\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{Conception : HEC Paris } \author{} \date{} \begin{document} \maketitle \section*{OPTION ÉCONOMIQUE} \section*{MATHEMATIQUES} Lundi 30 avril 2018, de 14 h. à 18 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.\\ Aucun document n'est autorisé. 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 \(n\) un entier supérieur ou égal à 2 et \(f\) un endomorphisme de \(\mathbf{R}^{n}\). \begin{itemize} \item On note \(\mathrm{Id}_{\mathbf{R}^{n}}\) l'endomorphisme identité de \(\mathbf{R}^{n}\) et \(0_{\mathcal{L}\left(\mathbf{R}^{n}\right)}\) l'endomorphisme nul de \(\mathbf{R}^{n}\). \item On pose : \(f^{0}=\operatorname{Id}_{\mathbf{R}^{n}}\) et \(\forall j \in \mathbb{N}, f^{j+1}=f \circ f^{j}\). \item On suppose que \(f^{n}\) est l'endomorphisme nul de \(\mathbf{R}^{n}: f^{n}=0_{\mathcal{L}\left(\mathbf{R}^{n}\right)}\). \end{itemize} \begin{enumerate} \item Soit \(M\) la matrice définie par : \(M=\left(\begin{array}{llll}0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0\end{array}\right)\).\\ a) Déterminer le spectre de \(M\). La matrice \(M\) est-elle diagonalisable?\\ b) Préciser le rang des matrices \(M\) et \(M^{2}\) respectivement.\\ c) Quels sont les polynômes annulateurs de \(M\) dont le degré est égal à 3 ? \item Pour tout \(j \in \llbracket 0, n \rrbracket\), on note \(F_{j}\) l'image de l'endomorphisme \(f^{j}\) et \(r_{j}\) son rang : \(F_{j}=\operatorname{Im}\left(f^{j}\right)\) et \(r_{j}=\operatorname{dim}\left(F_{j}\right)\). Pour tout \(j \in \llbracket 0, n-1 \rrbracket\), on note \(g_{j}\) la restriction de \(f\) à \(F_{j}\), c'est-à-dire l'application linéaire de \(F_{j}\) dans \(\mathbf{R}^{n}\) définie par: \(\forall x \in F_{j}, g_{j}(x)=f(x)\).\\ a) Calculer \(r_{0}\) et \(r_{r_{2}}\).\\ b) Soit \(j \in \llbracket 0, n-1 \rrbracket\).\\ (i) Déterminer le rang de \(g_{j}\).\\ (ii) Justifier l'égalité : \(r_{j}-r_{j+1}=\operatorname{dim}\left(\operatorname{Ker}(f) \cap F_{j}\right)\).\\ c) Établir les inégalités : \(n \geqslant r_{0}-r_{1} \geqslant r_{1}-r_{2} \geqslant \cdots \geqslant r_{n-1}-r_{n} \geqslant 0\). \end{enumerate} On rappelle que le cardinal d'un ensemble fini \(H\), noté Card \((H)\), est le nombre de ses éléments.\\ Pour tout \(k \in \mathbb{N}^{*}\), on note \(P(k)\) l'ensemble des \(k\)-uplets \(\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{k}\right)\) d'entiers naturels tels que \(\sum_{i=1}^{k} i x_{i}=k\), c'est-à-dire: \(P(k)=\left\{\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{k}\right) \in \mathrm{N}^{k} ; x_{1}+2 x_{2}+\cdots+k x_{k}=k\right\}\). On pose: \(p(k)=\operatorname{Card}(P(k))\).\\ 3. Pour tout \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket\), on pose : \(x_{i}=\operatorname{Card}\left(\left\{j \in \llbracket 0, n-1 \rrbracket ; r_{j}-r_{j+1}=i\right\}\right)\)\\ a) Montrer que \(\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n}\right)\) est un élément de \(P(n)\).\\ b) Dans cette question, on suppose que \(n\) est égal à 4 .\\ (i) Déterminer \(\left(x_{1}, x_{2}, x_{3}, x_{4}\right)\) lorsque \(f\) est l'endomorphisme de matrice \(M\) dans la base canonique de \(\mathbf{R}^{4}\).\\ (ii) Trouver l'ensemble \(P(4)\) et vérifier que \(p(4)=5\).\\ (iii) Montrer que pour tout \(\left(x_{1}, x_{2}, x_{3}, x_{4}\right) \in P(4)\), il existe un endomorphisme \(f\) de \(\mathbf{R}^{4}\) vérifiant ( \(*\) ).\\ 4. Pour tout couple \((\ell, k) \in\left(\mathrm{N}^{*}\right)^{2}\), on pose : \(Q(\ell, k)=\left\{\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{k}\right) \in P(k) ; x_{1}+x_{2}+\cdots+x_{k} \leqslant \ell\right\}\) et \(q(\ell, k)=\operatorname{Card}(Q(\ell, k))\).\\ a) Soit \(k \in \mathbb{N}^{*}\).\\ (i) Trouver l'ensemble \(Q(1, k)\).\\ (ii) Pour tout entier \(\ell \geqslant k\), justifier l'égalité : \(Q(\ell, k)=P(k)\).