\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} \author{Concepteur : EM LYON\\ Première épreuve (option scientifique)\\ MATHÉMATIQUES\\ Mardi 29 avril 2008 de 8 heures à 12 heures} \date{} \begin{document} \maketitle \section*{BANQUE COMMUNE D'ÉPREUVES} Code sujet\\ 295\\ EML \(\_\_\_\_\) MATS 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*{PROBLÈME} On confond polynôme et application polynomiale de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\).\\ On note \(E\) l'ensemble des applications \(u: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}\) continues sur \(\mathbb{R}\) et telles que l'intégrale\\ \(\int_{-\infty}^{+\infty}(u(x))^{2} \mathrm{e}^{-x^{2}} \mathrm{~d} x\) converge.\\ On note \(F\) le \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel des applications polynomiales de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\).\\ On note, pour tout \(n \in \mathbb{N}, F_{n}\) le \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel des applications polynomiales de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) de degré inférieur ou égal à \(n\). \section*{Préliminaire : Valeur de l'intégrale de Gauss} En considérant une variable aléatoire suivant une loi normale, justifier : \[ \forall m \in \mathbb{R}, \quad \int_{-\infty}^{+\infty} \mathrm{e}^{-(x-m)^{2}} \mathrm{~d} x=\sqrt{\pi} \] \section*{Partie I : Un produit scalaire sur \(E\)} \begin{enumerate} \item Établir, pour tout \((\alpha, \beta) \in\left[0 ;+\infty\left[2: \alpha \beta \leqslant \frac{1}{2}\left(\alpha^{2}+\beta^{2}\right)\right.\right.\). \item En déduire que, pour tout \((u, v) \in E^{2}\), l'intégrale \(\int_{-\infty}^{+\infty} u(x) v(x) \mathrm{e}^{-x^{2}} \mathrm{~d} x\) converge. \end{enumerate} On note (.|.) l'application de \(E^{2}\) dans \(\mathbb{R}\) qui, à tout \((u, v) \in E^{2}\), associe \(\frac{1}{\sqrt{\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} u(x) v(x) \mathrm{e}^{-x^{2}} \mathrm{~d} x\). On notera la présence du facteur \(\frac{1}{\sqrt{\pi}}\).\\ 3. a. Démontrer que \(E\) est un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel.\\ b. Montrer que l'application (.|.) est un produit scalaire sur \(E\).\\ 4. Démontrer : \(F \subset E\). On note encore (.|.) la restriction à \(F\) ou à \(F_{n}\), pour \(n \in \mathbb{N}\), du produit scalaire (.|.) sur \(E\). On admet que cette restriction est encore un produit scalaire sur \(F\) ou sur \(F_{n}\). On note \(\|\).\(\| la norme sur E\) associée au produit scalaire (.|.), définie, pour tout \(u \in E\), par : \[ \|u\|=\sqrt{(u \mid u)} \] \section*{Partie II : Polynômes d'Hermite} On note \(w\) l'application de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\), de classe \(C^{\infty}\), définie pour tout \(x \in \mathbb{R}\) par \(w(x)=\mathrm{e}^{-x^{2}}\). Pour tout \(n \in \mathbb{N}\), on note \(H_{n}\) l'application de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) définie pour tout \(x \in \mathbb{R}\) par \[ H_{n}(x)=(-1)^{n} \mathrm{e}^{x^{2}} w^{(n)}(x) \text {, où } w^{(n)} \text { désigne la dérivée } n \text {-ième de } w . \] En particulier : \(H_{0}(x)=1\). \begin{enumerate} \item Calculer, pour tout \(x \in \mathbb{R}, H_{1}(x), H_{2}(x), H_{3}(x)\). \end{enumerate} Faire figurer les calculs sur la copie.