\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*{E.M.Lyon. Math 1 . Option S. 2003} \section*{PROBLEME 1} On considère l'application \(\varphi:[0 ;+\infty[\rightarrow \mathbb{R}\) définie, pour tout réel \(t \in[0 ;+\infty[\), par : \[ \varphi(t)= \begin{cases}\frac{\sin t}{t} & \text { si } t \neq 0 \\ 1 & \text { si } t=0\end{cases} \] et on considère, pour tout entier \(n \geqslant 1\), les intégrales : \[ I_{n}=\int_{0}^{+\infty}(\varphi(t))^{n} \mathrm{~d} t, \quad J_{n}=\int_{0}^{1}(\varphi(t))^{n} \mathrm{~d} t, \quad K_{n}=\int_{1}^{+\infty}(\varphi(t))^{n} \mathrm{~d} t \] \section*{Partie I: Résultats généraux sur \(\varphi\) et \(J_{n}\)} \begin{enumerate} \item Montrer que \(\varphi\) est continue sur \(\left[0 ;+\infty\left[\right.\right.\) et que, pour tout entier \(n \geqslant 1\), l'intégrale \(J_{n}\) existe.\\ 2)a) Montrer que \(\varphi\) est strictement positive sur \([0 ; 1]\) et que \(\varphi\) est strictement décroissante sur \([0 ; 1]\).\\ b) Établir, pour tout réel \(t \in] 0,+\infty[: \quad|\varphi(t)|<1\).\\ 3)a) Montrer, pour tout réel \(t \in[0 ;+\infty[: \quad \varphi(t) \geqslant 1-t\).\\ (On pourra étudier les variations sur \(\left[0 ;+\infty\left[\right.\right.\) de l'application \(t \mapsto \sin t-t+t^{2}\) ).\\ b) En déduire, pour tout entier \(n \geqslant 1: \quad J_{n} \geqslant \frac{1}{n+1}\). \end{enumerate} \section*{Partie II : Étude de \(I_{1}\)} 1)a) Montrer, pour tout réel \(x \in\left[1 ;+\infty\left[\right.\right.\) : \(\int_{1}^{x} \frac{\sin t}{t} \mathrm{~d} t=\cos 1-\frac{\cos x}{x}-\int_{1}^{x} \frac{\cos t}{t^{2}} \mathrm{~d} t\).\\ b) En déduire que les intégrales \(K_{1}\) et \(I_{1}\) sont convergentes.\\ 2)a) Montrer, pour tout réel \(t \in\left[0 ;+\infty\left[: \quad|\sin t| \geqslant \sin ^{2} t=\frac{1}{2}(1-\cos (2 t))\right.\right.\).\\ b) Montrer que l'intégrale \(\int_{1}^{+\infty} \frac{\cos (2 t)}{2 t} \mathrm{~d} t\) converge.\\ c) Déduire des deux questions précédentes que l'intégrale \(I_{1}\) n'est pas absolument convergente. Partie III : Étude de \(I_{n}\), pour \(n \geqslant 2\)\\ 1)a) Montrer que, pour tout entier \(n \geqslant 2\), l'intégrale \(K_{n}\) est convergente.\\ b) Établir, pour tout entier \(n \geqslant 2:\left|K_{n}\right| \leqslant \frac{1}{n-1}\)\\ 2)a) Montrer que la suite \(\left(J_{n}\right)_{n \geqslant 2}\) est décroissante.\\ b) Montrer que la suite \(\left(J_{n}\right)_{n \geqslant 2}\) converge ; on note \(\ell\) sa limite.\\ c) Établir, pour tout entier \(n \geqslant 2\) et tout réel \(a \in] 0 ; 1[\) : \[ \int_{0}^{a}(\varphi(t))^{n} \mathrm{~d} t \leqslant a \quad \text { et } \quad \int_{a}^{1}(\varphi(t))^{n} \mathrm{~d} t \leqslant(1-a)(\varphi(a))^{n} \] (On pourra utiliser I.2.).\\ d) En déduire, pour tout réel \(a \in] 0 ; 1[: 0 \leqslant \ell \leqslant a\) et conclure : \(\ell=0\).\\ 3)a) Montrer que, pour tout entier \(n \geqslant 2\), l'intégrale \(I_{n}\) est convergente.