\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{ECOLE DES HAUTES ETUDES COMMERCIALES \\ E.S.C.P. - E.A.P. \\ ECOLE SUPERIEURE DE COMMERCE DE LYON } \author{} \date{} \begin{document} \maketitle CONCOURS D'ADMISSION SUR CLASSES PREPARATOIRES \section*{OPTION SCIENTIFIQUE} \section*{MATHEMATIQUES II} Mardi 16 Mai 2000, de 8h. à 12h. 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. Le problème consiste en l'analyse d'un algorithme de tri et l'étude de sa complexité.\\ On note \(\ln x\) le logarithme népérien d'un réel strictement positif \(x\) et \(\log _{2} x\) son logarithme en base 2 . On rappelle que \(\log _{2} x=\frac{\ln x}{\ln 2}\). \section*{Partie I: Étude d'une suite réelle} Dans cette partie la lettre \(n\) désignera toujours un entier naturel au moins égal à 2 .\\ On considère la suite \(\left(u_{k}\right)_{k \in \mathbb{N}^{*}}\) définie par son premier terme \(u_{1}\) et vérifiant, pour tout \(n\), la relation de récurrence : \(u_{n}=n-1+\frac{2}{n} \sum_{i=1}^{n-1} u_{i}\). \begin{enumerate} \item a) Calculer \(u_{2}\) et \(u_{3}\) en fonction de \(u_{1}\).\\ b) Montrer que, pour tout \(n\) au moins égal à 3 , on a : \(n u_{n}-(n+1) u_{n-1}=2 n-2\). \item Pour tout entier naturel \(k\) non nul, on pose : \(v_{k}=\frac{u_{k}}{k+1}\).\\ a) Pour tout \(n\) au moins égal à 3 , exprimer \(v_{n}-v_{n-1}\) en fonction de \(n\).\\ b) Déterminer deux réels \(\alpha\) et \(\beta\) vérifiant, pour tout réel \(x\) non nul et distinct de -1 , l'égalité: \end{enumerate} \[ \frac{2 x-2}{x(x+1)}=\frac{\alpha}{x}+\frac{\beta}{x+1} \] c) Pour tout \(n\), établir l'égalité : \(v_{n}=2 \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k}+\frac{u_{1}}{3}-2+\frac{4}{n+1}\).\\ 3) Pour tout \(n\), on pose \(h_{n}=\sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k}\) et \(z_{n}=\frac{1}{n}-\ln \left(\frac{n}{n-1}\right)\).\\ a) Calculer \(u_{n}\) en fonction de \(h_{n}, u_{1}\) et \(n\).\\ b) Prouver l'égalité : \(h_{n}=\sum_{k=2}^{n} z_{k}+\ln n\).\\ c) Déterminer la nature de la série de terme général \(z_{n}\).\\ d) En déduire un équivalent de \(h_{n}\) quand \(n\) tend vers l'infini.\\ e) Déterminer un équivalent de \(u_{n}\) quand \(n\) tend vers l'infini. \section*{Partie II: Étude d'une suite de variables aléatoires} A. On considère un espace probabilisé dont la probabilité est notée \(\mathbf{P}\), une variable aléatoire \(Z\), définie sur cet espace, prenant un nombre fini de valeurs réelles notées \(z_{1}, z_{2}, \ldots, z_{p}\) et un événement \(A\) de probabilité non nulle.\\ On note \(\mathbf{E}(Z / A)\) l'espérance de la variable aléatoire \(Z\) pour la probabilité conditionnelle sachant \(A\), i.e. \[ \mathbf{E}(Z / A)=\sum_{i=1}^{p} z_{i} \mathbf{P}\left(\left[Z=z_{i}\right] / A\right) \] Soit ( \(A_{1}, A_{2}, \ldots, A_{q}\) ) un système complet d'événements tous de probabilité non nulle. Prouver l'égalité : \[ \mathbf{E}(Z)=\sum_{j=1}^{q} \mathbf{P}\left(A_{j}\right) \mathbf{E}\left(Z / A_{j}\right) \] B. Toutes les variables aléatoires considérées dans cette sous-partie sont définies sur un même espace probabilisé dont la probabilité est notée \(\mathbf{P}\).\\ On considère une suite \(\left(I_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) de variables aléatoires telle que, pour tout \(n\) non nul, \(I_{n}\) suit la loi uniforme sur l'ensemble \(\{1,2, \ldots, n\}\) des entiers compris, au sens large, entre 1 et \(n\).