\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*{1. EXERCICE.} \(M_{n}(\mathbb{R})\) désigne l'espace vectoriel des matrices carrées d'ordre \(n\) à coefficients réels ( \(n \geqslant 1\) ) et \(E\) l'espace vectoriel des polynômes à coefficients réels de degré inférieur ou égal à \(n-1\). On considère une matrice \(S\) de \(M_{n}(\mathbb{R})\) admettant \(n\) valeurs propres réelles \(\lambda_{1}, \lambda_{2}, \ldots, \lambda_{n}\) distinctes deux à deux.\\ L'objet de l'exercice est de montrer que, si \(k\) est un entier naturel impair et si une matrice \(A\) de \(M_{n}(\mathbb{R})\) commute avec \(S^{k}\), alors elle commute avec \(S\).\\ Dans la dernière question on étudiera un contre-exemple. \begin{enumerate} \item Justifier l'existence d'une matrice \(P\) inversible telle que la matrice \(P^{-1} S P\) soit une matrice \(D\) diagonale.\\ Dans la suite de l'exercice un entier naturel impair \(k\) est fixé. \item On considère l'application \(f\) de \(E\) dans \(\mathbb{R}^{n}\) qui à tout polynôme \(T\) fait correspondre le vecteur de \(\mathbb{R}^{n}\) défini par : \end{enumerate} \[ f(T)=\left(T\left(\lambda_{1}^{k}\right), T\left(\lambda_{2}^{k}\right), \ldots, T\left(\lambda_{n}^{k}\right)\right) \] a. Montrer que \(f\) est un isomorphisme d'espaces vectoriels.\\ b. En déduire l'existence d'un unique polynôme \(U\) de \(E\) tel que : \[ U\left(\lambda_{1}^{k}\right)=\lambda_{1}, U\left(\lambda_{2}^{k}\right)=\lambda_{2}, \ldots, U\left(\lambda_{n}^{k}\right)=\lambda_{n} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item Prouver que le polynôme \(R\), défini par : \end{enumerate} \[ R(X)=U\left(X^{k}\right)-X \] est un polynôme annulateur de \(D\) puis de \(S\).\\ 4. Soit une matrice \(A\) de \(M_{n}(\mathbb{R})\) vérifiant \(A S^{k}=S^{k} A\).\\ a. Montrer que pour tout entier naturel \(p\), \[ A S^{p k}=S^{p k} A \] b. En déduire que les matrices \(A\) et \(S\) commutent, c'est-à-dire que : \[ A S=S A \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{4} \item On considère les deux matrices \(A\) et \(S\) de \(M_{2}(\mathbb{R})\) suivantes : \end{enumerate} \[ A=\left(\begin{array}{cc} 1 & -1 \\ 2 & 2 \end{array}\right), S=\left(\begin{array}{ll} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{array}\right) \] a. Vérifier que \(S\) possède deux valeurs propres distinctes.\\ b. Montrer que \(A\) commute avec toute puissance paire de \(S\), mais ne commute pas avec \(S\). \section*{2. EXERCICE.} On considère la fonction \(f\) définie sur l'intervalle \(I=\left[0, \frac{\pi}{4}\right]\) par : \[ f(x)=\frac{1}{\cos x} \] ainsi que la suite réelle \(\left(I_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}}\) suivante : \[ \left\{\begin{array}{l} I_{0}=\frac{\pi}{4} \\ \forall n \in \mathbb{N}^{*}, \quad I_{n}=\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}[f(x)]^{n} d x \end{array}\right. \] \subsection*{2.1. Etude de la bijection réciproque de \(f\).