\\ b) Établir : \(\lim _{n \rightarrow+\infty} I_{n}=0\). \section*{Partie IV : Étude de la série de terme général \(I_{n}, n \geqslant 2\)} \begin{enumerate} \item Montrer, pour tout entier \(p \geqslant 1\) : \(K_{2 p}+K_{2 p+1} \geqslant 0\). \item En déduire, pour tout entier \(N \geqslant 1\) : \end{enumerate} \[ \sum_{p=1}^{N}\left(I_{2 p}+I_{2 p+1}\right) \geqslant \sum_{p=1}^{N}\left(J_{2 p}+J_{2 p+1}\right) \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item En déduire que la série \(\sum_{n \geqslant 2} I_{n}\) diverge. (On pourra utiliser I.3.b.). \end{enumerate} \section*{PROBLEME 2} Dans tout le problème, \(n\) est un entier naturel supérieur ou égal à 2 , et \(E\) est un espace euclidien de dimension \(n\) dont le produit scalaire est noté \(\langle.,\).\(\rangle et la norme associée est notée \|\).\(\| . On note i d_{E}\) l'application identique de \(E\), et \(\tilde{0}\) l'application nulle de \(E\).\\ Si \(F\) est un sous-espace vectoriel de \(E\), on note \(F^{\perp}\) le sous-espace vectoriel supplémentaire orthogonal de \(F\) dans E.\\ Le projecteur de \(E\) sur \(F\) parallèlement à \(F^{\perp}\) est appelé projecteur orthogonal sur \(F\).\\ Pour tout endomorphisme \(f\) de \(E\) et toute valeur propre \(\lambda\) de \(f\), on note \(E_{f}(\lambda)\) le sous-espace propre de \(f\) associé à la valeur propre \(\lambda\). \section*{Partie I: Inverse généralisé d'un endomorphisme symétrique} On considère un endomorphisme symétrique \(f\) de \(E\), c'est-à-dire un endomorphisme \(f\) tel que : \[ \forall(x, y) \in E^{2}, \quad\langle f(x), y\rangle=\langle x, f(y)\rangle \] On suppose de plus que \(f\) est non inversible et non nul. \begin{enumerate} \item Montrer que 0 est valeur propre de \(f\) et que \(f\) admet au-moins une valeur propre non nulle.\\ 2)a) Soient \(\lambda\) et \(\mu\) deux valeurs propres de \(f\). \end{enumerate} Montrer, pour tout vecteur \(x\) de \(E_{f}(\lambda)\) et pour tout vecteur \(y\) de \(E_{f}(\mu)\) : \[ \lambda\langle x, y\rangle=\mu\langle x, y\rangle \] b) En déduire que les sous-espaces propres de \(f\) sont deux à deux orthogonaux.\\ 3) Montrer que les sous-espaces vectoriels \(\operatorname{Im} f\) et \(\operatorname{Ker} f\) sont supplémentaires orthogonaux dans \(E\). On suppose que \(f\) admet exactement \(k+1\) valeurs propres deux à deux distinctes \(\lambda_{0}, \lambda_{1}, \ldots, \lambda_{k}\) avec \(k \geqslant 1, \quad \lambda_{0}=0\) et \(0<\left|\lambda_{1}\right| \leqslant \ldots \leqslant\left|\lambda_{k}\right|\).\\ Pour tout entier naturel \(j\) inférieur ou égal à \(k\), on note \(p_{j}\) le projecteur orthogonal sur \(E_{f}\left(\lambda_{j}\right)\).\\ 4) Soit \(x\) un vecteur de \(E\).\\ a) Montrer qu'il existe un unique ( \(k+1\) )-uplet ( \(x_{0}, x_{1} \ldots, x_{k}\) ) de \(E_{f}(0) \times E_{f}\left(\lambda_{1}\right) \times \cdots \times E_{f}\left(\lambda_{k}\right)\) tel que \(x=x_{0}+x_{1}+\ldots+x_{k}\).