\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} Concepteur : EM LYON\\ \(1^{\text {ère }}\) épreuve (option scientifique) \section*{MATHÉMATIQUES} Lundi 9 mai 2005 de 8 heures à 12 heures\\ Les candidats 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. \section*{Premier problème} On considère la suite \(\left(T_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}}\) de polynômes de \(\mathbb{R}[\mathrm{X}]\) définie par : \[ T_{0}=1, T_{1}=2 \mathrm{X} \quad \text { et, pour tout entier } n \geqslant 2, \quad T_{n}=2 \mathrm{X} T_{n-1}-T_{n-2} . \] On pourra confondre polynôme et fonction polynomiale. Ainsi, pour tout entier \(n \geqslant 2\) et tout réel \(x\), \[ T_{n}(x)=2 x T_{n-1}(x)-T_{n-2}(x) \] PARTIE I : Étude de la suite de polynômes \(\left(T_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}}\) \begin{enumerate} \item Calculer \(T_{2}\) et \(T_{3}\).\\ 2.a. Démontrer que, pour tout entier naturel \(n, T_{n}\) est un polynôme de degré \(n\), dont on déterminera le coefficient du terme de degré \(n\).\\ b. Établir que, si \(n\) est un entier pair (resp. impair), alors \(T_{n}\) est un polynôme pair (resp. impair). \item Calculer, pour tout entier naturel \(n, T_{n}(1)\) en fonction de \(n\). \item a. Établir, pour tout entier naturel \(n\) et tout réel \(\theta\) de \(] 0 ; \pi[\) : \end{enumerate} \[ T_{n}(\cos \theta)=\frac{\sin (n+1) \theta}{\sin \theta} . \] b. En déduire que, pour tout entier naturel non nul \(n, T_{n}\) admet \(n\) racines réelles, toutes situées dans ] - \(1 ; 1\) [, que l'on explicitera.\\ c. Établir, pour tout entier naturel non nul \(n\) : \[ T_{n}=2^{n} \prod_{k=1}^{n}\left(\mathrm{X}-\cos \frac{k \pi}{n+1}\right) . \] d. En déduire, pour tout entier naturel non nul \(n\), la valeur de \(\prod_{k=1}^{n} \sin \frac{k \pi}{2(n+1)}\) en fonction de \(n\).\\ 5. a. Démontrer, pour tout entier naturel \(n\) et tout réel \(\theta\) de \(] 0 ; \pi[\) : \[ \sin ^{2} \theta T_{n}^{\prime \prime}(\cos \theta)-3 \cos \theta T_{n}^{\prime}(\cos \theta)+\left(n^{2}+2 n\right) T_{n}(\cos \theta)=0 . \] Indication: On pourra dériver deux fois la fonction (nulle) : \[ \theta \longmapsto \sin \theta T_{n}(\cos \theta)-\sin (n+1) \theta . \] b. En déduire, pour tout entier naturel \(n\) : \[ \left(\mathrm{X}^{2}-1\right) T_{n}^{\prime \prime}+3 \mathrm{X} T_{n}^{\prime}-\left(n^{2}+2 n\right) T_{n}=0 . \] Dans la suite du problème, \(n\) désigne un entier naturel fixé tel que \(n \geqslant 2\), et on note \(E\) l'espace vectoriel réel des polynômes de \(\mathbb{R}[\mathrm{X}]\) de degré inférieur ou égal à \(n\).\\ On note \(L\) l'application qui, à un polynôme \(P\) de \(E\), associe le polynôme \(L(P)\) défini par : \[ L(P)=\left(\mathrm{X}^{2}-1\right) P^{\prime \prime}+3 \mathrm{X} P^{\prime} . \] \section*{PARTIE II : Étude de l'endomorphisme \(L\)} \begin{enumerate} \item Montrer que \(L\) est un endomorphisme de l'espace vectoriel \(E\). \item a. Calculer \(L\left(T_{k}\right)\) pour tout \(k\) de \(\{0,1, \ldots, n\}\).\\ b. En déduire les valeurs propres de \(L\) et, pour chaque valeur propre de \(L\), une base et la dimension du sous-espace propre associé. \end{enumerate} \section*{PARTIE III : Étude d'un produit scalaire} Dans la suite du problème, on note \(\varphi\) l'application qui, à un couple \((P, Q)\) de polynômes de \(E\), associe le réel \(\varphi(P, Q)\) défini par : \[ \varphi(P, Q)=\int_{-1}^{1} \sqrt{1-x^{2}} P(x) Q(x) \mathrm{d} x \] \begin{enumerate} \item Montrer que \(\varphi\) est un produit scalaire sur \(E\). \item Démontrer, pour tous polynômes \(P, Q\) de \(E\) : \end{enumerate} \[ \varphi(L(P), Q)=\varphi(P, L(Q)) . \] Indication: On pourra, à l'aide d'une intégration par parties, montrer : \[ \varphi(L(P), Q)=\int_{-1}^{1}\left(1-x^{2}\right)^{\frac{3}{2}} P^{\prime}(x) Q^{\prime}(x) \mathrm{d} x \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item Établir que \(\left(T_{k}\right)_{0 \leqslant k \leqslant n}\) est une base orthogonale de \(E\). \end{enumerate} \section*{Deuxième problème} \section*{PARTIE I : Calcul de la somme d'une série convergente} \begin{enumerate} \item Vérifier, pour tout \(n \in \mathbb{N}^{*}: \quad \int_{0}^{\pi}\left(\frac{t^{2}}{2 \pi}-t\right) \cos (n t) \mathrm{d} t=\frac{1}{n^{2}}\). \item Établir, pour tout \(m \in \mathbb{N}^{*}\) et pour tout \(\left.