\\ b) Pour tout couple ( \(\ell, k\) ) d'entiers tels que \(k>\ell \geqslant 2\), établir la relation : \[ q(\ell, k-\ell)=\operatorname{Card}\left(\left\{\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{k}\right) \in P(k) ; x_{1}+x_{2}+\cdots+x_{k}=\ell\right\}\right) . \] c) Soit \(\ell\) un entier supérieur ou égal à 2 .\\ (i) Pour tout entier \(k>\ell\), montrer l'égalité : \(q(\ell, k)=q(\ell-1, k)+q(\ell, k-\ell)\).\\ (ii) Que vaut \(q(\ell, \ell)-q(\ell-1, \ell)\) ?\\ 5. La fonction Scilab suivante dont le script est incomplet (lignes (5) et (6)), calcule une matrice qmatrix (n) telle que pour chaque couple \((\ell, k) \in \llbracket 1, n \rrbracket^{2}\), le coefficient situé à lintersection de la ligne \(\ell\) et de la colonne \(k\) est égal à \(q(\ell, k)\). \begin{verbatim} function q=qmatrix(n) q=ones(n,n); for L=2 : n for K=2 : n if (K0\).\\ b) Pour tout réel \(\varepsilon\) tel que \(0<\varepsilon<\frac{1}{2}\), établir à l'aide d'un changement de variable affine, l'égalité : \end{enumerate} \[ \int_{\frac{1}{2}}^{1-\varepsilon} t^{x-1}(1-t)^{y-1} \mathrm{~d} t=\int_{\varepsilon}^{\frac{1}{2}} t^{y-1}(1-t)^{x-1} \mathrm{~d} t \] c) En déduire que l'intégrale \(\int_{0}^{1} t^{x-1}(1-t)^{y-1} \mathrm{~d} t\) est convergente si et seulement si \(x>0\) et \(y>0\). Dans toute la suite du problème, on pose: \(\forall(x, y) \in\left(\mathbf{R}_{+}^{*}\right)^{2}, B(x, y)=\int_{0}^{1} t^{x-1}(1-t)^{y-1} \mathrm{~d} t\).\\ 5. Soit \(x\) et \(y\) des réels strictement positifs.\\ a) À l'aide d'une intégration par parties, établir la relation : \(B(x+1, y)=\frac{x}{y} \times B(x, y+1)\).\\ b) En déduire l'égalité : \(B(x, y+1)=\frac{y}{x+y} \times B(x, y)\).\\ 6. Pour tout réel \(z\), soit \(\left((z)^{[m]}\right)_{n \in \mathbb{N}}\) la suite définie par : \((z)^{[0]}=1\) et \(\forall m \in \mathbb{N},(z)^{[m+1]}=(z+m) \times(z)^{[m]}\). (par exemple, pour tout \(m \in \mathbf{N}\), on a : \((1)^{[m]}=m!\) )\\ Établir pour tout \((x, y) \in\left(\mathbf{R}_{+}^{*}\right)^{2}\) et pour tout couple \((k, \ell)\) d'entiers tels que \(0 \leqslant k \leqslant \ell\), la relation : \[ B(x+k, y+\ell-k)=\frac{(x)^{[k]} \times(y)^{[\ell-k]}}{(x+y)^{[\ell]}} \times B(x, y) . \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{6} \item Soit \(a\) et \(b\) des réels strictement positifs. \end{enumerate} Pour tout \(k \in \llbracket 0, n \rrbracket\), on pose : \(p_{k}=\binom{n}{k} \frac{(a)^{[k]} \times(b)^{[n-k]}}{(a+b)^{[n]}}\).\\ a) À l'aide de la relation obtenue dans la question 6 , montrer que \(\sum_{k=0}^{n} p_{k}=1\). On dit qu'une variable aléatoire \(S\) suit la loi bêta-binomiale \(\mathbf{B}(n ; a, b)\) si \(S(\Omega)=\llbracket 0, n \rrbracket\) et si : \[ \forall k \in[0, n], P([S=k])=\binom{n}{k} \frac{(a)^{[k]} \times(b)^{[n-k]}}{(a+b)^{[n]}} . \] b) Reconnaître la loi \(\mathrm{B}(n ; 1,1)\).\\ c) Montrer que l'espérance d'une variable aléatoire \(S\) qui suit la loi \(\mathrm{B}(n ; a, b)\) est égale à \(\frac{n a}{a+b}\). \section*{Partie III. Un modèle possible dans le cas où \(n=2\)} Soit \(a\) et \(b\) des réels strictement positifs et \(X_{1}\) et \(X_{2}\) deux variables aléatoires à valeurs dans \(\{0,1\}\) telles que: \[ \forall\left(x_{1}, x_{2}\right) \in\{0,1\}^{2}, P\left(\left[X_{1}=x_{1}\right] \cap\left[X_{2}=x_{2}\right]\right)=\frac{B\left(a+x_{1}+x_{2}, b+2-x_{1}-x_{2}\right)}{B(a, b)} . \] 8.a) Montrer que les deux variables aléatoires \(X_{1}\) et \(X_{2}\) suivent la même loi de Bernoulli.\\ b) Montrer que la variable aléatoire \(X_{1}+X_{2}\) suit la loi bêta-binomiale \(\mathrm{B}(2 ; a, b)\).\\ c) Établir la relation : \(P_{\left[X_{1}=1\right]}\left(\left[X_{2}=1\right]\right)=\frac{a+1}{a+b+1}\).\\ 9. La fonction Scilab suivante dont le script est incomplet (lignes (5) et (6)), effectue une simulation des deux variables aléatoires \(X_{1}\) et \(X_{2}\) qu'elle place dans un vecteur ligne à deux composantes.\\ (1) function \(x=\) randbetabin \((a, b)\)\\ (2) \(x=z \operatorname{eros}(1,2)\);\\ (3) \(\quad u=(a+b) * \operatorname{rand}()\);\\ (4) \(\quad v=(a+b+1) * \operatorname{rand}()\);\\ (5) if \((u