\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*{Concepteur : ESSEC} \section*{OPTION SCIENTIFIQUE} \section*{MATHEMATIQUES I} Lundi 23 mai 2005, 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. \section*{Notations} Dans tout ce problème, on considère \(n\) un entier naturel non nul.\\ Pour toute matrice \(M\), on note \({ }^{\prime} M\) sa transposée.\\ On identifie l'espace vectoriel \(\mathbb{R}^{n}\), muni de sa base canonique, à l'ensemble des matrices colonnes à \(n\) lignes ; ainsi pour tout vecteur \(x\) de \(\mathbb{R}^{n}\) et pour tout \(i \in\{1, \ldots, n\}\), on note \(x_{i}\) sa\\ \(i^{\text {ème }}\) coordonnée et \(x=\left[\begin{array}{c}x_{1} \\ x_{2} \\ . \\ . \\ x_{n}\end{array}\right]\).\\ On munit \(\mathbb{R}^{n}\) de son produit scalaire canonique : \(\langle x, y\rangle={ }^{\prime} x y\) et la norme euclidienne de \(x\) est définie par : \(\|x\|=\sqrt{\langle x, x\rangle}\).\\ On désigne par \(U\) une partie non vide de \(\mathbb{R}^{n}\).\\ À \(f\) fonction continue de \(U\) dans \(\mathbb{R}\), et \(y\) vecteur de \(\mathbb{R}^{n}\), on associe la fonction \(F_{y}\) définie sur \(U\) par: \(x \mapsto\langle x, y\rangle-f(x)\) et on note \(U(f)\) l'ensemble, éventuellement vide, des vecteurs \(y\) de \(\mathbb{R}^{n}\) pour lesquels \(F_{y}\) admet un maximum.\\ Lorsque \(U(f)\) est non vide, on appelle fonction conjuguée de \(f\) la fonction notée \(f^{*}\) définie sur \(U(f)\) par : \(f^{*}(y)=\max \left(F_{y}(x), x \in U\right)\). \section*{PARTIE I} Dans cette partie, \(n=1\) et \(U\) est un intervalle de \(\mathbb{R}\); ainsi le produit scalaire se confond avec le produit naturel sur \(\mathbb{R}\) et la fonction \(F_{y}\) est définie sur l'intervalle \(U\) par \(F_{y}(x)=x y-f(x)\). \begin{enumerate} \item Lorsque \(U\) est un segment de \(\mathbb{R}\), montrer que \(f^{*}\) est définie sur \(\mathbb{R}\). \item Quelques exemples . \end{enumerate} Après avoir étudié les variations de \(F_{y}\), préciser \(U(f)\) et \(f^{*}\) dans les cas suivants :\\ a) \(U=\mathbb{R}, f(x)=a \frac{x^{2}}{2}\) où \(a\) est un réel fixé strictement positif.\\ b) \(U=\mathbb{R}_{+}^{*}, f(x)=\frac{x^{\alpha}}{\alpha}\) où \(\alpha\) est un réel fixé strictement supérieur à 1 .\\ (on pourra introduire le réel \(\beta\) vérifiant : \(\frac{1}{\alpha}+\frac{1}{\beta}=1\) ).\\ c) \(U=\mathbb{R}, f(x)=e^{x}\).\\ 3) Pour chacun des cas précédents, déterminer \(\left(f^{*}\right)^{*}\) ainsi que son ensemble de définition. Quel constat pouvez-vous faire ?\\ 4) Plus généralement, on suppose que : \(U=\mathbb{R}\) et \(f\) est une application de classe \(C^{2}\) sur \(\mathbb{R}\) telle que l'image de \(\mathbb{R}\) par la fonction dérivée est \(\mathbb{R}\) tout entier et vérifiant pour tout \(x\) réel \(f^{\prime \prime}(x)>0\).\\ a) Établir que \(f^{\prime}\) réalise une bijection de \(\mathbb{R}\) sur \(\mathbb{R}\). On note \(g\) l'application réciproque de \(f^{\prime}\).