\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{graphicx} \usepackage[export]{adjustbox} \graphicspath{ {./images/} } \title{Conception : HEC Paris } \author{OPTION ÉCONOMIQUE\\ MATHÉMATIQUES} \date{} \begin{document} \maketitle Mercredi 27 avril 2016, 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. L'utilisation de toute calculatrice et de tout matériel électronique est interdite. Seule l'utilisation d'une règle graduée est autorisée.\\ Si au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il la signalera sur sa copie et poursuivra sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il sera amené à prendre. \section*{EXERCICE} Soit \(n\) et \(p\) deux entiers supérieurs ou égaux à 1 . Si \(M\) est une matrice de \(\mathcal{M}_{n, p}(\mathbf{R})\), la matrice \({ }^{t} M\) de \(\mathcal{M}_{p, n}(\mathbf{R})\) désigne la transposée de \(M\).\\ On identifie les ensembles \(\mathcal{M}_{1,1}(\mathbf{R})\) et \(\mathbf{R}\) en assimilant une matrice de \(\mathcal{M}_{1,1}(\mathbf{R})\) à son unique cefficient.\\ On note \(\mathcal{B}_{n}\) la base canonique de \(\mathcal{M}_{n, 1}(\mathbf{R})\) et \(\mathcal{B}_{p}\) la base canonique de \(\mathcal{M}_{p, 1}(\mathbf{R})\).\\ Si \(M \in \mathcal{M}_{n, p}(\mathbf{R})\) et \(N \in \mathcal{M}_{p, q}(\mathbf{R})\left(q \in \mathbf{N}^{*}\right)\), on admet que \({ }^{t}(M N)={ }^{t} N^{t} M\). \begin{enumerate} \item Soit \(X\) une matrice colonne non nulle donnée de \(\mathcal{M}_{n, 1}(\mathbf{R})\) de composantes \(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n}\) dans la base \(\mathcal{B}_{n}\). \end{enumerate} On pose : \(A=X{ }^{t} X\) et \(\alpha={ }^{t} X X\).\\ a) Exprimer \(A\) et \(\alpha\) en fonction de \(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n}\). Justifier que la matrice \(A\) est diagonalisable.\\ b) Soit \(f\) l'endomorphisme de \(\mathcal{M}_{n, 1}(\mathbf{R})\) de matrice \(A\) dans la base \(\mathcal{B}_{n}\). Déterminer \(\operatorname{Im} f\) et \(\operatorname{Ker} f\); donner une base de \(\operatorname{Im} f\) et préciser la dimension de \(\operatorname{Ker} f\).\\ c) Calculer la matrice \(A X\). Déterminer les valeurs propres de \(A\) ainsi que les sous-espaces propres associés.\\ 2. On suppose que \(n\) et \(p\) vérifient: \(1 \leqslant p \leqslant n\). Soit ( \(V_{1}, V_{2}, \ldots, V_{p}\) ) une famille libre de \(p\) vecteurs de \(\mathcal{M}_{n, 1}(\mathbf{R})\). On note \(V\) la matrice de \(\mathcal{M}_{n, p}(\mathbf{R})\) dont les colonnes sont, dans cet ordre, \(V_{1}, V_{2}, \ldots, V_{p}\).\\ Soit \(g\) l'application linéaire de \(\mathcal{M}_{p, 1}(\mathbf{R})\) dans \(\mathcal{M}_{n, 1}(\mathbf{R})\) de matrice \(V\) dans les bases \(\mathcal{B}_{p}\) et \(\mathcal{B}_{n}\).\\ a) Justifier que le rang de \(V\) est égal à \(p\). Déterminer Ker \(g\).\\ b) Soit \(Y\) une matrice colonné de \(\mathcal{M}_{p, 1}(\mathbf{R})\). Montrer que l'on a \(V Y=0\) si et seulement si l'on a \({ }^{t} V V Y=0\).