} \begin{enumerate} \item Montrer que \(f\) réalise une bijection de \(I\) dans un intervalle \(J\) que l'on précisera. On note \(f^{-1}\) la bijection réciproque. \item Donner sur le même graphique l'allure des courbes représentatives de \(f\) et de \(f^{-1}\). \item Justifier que: \end{enumerate} \[ \forall x \in J, \quad \begin{aligned} & \cos \left(f^{-1}(x)\right)=\frac{1}{x} \\ & \sin \left(f^{-1}(x)\right)=\sqrt{1-\frac{1}{x^{2}}} \end{aligned} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{3} \item Montrer que \(f^{-1}\) est dérivable sur \(J \backslash\{1\}\) et montrer que : \end{enumerate} \[ \forall x \in J \backslash\{1\}, \quad\left(f^{-1}\right)^{\prime}(x)=\frac{1}{x \sqrt{x^{2}-1}} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{4} \item En déduire le développement limité en \(\sqrt{2}\) de \(f^{-1}\) à l'ordre 1 . \end{enumerate} \subsection*{2.2. Etude des dérivées successives de \(f\).} \begin{enumerate} \item Justifier que \(f\) est de classe \(C^{\infty}\) sur \(I\), on note \(f^{(n)}\) la dérivée \(n^{\text {ème }}\) de \(f\) sur \(I\). \item Montrer que pour tout entier naturel \(n\) non nul, il existe un polynôme \(P_{n}\) tel que: \end{enumerate} \[ \forall x \in I, \quad f^{(n)}(x)=\frac{P_{n}(\sin x)}{\cos ^{n+1}(x)} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item Déterminer les polynômes \(P_{1}\) et \(P_{2}\). \item Montrer que : \end{enumerate} \[ \forall n \in \mathbb{N}^{*}, \quad P_{n+1}=\left(1-X^{2}\right) P_{n}^{\prime}+(n+1) X \cdot P_{n} \] En déduire le polynôme \(P_{3}\).\\ 5. Déterminer, pour tout entier naturel \(n\) non nul, le degré et le coefficient dominant du polynôme \(P_{n}\). \subsection*{2.3. Etude de la suite d'intégrales.} \begin{enumerate} \item Justifier que la suite \(\left(I_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) est bien définie. Calculer \(I_{2}\). \item Déterminer les réels \(a\) et \(b\), tels que : \end{enumerate} \[ \forall t \in \mathbb{R} \backslash\{-1,1\}, \quad \frac{1}{1-t^{2}}=\frac{a}{1-t}+\frac{b}{1+t} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item En posant \(t=\sin x\), déterminer \(I_{1}\). \item Déterminer le sens de variation de la suite \(\left(I_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\). \item Montrer que : \end{enumerate} \[ \forall n \in \mathbb{N}^{*}, \quad I_{n} \geqslant \int_{\frac{\pi}{4}-\frac{1}{n^{2}}}^{\frac{\pi}{4}} \frac{1}{\cos ^{n} x} d x \geqslant \frac{1}{n^{2}} \frac{1}{\cos ^{n}\left(\frac{\pi}{4}-\frac{1}{n^{2}}\right)} \] En déduire le comportement de la suite \(\left(I_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) lorsque \(n\) tend vers \(+\infty\).\\ 6. Montrer que : \[ \forall n \in \mathbb{N}, \quad I_{n+2}=\frac{(\sqrt{2})^{n}}{n+1}+\frac{n}{n+1} I_{n} \] \section*{3. PROBLEME.} \subsection*{3.1. Etude d'une variable discrète d'univers image fini.} Deux urnes \(A\) et \(B\), initialement vides, peuvent contenir respectivement au plus \(n\) et \(m\) boules ( \(n \geqslant 1, m \geqslant 1\) ).\\ On s'intéresse au protocole suivant : \begin{itemize} \item On choisit l'urne \(A\) avec la probabilité \(p \in] 0,1\) [, l'urne \(B\) avec la probabilité \(q=1-p\). \item On met une boule dans l'urne choisie. \item On répète cette épreuve autant de fois qu'il est nécessaire pour que l'une des urnes \(A\) ou \(B\) soit pleine, c'est-à-dire contienne \(n\) boules pour l'urne \(A\) ou contienne \(m\) boules pour l'urne \(B\), les choix des urnes étant mutuellement indépendants. \end{itemize} \subsection*{3.1.1. Préliminaires.