\\ b) Pour tout entier naturel \(j\) inférieur ou égal à \(k\), montrer : \(p_{j}(x)=x_{j}\). Ainsi, la relation suivante est clairement vérifiée : \[ i d_{E}=p_{0}+p_{1}+\ldots+p_{k} \] 5)a) Etablir, pour tout couple \((i, j)\) d'entiers naturels inférieurs ou égaux à \(k\) : \[ i \neq j \Longrightarrow p_{i} \circ p_{j}=\tilde{0} \] b) Montrer : \(\quad f=\lambda_{1} p_{1}+\lambda_{2} p_{2}+\cdots+\lambda_{k} p_{k}\).\\ c) Montrer que le projecteur orthogonal \(p\) sur \(\operatorname{Im} f\) vérifie : \[ p=p_{1}+p_{2}+\cdots+p_{k} \] On note \(f^{\sharp}\) l'endomorphisme de \(E\) défini par \(f^{\sharp}=\frac{1}{\lambda_{1}} p_{1}+\frac{1}{\lambda_{2}} p_{2}+\cdots+\frac{1}{\lambda_{k}} p_{k}\).\\ On dit que \(f^{\sharp}\) est l'inverse généralisé de \(f\).\\ 6)a) Montrer : \(\quad f \circ f^{\sharp}=p\).\\ b) En déduire : \(\quad \forall(x, y) \in E^{2},\left(f(x)=p(y) \Longleftrightarrow x-f^{\sharp}(y) \in \operatorname{Ker} f\right)\).\\ 7) Soit \(y\) un vecteur de \(E\).\\ a) Montrer : \(\quad \forall x \in E,\left(\|f(x)-y\|=\inf _{z \in E}\|f(z)-y\| \Longleftrightarrow x-f^{\sharp}(y) \in \operatorname{Ker} f\right)\)\\ b) En déduire que \(f^{\sharp}(y)\) est le vecteur \(x\) de \(E\) de plus petite norme vérifiant : \[ \|f(x)-y\|=\inf _{z \in E}\|f(z)-y\| \] \section*{Partie II : Application à un exemple} Dans cette question, \(E\) est un espace euclidien de dimension 4 et \(\mathcal{B}=\left(e_{1}, e_{2}, e_{3}, e_{4}\right)\) est une base orthonormale de \(E\). On note : \[ A=\left(\begin{array}{rrrr} 3 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -1 \\ -1 & 0 & 3 & 0 \\ 0 & -1 & 0 & 1 \end{array}\right) \] Soit \(f\) l'endomorphisme de \(E\) associé à la matrice \(A\) relativement à la base \(\mathcal{B}\). \begin{enumerate} \item Justifier que \(f\) est un endomorphisme symétrique non nul et non inversible. \item Montrer que \(f\) admet exactement trois valeurs propres distinctes \(\lambda_{0}, \lambda_{1}, \lambda_{2}\) avec \(\lambda_{0}<\lambda_{1}< \lambda_{2}\).\\ On note \(p_{1}\) le projecteur orthogonal sur \(E_{f}\left(\lambda_{1}\right)\) et \(M_{1}\) la matrice associée à \(p_{1}\) relativement à la base \(\mathcal{B}\).\\ On note \(p_{2}\) le projecteur orthogonal sur \(E_{f}\left(\lambda_{2}\right)\) et \(M_{2}\) la matrice associée à \(p_{2}\) relativement à la base \(\mathcal{B}\). \item Montrer : \(A=2 M_{1}+4 M_{2}\).\\ 4)a) Montrer que \(E_{f}\left(\lambda_{2}\right)\) est de dimension 1 et déterminer un vecteur \(v_{2}\) de \(E_{f}\left(\lambda_{2}\right)\) tel que \(\left\|v_{2}\right\|=1\).\\ b) Montrer : \(\quad \forall x \in E, \quad p_{2}(x)=\left\langle x, v_{2}\right\rangle v_{2}\).\\ c) Déterminer la matrice \(M_{2}\). \item En déduire la matrice associée à \(f^{\sharp}\) relativement à la base \(\mathcal{B}\). \end{enumerate} \end{document}