\\ c) En déduire que la matrice \({ }^{t} V V\) est inversible. \section*{PROBLÈME} On s'intéresse dans ce problème à quelques aspects mathématiques de la fonction de production d'une entreprise qui produit un certain bien à une époque donnée, à partir des deux facteurs de production travail et capital. \section*{Dans tout le problème :} \begin{itemize} \item On note respectivement \(x\) et \(y\) les quantités de travail et de capital requises pour produire une certaine quantité de ce bien. \end{itemize} \begin{itemize} \item On suppose que \(x>0\) et \(y>0\). On pose: \(\mathcal{D}=\left(\mathbf{R}_{+}^{*}\right)^{2}\) et pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}, z=\frac{x}{y}\). \end{itemize} La partie III est indépendante des parties I et II. \section*{Partie I. Fonction de production CES (Constant Elasticity of Substitution).} Dans toute cette partie, on note \(c\) un réel vérifiant \(00, w(t)=\frac{2 t}{1+t}\) et \(U(t)=w(t)-t w^{\prime}(t)\). \end{enumerate} Dresser le tableau de variation de la fonction \(U\) sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\) et étudier la convexité de \(U\) sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\).\\ c) On rappelle que \(z=\frac{x}{y}\). Montrer que pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\), on a : \(f(x, y)=y w(z)\).\\ d) Vérifier pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\), les relations : \(\partial_{1}(f)(x, y)=w^{\prime}(z)\) et \(\partial_{2}(f)(x, y)=U(z)\).\\ 2.a) Montrer que pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\) et pour tout réel \(\lambda>0\), on a : \(f(\lambda x, \lambda y)=\lambda f(x, y)\).\\ b) Justifier que \(f\) est de classe \(C^{2}\) sur \(\mathcal{D}\) et, pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\), calculer \(\partial_{1}(f)(x, y)\) et \(\partial_{2}(f)(x, y)\).\\ c) Déterminer pour tout \(y>0\) fixé, le signe et la monotonie de la fonction \(x \longmapsto \partial_{1}(f)(x, y)\). De même, déterminer pour tout \(x>0\) fixé, le signe et la monotonie de la fonction \(y \longmapsto \partial_{2}(f)(x, y)\).\\ 3. Soit \(G\) la fonction définie sur \(\mathcal{D}\) par \(G(x, y)=\frac{\partial_{1}(f)(x, y)}{\partial_{2}(f)(x, y)}\) (taux marginal de substitution technique) et \(g\) la fonction définie sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\) par: \(\forall t>0, g(t)=\frac{c}{1-c} t^{-1+\theta}\).\\ a) Pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\), exprimer \(G(x, y)\) en fonction de \(g(z)\).\\ b) Pour tout \(t>0\), on pose : \(s(t)=-\frac{g(t)}{t g^{\prime}(t)}\). Calculer \(s(z)\) (élasticité de substitution). Conclusion.\\ 4. Soit \(w\) et \(U\) les fonctions définies sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\) par : \(\forall t>0, w(t)=f(t, 1)\) et \(U(t)=w(t)-t w^{\prime}(t)\).\\ a) Montrer que pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\), on a : \(f(x, y)=y w(z)\).\\ b) En distinguant les deux cas \(0<\theta<1\) et \(\theta<0\), dresser le tableau de variation de \(U\) sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\). Préciser \(\lim _{t \rightarrow 0^{+}} U(t)_{,} \lim _{t \rightarrow+\infty} U(t)\) ainsi que la convexité de \(U\) sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\). \section*{Partie II. Caractérisation des fonctions de production à élasticité de substitution constante.} Dans toute cette partie, on note \(\Psi\) une fonction définie et de classe \(C^{2}\) sur \(\mathcal{D}\), à valeurs dans \(\mathbf{R}_{+}^{*}\), vérifiant la condition \(\Psi(1,1)=1\) et pour tout réel \(\lambda>0\), la relation : \(\Psi(\lambda x, \lambda y)=\lambda \Psi(x, y)\).