \(P\left(X_{n}=0\right), P\left(X_{n}=1\right), \ldots P\left(X_{n}=p\right)\).\\ \(\mathbf{c}\) : Exprimer le produit matriciel \(\left(\begin{array}{lllll}0 & 1 & 2 & \ldots & p\end{array}\right) M\) en fonction de \(\left(\begin{array}{lllll}0 & 1 & 2 & \ldots & p\end{array}\right)\). En multipliant l'égalité \(U_{n+1}=M . U_{n}\) à gauche par la matrice-ligne ( \(\begin{array}{lllll}0 & 1 & 2 & \ldots & p\end{array}\) ), exprimer \(E\left(X_{n+1}\right)\) en fonction de \(E\left(X_{n}\right)\) puis préciser \(E\left(X_{n}\right)\) en fonction de \(n\) ainsi que sa limite.\\ d : Préciser \(U_{0}\), puis donner \(U_{n}\) en fonction de \(M\) et de \(n\).\\ En déduire, à l'aide de la question 2.d que les \(p+1\) composantes de \(U_{n}\) ont pour limites (de haut en bas) \(1,0,0, \ldots, 0\) quand \(n\) tend vers \(+\infty\) puis interpréter ce résultat. \section*{EXERCICE 2 : probabilités et simulation informatique} On considère une suite de lancers successifs (supposés indépendants) d'une pièce de monnaie, pour laquelle la probabilité d'apparition de pile, noté P , est \(p\) et celle de face, noté \(\mathbf{F}\), est \(q\), avec \(0