\\ b) Après avoir dressé le tableau des variations de l'application \(F_{y}\) associée à \(f\) et \(y\), montrer que \(U(f)=\mathbb{R}\) et que: \(\forall x \in \mathbb{R} \quad f^{*}(x)=x g(x)-f(g(x))\).\\ Justifier la dérivabilité de \(f^{*}\) et exprimer \(\left(f^{*}\right)^{\prime}\) en fonction de \(g\).\\ c) Après avoir étudié pour \(y\) réel les variations de l'application : \(x \mapsto x y-f^{*}(x)\), en déduire que : \(\left(f^{*}\right)^{*}=f\). \section*{PARTIE II} On revient aux notations du préambule. \begin{enumerate} \item On suppose dans cette question que : \(U=\mathbb{R}^{n}\) et \(f(x)=\|x\|\).\\ a) Pour \(t\) réel strictement positif et \(y \in \mathbb{R}^{n}\), calculer \(F_{y}(t y)\) et préciser \(\lim _{t \rightarrow+\infty} F_{y}(t y)\). \end{enumerate} Quelle comparaison pouvez-vous faire entre les ensembles \(U(f)\) et \(\left\{y \in \mathbb{R}^{n},\|y\| \leq 1\right\}\) ?\\ b) Lorsque \(\|y\| \leq 1\), montrer que : \(F_{y}(x) \leq F_{y}(0)\). En déduire \(U(f)\) et \(f^{*}\).\\ c) Préciser \(\left(f^{*}\right)^{*}\). Dans toute la suite du problème, A désigne une matrice symétrique réelle d'ordre n dont toutes les valeurs propres sont strictement positives.\\ On rappelle que : \(\forall x, x^{\prime} \in \mathbb{R}^{n} \quad\left\langle x, A x^{\prime}\right\rangle=\left\langle x^{\prime}, A x\right\rangle\).\\ 2) On suppose dans cette question que : \(U=\mathbb{R}^{n}\) et \(f(x)=\frac{\langle x, A x\rangle}{2}\). Pour \(y \in \mathbb{R}^{n}\), on définit ainsi \(F_{y}\) sur \(\mathbb{R}^{n}\) par \(F_{y}(x)=\langle x, y\rangle-\frac{\langle x, A x\rangle}{2}\).\\ a) En utilisant un changement de base orthonormale, établir l'encadrement :\\ \(\lambda\|x\|^{2} \leq\langle x, A x\rangle \leq \mu\|x\|^{2}\) lorsque \(\lambda\) (respectivement \(\mu\) ) désigne la plus petite (respectivement la plus grande) valeur propre de \(A\).\\ b) Pour \(x\) et \(h\) deux vecteurs de \(\mathbb{R}^{n}\), exprimer \(F_{y}(x+h)-F_{y}(x)\) en fonction de \(\langle h, A h\rangle\) et \(\langle h, y-A x\rangle\) et établir que : \(F_{y}(x+h)-F_{y}(x) \leq\langle h, y-A x\rangle\).\\ c) Montrer que, pour tout vecteur \(y\) de \(\mathbb{R}^{n}, F_{y}\) admet un maximum obtenu pour : \(x=A^{-1} y\) et préciser \(U(f), f^{*}\) et \(\left(f^{*}\right)^{*}\).\\ 3) On reprend la même fonction qu'au 2), c'est-à-dire \(f(x)=\frac{\langle x, A x\rangle}{2}\) mais dans cette question, on suppose que \(U\) est une partie convexe, fermée non vide de \(\mathbb{R}^{n}\). On prolonge, de façon naturelle et pour tout \(y\) de \(\mathbb{R}^{n}, F_{y}\) à \(\mathbb{R}^{n}\) en posant : pour tout \(x \in \mathbb{R}^{n} \quad F_{y}(x)=\langle x, y\rangle-\frac{\langle x, A x\rangle}{2}\).\\ a) Existence d'un maximum. \begin{itemize} \item Montrer que : \(\forall y \in \mathbb{R}^{n} \quad \lim _{\|x\| \rightarrow \infty} F_{y}(x)=-\infty\) et en déduire que pour \(x_{0} \in U\) :\\ il existe \(r\) strictement positif vérifiant \(\left(\|x\|>r \Rightarrow F_{y}(x)