\\ De plus, on suppose que pour tout \(y>0\) fixé, la fonction \(x \longmapsto \partial_{1}(\Psi)(x, y)\) est strictement positive et strictement décroissante et que pour tout \(x>0\) fixé, la fonction \(y \longmapsto \partial_{2}(\Psi)(x, y)\) est également strictement positive et strictement décroissante.\\ 5. Soit \(v\) la fonction définie sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\) par : \(\forall t>0, v(t)=\Psi(t, 1)\).\\ a) Justifier que la fonction \(v\) est de classe \(C^{2}\), strictement croissante et concave sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\).\\ b) Soit \(\varphi\) la fonction définie sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\) par: \(\forall t>0, \varphi(t)=v(t)-t v^{\prime}(t)\). On suppose l'existence de la limite de \(\varphi(t)\) lorsque \(t\) tend vers 0 par valeurs supérieures et que \(\lim _{t \rightarrow 0^{+}} \varphi(t)=\mu\), avec \(\mu \geqslant 0\). Déterminer pour tout \(t>0\), le signe de \(\varphi(t)\) et montrer que \(\mu<1\).\\ c) Montrer que : \(\forall(x, y) \in \mathcal{D}, \Psi(x, y)=y v(z)\).\\ 6.a) Pour tout \(t>0\), on pose : \(h(t)=\frac{v^{\prime}(t)}{\varphi(t)}\). Montrer que pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\), on a : \(\frac{\partial_{1}(\Psi)(x, y)}{\partial_{2}(\Psi)(x, y)}=h(z)\).\\ b) Pour tout \(t>0\), on pose : \(\sigma(t)=-\frac{h(t)}{t h^{\prime}(t)}\). Déterminer pour tout \(t>0\), le signe de \(\sigma(t)\).\\ 7. Les fonctions \(\sigma\) et \(h\) sont celles qui ont été définies dans la question 6. On suppose que la fonction \(\sigma\) est constante sur \(\mathbf{R}_{+}^{*}\); on note \(\sigma_{0}\) cette constante et on suppose que \(\sigma_{0} \neq 1\). On pose : \(r=1-\frac{1}{\sigma_{0}}\).\\ a) Pour tout \(t>0\), on pose : \(\ell(t)=t^{1-r} h(t)\). Calculer \(\ell^{\prime}(t)\) et en déduire que : \(\forall t>0, h(t)=h(1) t^{r-1}\).\\ b) Par une méthode analogue à celle de la question 7.a), établir la relation : \(\forall t>0, v(t)=\left(\frac{1+h(1) t^{r}}{1+h(1)}\right)^{\frac{1}{r}}\).\\ c) En déduire l'existence d'une constante a \(\in] 0,1\) [ telle que : \(\forall(x, y) \in \mathcal{D}, \Psi(x, y)=\left(a x^{r}+(1-a) y^{r}\right)^{\frac{1}{r}}\).\\ d) Quelle conclusion peut-on tirer des résultats des questions 3.b) et \(7 . c\) )?\\ 8. Soit \(a \in] 0,1\left[\right.\). Pour tout \(t>0\), soit \(S_{t}\) la fonction définie sur \(]-\infty, 1\left[\backslash\{0\}\right.\) par : \(S_{t}(r)=\left(a t^{r}+(1-a)\right)^{\frac{1}{r}}\).\\ a) On pose : \(H_{t}(r)=\ln S_{t}(r)\). Calculer la limite de \(S_{t}(r)\) lorsque \(r\) tend vers 0 .\\ b) Pour tout couple \((x, y) \in \mathcal{D}\) fixé, on pose : \(N_{(x, y)}(r)=y S_{z}(r)\) et \(F(x, y)=\lim _{r \rightarrow 0} N_{(x, y)}(r)\). Montrer que pour tout \((x, y) \in \mathcal{D}\), on a : \(F(x, y)=x^{a} y^{1-a}\) (fonction de production de Cobb-Douglas). \section*{Partie III. Estimation des paramètres d'une fonction de production de Cobb-Douglas.} Soît \(a\) un réel vérifiant \(00\). \item La production totale \(Q\) est une variable aléatoire à valeurs strictement positives telle que : \end{itemize} \[ Q=B x^{a} y^{1-a} \exp (R) . \] On suppose que les variables aléatoires \(Q\) et \(R\) sont définies sur un même espace probabilisé \((\Omega, \mathcal{A}, P)\).