\\ 2. a. Montrer, pour tout \(n \in \mathbb{N}\) et tout \(x \in \mathbb{R}\) : \[ H_{n+1}(x)=2 x H_{n}(x)-H_{n}^{\prime}(x) \] b. En déduire que, pour tout \(n \in \mathbb{N}, H_{n}\) est un polynôme de degré \(n\).\\ c. Contrôler alors les résultats obtenus en II. 1 et calculer \(H_{4}\). Faire figurer les calculs sur la copie.\\ 3. Déterminer, pour tout \(n \in \mathbb{N}\), le coefficient du terme de plus haut degré de \(H_{n}\).\\ 4. Montrer, pour tout \(n \in \mathbb{N}\) et tout \(x \in \mathbb{R}\) : \(H_{n}(-x)=(-1)^{n} H_{n}(x)\). Qu'en déduit-on, en terme de parité, pour l'application \(H_{n}\) ? \section*{Partie III : Lien entre le produit scalaire et les polynômes d'Hermite} \begin{enumerate} \item a. Montrer, pour tout \(n \in \mathbb{N}^{*}\) et tout \(P \in F\) : \end{enumerate} \[ \left(P^{\prime} \mid H_{n-1}\right)=\left(P \mid H_{n}\right), \] où (. .) est le produit scalaire sur \(F\) défini en I.4.\\ À cet effet, on pourra commencer par effectuer une intégration par parties sur un intervalle fermé borné.\\ b. En déduire, pour tout \(n \in \mathbb{N}^{*}\) et tout \(P \in F_{n-1}:\left(P \mid H_{n}\right)=0\).\\ c. En déduire que, pour tout \(n \in \mathbb{N}\), la famille \(\left(H_{0}, \ldots, H_{n}\right)\) est orthogonale dans \(F\).\\ 2. Établir que, pour tout \(n \in \mathbb{N}\), la famille \(\left(H_{0}, \ldots, H_{n}\right)\) est une base de \(F_{n}\).\\ 3. Soit \(n \in \mathbb{N}\).\\ a. Montrer : \(\left\|H_{n}\right\|^{2}=\left(H_{n}^{(n)} \mid H_{0}\right)\), où \(\|\).\(\| est définie en I.4.\)\\ b. En déduire la valeur de \(\left\|H_{n}\right\|\). \section*{Partie IV : Un endomorphisme symétrique} On note \(f, g, h\) les applications définies de \(F\) dans \(F\), pour tout \(P \in F\), par : \[ f(P)=-P^{\prime \prime}+2 \times P^{\prime}+P, \quad g(P)=2 \times P-P^{\prime}, \quad h(P)=P^{\prime} \] Ainsi, par exemple, pour tout \(P \in F\) et tout \(x \in \mathbb{R}:(g(P))(x)=2 x P(x)-P^{\prime}(x)\). \begin{enumerate} \item Montrer que \(f\) est un endomorphisme de \(F\). \end{enumerate} On admet que \(g\) et \(h\) sont aussi des endomorphismes de \(F\), et on note \(\operatorname{Id}_{F}\) l'application identique de \(F\).\\ 2. a. Établir : \(\quad g \circ h=f-\operatorname{Id}_{F}\) et \(h \circ g=f+\operatorname{Id}_{F}\).\\ b. En déduire : \(\quad f \circ g-g \circ f=2 g\).\\ 3. Montrer que, pour tout \(\lambda \in \mathbb{R}\) et tout \(P \in F\), si \(f(P)=\lambda P\), alors \(f(g(P))=(\lambda+2) g(P)\).\\ 4. a. Calculer \(f\left(H_{0}\right)\).\\ b. Calculer, pour tout \(k \in \mathbb{N}, g\left(H_{k}\right)\), et en déduire, pour tout \(k \in \mathbb{N}: \quad f\left(H_{k}\right)=(2 k+1) H_{k}\).