\left.t \in\right] 0 ; \pi\right]\) : \end{enumerate} \[ \frac{1-\mathrm{e}^{\mathrm{i} m t}}{1-\mathrm{e}^{\mathrm{i} t}} \mathrm{e}^{\mathrm{i} t}=\frac{\sin \frac{m t}{2}}{\sin \frac{t}{2}} \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}(m+1) t}{2}}, \text { puis } \sum_{n=1}^{m} \cos (n t)=\frac{\cos \frac{(m+1) t}{2} \sin \frac{m t}{2}}{\sin \frac{t}{2}} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item Soit \(u:[0 ; \pi] \longrightarrow \mathbb{R}\) une application de classe \(\mathcal{C}^{1}\). \end{enumerate} Montrer, à l'aide d'une intégration par parties : \(\int_{0}^{\pi} u(t) \sin (\lambda t) d t \xrightarrow[\lambda \rightarrow+\infty]{ } 0\).\\ 4. Soit l'application \(f:[0 ; \pi] \longrightarrow \mathbb{R}\) définie par \(f(t)=\frac{\frac{t^{2}}{2 \pi}-t}{2 \sin \frac{t}{2}}\) si \(\left.\left.t \in\right] 0 ; \pi\right]\), et \(f(0)=-1\). Montrer que \(f\) est de classe \(\mathcal{C}^{1}\) sur \([0 ; \pi]\).\\ 5.a. Montrer : \(\forall m \in \mathbb{N}^{*}, \quad \sum_{n=1}^{m} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}+\int_{0}^{\pi} f(t) \sin \frac{(2 m+1) t}{2} \mathrm{~d} t\).\\ b. Justifier la convergence de la série \(\sum_{n \geqslant 1} \frac{1}{n^{2}}\) et montrer : \(\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}\). \section*{PARTIE II : Étude d'une fonction définie par la somme d'une série convergente} 1.a. Montrer que, pour tout couple \((x, y) \in\left(\left[0 ;+\infty[)^{2}\right.\right.\), la série \(\sum_{n \geqslant 1} \frac{1}{(n+x)(n+y)}\) et la série \(\sum_{n \geqslant 1} \frac{1}{(n+x)^{2}(n+y)}\) convergent.\\ b. Montrer que, pour tout \(x \in\left[0 ;+\infty\left[\right.\right.\), la série \(\sum_{n \geqslant 1}\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+x}\right)\) converge. On note \(S\) l'application définie, pour tout \(x\) de \(\left[0 ;+\infty\left[\right.\right.\), par \(S(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+x}\right)\).\\ 2. Calculer \(S(0)\) et \(S(1)\).\\ 3.a. Établir : \(\forall(x, y) \in\left(\left[0 ;+\infty[)^{2}, \quad S(y)-S(x)=(y-x) \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{(n+x)(n+y)}\right.\right.\).\\ b. En déduire : \(\forall(x, y) \in\left(\left[0 ;+\infty[)^{2},|S(y)-S(x)| \leqslant \frac{\pi^{2}}{6}|y-x|\right.\right.\).\\ c. Montrer alors que la fonction \(S\) est continue sur \([0 ;+\infty[\).\\ 4.a. Montrer, pour tout couple \((x, y)\) de \(\left(\left[0 ;+\infty[)^{2}\right.\right.\) tel que \(x \neq y\) : \[ \left|\frac{S(y)-S(x)}{y-x}-\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{(n+x)^{2}}\right| \leqslant|y-x| \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^{3}} \] b. En déduire que la fonction \(S\) est dérivable sur \([0 ;+\infty[\) et que : \[ \forall x \in\left[0 ;+\infty\left[, \quad S^{\prime}(x)=\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{(n+x)^{2}}\right.\right. \] c. Préciser les valeurs de \(S^{\prime}(0)\) et de \(S^{\prime}(1)\).\\ 5. On admet que \(S\) est deux fois dérivable sur \([0 ;+\infty[\) et que : \[ \forall x \in\left[0 ;+\infty\left[, \quad S^{\prime \prime}(x)=-\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{2}{(n+x)^{3}}\right.\right. \] Montrer que \(S\) est concave.\\ 6. Soit \(x \in] 0 ;+\infty[\) fixé. On note \(\varphi\) la fonction définie sur \([1 ;+\infty[\) par : \[ \forall t \in\left[1 ;+\infty\left[, \quad \varphi(t)=\frac{1}{t}-\frac{1}{t+x}\right.\right. \] a. Montrer que l'intégrale \(\int_{1}^{+\infty} \varphi(t) \mathrm{d} t\) converge et calculer sa valeur.\\ b. Montrer : \(\quad \forall n \in \mathbb{N}^{*}, \quad \varphi(n+1) \leqslant \int_{n}^{n+1} \varphi(t) \mathrm{d} t \leqslant \varphi(n)\), et en déduire : \(\quad \int_{1}^{+\infty} \varphi(t) \mathrm{d} t \leqslant S(x) \leqslant 1+\int_{1}^{+\infty} \varphi(t) \mathrm{d} t\).\\ c. Conclure : \(\quad S(x) \underset{x \rightarrow+\infty}{\sim} \ln x\).\\ 7.a. Dresser le tableau de variation de \(S\), en précisant la limite de \(S\) en \(+\infty\).\\ b. Tracer l'allure de la courbe représentative de \(S\). \end{document}