\\ On pose \(: b=\ln B, u=\ln x-\ln y\) et \(T=\ln Q-\ln y\). On a donc \(: T=a u+b+R\).\\ On sélectionne \(n\) entreprises \((n \geqslant 1)\) qui produisent le bien considéré à l'époque donnée.\\ On mesure pour chaque entreprise \(i(i \in \llbracket 1, n \rrbracket)\) la quantité de travail \(x_{i}\) et la quantité de capital \(y_{i}\) utilisées ainsi que la quantité produite \(Q_{i}^{*}\). On suppose que pour tout \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket\), on a \(x_{i}>0, y_{i}>0\) et \(Q_{i}^{*}>0\).\\ Pour tout \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket\), la production totale de l'entreprise \(i\) est alors une variable aléatoire \(Q_{i}\) telle que \(Q_{i}=B x_{i}^{a} y_{i}^{1-a} \exp \left(R_{i}\right)\), où \(R_{1}, R_{2}, \ldots, R_{n}\) sont des variables aléatoires supposées indépendantes et de même loi que \(R\) et le réel strictement positif \(Q_{i}^{*}\) est une réalisation de la variable aléatoire \(Q_{i}\).\\ On pose pour tout \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket: u_{i}=\ln x_{i}-\ln y_{i}, T_{i}=\ln Q_{i}-\ln y_{i}\) et \(t_{i}=\ln Q_{i}^{*}-\ln y_{i}\). Ainsi, pour chaque entreprise \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket\), on a : \(T_{2}=a u_{i}+b+R_{i}\) et le réel \(t_{i}\) est une réalisation de la variable aléatoire \(T_{i}\). On rappelle les définitions et résultats suivants : \begin{itemize} \item Si \(\left(v_{i}\right)_{1 \leqslant i \leqslant n}\) est une série statistique, la moyenne et la variance empiriques, notées respectivement \(\bar{v}\) et \(s_{v}^{2}\), sont données par : \(\bar{v}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} v_{i}\) et \(s_{v}^{2}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}\left(v_{i}-\bar{v}\right)^{2}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} v_{i}^{2}-\bar{v}^{2}\). \item Si \(\left(v_{i}\right)_{1 \leqslant i \leqslant n}\) et \(\left(w_{i}\right)_{1 \leqslant i \leqslant n}\) sont deux séries statistiques, la covariance empirique de la série double \(\left(v_{i}, w_{i}\right)_{1 \leqslant i \leqslant n}\), notée \(\operatorname{Cov}(v, w)\), est donnée par \(: \operatorname{Cov}(v, w)=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}\left(v_{i}-\bar{v}\right)\left(w_{i}-\bar{w}\right)=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} v_{i} w_{i}-\bar{v} \bar{w}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}\left(v_{i}-\bar{v}\right) w_{i}\).\\ 9.a) Montrer que pour tout \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket\), la variable aléatoire \(T_{i}\) suit la loi normale \(\mathcal{N}\left(a u_{i}+b, \sigma^{2}\right)\).\\ b) Les variables aléatoires \(T_{1}, T_{2}, \ldots, T_{n}\) sont-elles indépendantes? \end{itemize} Pour tout \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket\), soit \(\varphi_{i}\) la densité continue sur \(\mathbf{R}\) de \(T_{i}: \forall d \in \mathbf{R}, \varphi_{i}(d)=\frac{1}{\sigma \sqrt{2 \pi}} \exp \left(-\frac{1}{2 \sigma^{2}}\left(d-\left(a u_{i}+b\right)\right)^{2}\right)\). Soit \(\mathcal{F}\) l'ouvert défini par \(\mathcal{F}=] 0,1\left[\times \mathbf{R}\right.\) et \(M\) la fonction de \(\mathcal{F}\) dans \(\mathbf{R}\) définie par : \(M(a, b)=\ln \left(\prod_{i=1}^{n} \varphi_{i}\left(t_{i}\right)\right)\).\\ On suppose que : \(0<\operatorname{Cov}(u, t)