\\ 5. Établir, pour tout \((P, Q) \in F^{2}\) : \[ \left(P^{\prime} \mid Q^{\prime}\right)=(f(P) \mid Q)-(P \mid Q) \] À cet effet, on pourra commencer par effectuer une intégration par parties sur un intervalle fermé borné.\\ 6. Soit \(n \in \mathbb{N}\).\\ a. Montrer : \(\quad \forall P \in F_{n}, \quad f(P) \in F_{n}\). On note \(f_{n}\) l'endomorphisme de \(F_{n}\) défini par: \[ \forall P \in F_{n}, \quad f_{n}(P)=f(P) . \] b. Montrer que \(f_{n}\) est un endomorphisme symétrique de \(F_{n}\).\\ c. Donner une base orthonormale de \(F_{n}\) constituée de vecteurs propres de \(f_{n}\). \section*{Partie V : Intervention d'exponentielles} On note, pour tout \(a \in \mathbb{R}, \varphi_{a}\) l'application de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) définie, pour tout \(x \in \mathbb{R}\), par : \(\varphi_{a}(x)=\mathrm{e}^{a x}\). \begin{enumerate} \item Vérifier, pour tout \(a \in \mathbb{R}: \varphi_{a} \in E\). \item Montrer, pour tout \((a, b) \in \mathbb{R}^{2}:\left(\varphi_{a} \mid \varphi_{b}\right)=\mathrm{e}^{\left(\frac{a+b}{2}\right)^{2}}\). \item Déterminer la nature de la série \(\sum_{n \geqslant 1}\left\|\varphi_{\sqrt{\ln n}}\right\|^{-2}\). \item Montrer que la série \(\sum_{n \geqslant 0}\left\|\varphi_{\sqrt{n}}\right\|^{-2}\) converge et calculer sa somme. \end{enumerate} \section*{Partie VI: Une limite de probabilité conditionnelle} Soit la fonction \(\Phi\) définie sur \(] 0 ;+\infty[\) par : \[ \forall x \in] 0 ;+\infty\left[, \quad \Phi(x)=\int_{x}^{+\infty} \mathrm{e}^{-t^{2}} \mathrm{~d} t\right. \] \begin{enumerate} \item Montrer que \(\Phi\) est de classe \(C^{1}\) sur \(] 0 ;+\infty\left[\right.\) et déterminer sa dérivée \(\Phi^{\prime}\). \item Soient \(G\) et \(K\) les fonctions définies sur \(] 0 ;+\infty[\) par : \end{enumerate} \[ \forall x \in] 0 ;+\infty\left[, \quad G(x)=\left(\frac{1}{x}-\frac{1}{2 x^{3}}\right) \frac{\mathrm{e}^{-x^{2}}}{2} \text { et } K(x)=\frac{\mathrm{e}^{-x^{2}}}{2 x} .\right. \] a. Déterminer les limites des fonctions \(\Phi, G\) et \(K\) en \(+\infty\).\\ b. Déterminer les sens de variation des fonctions \(G-\Phi\) et \(\Phi-K\).\\ c. En déduire : \(\quad \forall x \in] 0 ;+\infty[, G(x) \leqslant \Phi(x) \leqslant K(x)\).\\ d. Montrer : \[ \Phi(x) \underset{x \rightarrow+\infty}{\sim} \frac{\mathrm{e}^{-x^{2}}}{2 x} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item Soit \(X\) une variable aléatoire normale d'espérance égale à 0 et d'écart-type égal à \(\frac{1}{\sqrt{2}}\).\\ a. Pour tout réel \(x\) strictement positif, exprimer la probabilité \(\mathrm{P}(X \leqslant x)\) à l'aide de la fonction \(\Phi\).\\ b. Soit \(c\) un réel strictement positif. \end{enumerate} Pour tout réel \(x\), on considère la probabilité conditionnelle \(\mathrm{P}_{(X>x)}(X \leqslant x+c)\).\\ Montrer : \[ \lim _{x \rightarrow+\infty} \mathrm{P}_{(X>x)}(X \leqslant x+c)=1 \] \end{document}