\\ D'autre part, on considère une suite \(\left(X_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) de variables aléatoires ayant les propriétés suivantes: \begin{itemize} \item \(X_{1}\) est la variable constante égale à 0 \item pour tout entier naturel \(n\) au moins égal à 2 , les lois conditionnelles de \(X_{n}\) sachant \(\left[I_{n}=1\right]\) et de \(X_{n}\) sachant \(\left[I_{n}=n\right]\) sont toutes deux égales à la loi de \(n-1+X_{n-1}\) \item pour tout entier naturel \(n\) au moins égal à 3 et tout entier \(i\) tel que \(2 \leqslant i \leqslant n-1\), la loi conditionnelle de \(X_{n}\) sachant \(\left[I_{n}=i\right]\) est égale à la loi de \(n-1+Z_{n, i}+T_{n, i}\) où \(Z_{n, i}\) et \(T_{n, i}\) sont deux variables aléatoires indépendantes, \(Z_{n, i}\) ayant même loi que \(X_{i-1}\) et \(T_{n, i}\) ayant même loi que \(X_{n-i}\). \end{itemize} Par exemple, on a :\\ \(\mathbf{P}\left(\left[X_{6}=9\right] /\left[I_{6}=1\right]\right)=\mathbf{P}\left(\left[X_{5}=4\right]\right)\) et aussi \(\mathbf{P}\left(\left[X_{6}=9\right] /\left[I_{6}=3\right]\right)=\mathbf{P}\left(\left[Z_{6,3}+T_{6,3}=4\right]\right)\) ce qui, compte tenu des hypothèses, s'écrit : \(\mathbf{P}\left(\left[X_{6}=9\right] /\left[I_{6}=3\right]\right)=\sum_{j} \mathbf{P}\left(\left[X_{2}=j\right]\right) \mathbf{P}\left(\left[X_{3}=4-j\right]\right)\), la somme étant étendue aux valeurs convenables de l'entier \(j\). \begin{enumerate} \item a) Montrer que \(X_{2}\) est une variable aléatoire presque sûrement constante égale à 1 .\\ b) Établir les égalités: \(\mathbf{P}\left(\left[X_{3}=2\right]\right)=\frac{1}{3}\) et \(\mathbf{P}\left(\left[X_{3}=3\right]\right)=\frac{2}{3}\). Calculer l'espérance de \(X_{3}\) qu'on notera \(U_{3}\). \item Déterminer la loi de \(X_{4}\) et calculer son espérance qu'on notera \(U_{4}\). \item En procédant par récurrence, montrer que, pour tout entier naturel \(n\) non nul, \(X_{n}\) prend, presque sûrement, des valeurs entières inférieures ou égales à \(\frac{n(n-1)}{2}\). \item Soit \(n\) un entier naturel au moins égal à 2 . On note \(U_{n}\) l'espérance de \(X_{n}\).\\ a) À l'aide des résultats de la sous-partie \(\mathbf{A}\), établir l'égalité : \(U_{n}=n-1+\frac{2}{n} \sum_{i=1}^{n-1} U_{i}\).\\ b) À l'aide de la partie \(\mathbf{I}\), donner l'expression de \(U_{n}\) en fonction de \(n\) ainsi qu'un équivalent de \(U_{n}\) quand \(n\) tend vers l'infini. \item Pour tout entier naturel \(n\) non nul, on note \(\alpha_{n}\) la plus petite valeur (entière) prise par la variable \(X_{n}\) avec une probabilité non nulle.\\ a) Soit \(n\) et \(k\) deux entiers naturels, l'entier \(n\) étant au moins égal à 3 . \end{enumerate} Montrer que \(\mathbf{P}\left(\left[X_{n}=k\right]\right)\) est nul si et seulement si les nombres \(\mathbf{P}\left(\left\lfloor n-1+X_{n-1}=k\right\rfloor\right)\) et \(\mathbf{P}\left(\left[n-1+Z_{n, i}+T_{n, i}=k\right]\right)\) (l'entier \(i\) variant de 2 à \(n-1\) ) sont nuls.\\ En déduire que \(\alpha_{n}\) est au moins égal au minimum des nombres \(n-1+\alpha_{n-1}, n-1+\alpha_{1}+\alpha_{n-2}\), \(n-1+\alpha_{2}+\alpha_{n-3}, \ldots, n-1+\alpha_{n-2}+\alpha_{1}\).\\ b) On considère la fonction \(g\) définie, pour tout \(x\) strictement positif, par \(g(x)=x \log _{2} x-2 x+2\).\\ i) Montrer que \(g\) est convexe. Pour tout couple d'entiers ( \(i, n\) ) tel que \(2 \leqslant i \leqslant n-1\), en déduire l'inégalité : \(g(i)+g(n+1-i) \geqslant 2 g\left(\frac{n+1}{2}\right)\).\\ ii) Pour tout entier naturel \(n\) non nul, établir l'inégalité : \(g(n+1)-g(n) \leqslant \log _{2}(n+1)\). En traitant à part les cas \(n=1\) et \(n=2\), montrer que, pour tout entier naturel \(n\) non nul, on a : \(g(n+1)-g(n) \leqslant n-1\).\\ 6) En procédant par récurrence, établir, pour tout entier naturel \(n\) non nul, l'inégalité: \[ \alpha_{n} \geqslant(n+1) \log _{2}(n+1)-2 n \] \section*{Partie III : Étude d'un algorithme de tri} A. On considère un entier naturel \(n\) non nul et un ensemble \(E=\left\{e_{1}, e_{2}, \ldots, e_{n}\right\}\) où \(e_{1}, e_{2}, \ldots, e_{n}\) sont des réels vérifiant \(e_{1} deb then begin Placer(T, deb, fin,pl); if pl > deb then Tri(T, deb,pl-1); if pl