} On définit la suite de terme général \(a_{n}\) par : \[ a_{n}=\frac{\sqrt{n} C_{2 n}^{n}}{4^{n}} \quad n \geqslant 1 \] \begin{enumerate} \item Calculer \(a_{1}\) et, pour tout entier \(n \geqslant 1\), le rapport \(\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\). \item Démontrer que pour tout entier \(n \geqslant 1\) : \end{enumerate} \[ a_{n} \leqslant \sqrt{\frac{n}{2 n+1}} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item Donner le sens de variation de la suite \(\left(a_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\), et montrer qu'elle converge vers un réel \(l\) tel que : \end{enumerate} \[ \frac{1}{2} \leqslant l \leqslant \frac{1}{\sqrt{2}} \] On admet que \(l=\frac{1}{\sqrt{\pi}}\). \subsection*{3.1.2. Etude de cas particuliers.} Dans cette partie seulement \(m=n\) et \(p=q=\frac{1}{2}\).\\ On note \(R_{n}\) la variable aléatoire égale au nombre (éventuellement nul) de boules contenues dans l'urne qui n'est pas pleine, à l'issue de l'expérience. \begin{enumerate} \item Donner les lois de \(R_{1}, R_{2}\) et \(R_{3}\). Justifier vos calculs. \item Calculer l'espérance et la variance de \(R_{1}, R_{2}\) et \(R_{3}\). \end{enumerate} Dans toute la suite du problème \(n \geq 2\).\\ 3. Quel est l'ensemble \(R_{n}(\Omega)\) des valeurs prises par la variable \(R_{n}\) ?\\ 4. Soit \(k\) appartenant à l'univers image \(R_{n}(\Omega)\).\\ a. Calculer la probabilité qu'à l'issue du \((n-1+k)^{\text {ème }}\) tirage l'urne \(A\) contienne \(n-1\) boules et l'urne \(B\) contienne \(k\) boules.\\ b. Donner alors la probabilité \(p\left(\left[R_{n}=k\right]\right)\).\\ 5. Vérifier que : \[ \forall k \in\{0,1, \ldots, n-2\}, \quad 2(k+1) p\left(\left[R_{n}=k+1\right]\right)=(n+k) p\left(\left[R_{n}=k\right]\right) \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{5} \item Par sommation de la relation qui précède, en déduire que : \end{enumerate} \[ E\left(R_{n}\right)=n-(2 n-1) p\left(\left[R_{n}=n-1\right]\right) \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{6} \item Donner alors un équivalent de \(n-E\left(R_{n}\right)\) quand \(n\) tend vers plus l'infini. \item De façon analogue, montrer que : \end{enumerate} \[ E\left(R_{n}^{2}\right)=(2 n+1) E\left(R_{n}\right)-n(n-1) \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{8} \item En déduire l'expression de \(V\left(R_{n}\right)\) en fonction de \(n\) et \(E\left(R_{n}\right)\). \item Ecrire un algorithme, en langage Pascal, permettant de calculer l'espérance de \(R_{n}\), l'entier \(n\) étant donné par l'utilisateur. \end{enumerate} \subsection*{3.1.3. Retour au cas général.} On abandonne les conditions \(m=n\) et \(p=q=\frac{1}{2}\). \begin{enumerate} \item En utilisant un argument probabiliste, montrer que: \end{enumerate} \[ \text { (1) }: \quad q^{m} \sum_{k=0}^{n-1} p^{k} C_{m-1+k}^{m-1}+p^{n} \sum_{k=0}^{m-1} q^{k} C_{n-1+k}^{n-1}=1 \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{1} \item On pose \(u_{m}=\sum_{k=0}^{m-1} q^{k} C_{n-1+k}^{n-1}\)\\ a. Etudier le sens de variation de la suite \(\left(u_{m}\right)_{m \in \mathbb{N}^{*}}\) et donner à l'aide de la relation (1) un majorant de \(u_{m}\) ne dépendant pas de \(m\).\\ Etablir alors la convergence de la suite \(\left(u_{m}\right)_{m \in \mathbb{N}^{*}}\).\\ b. Pour \(k \in\{0, \ldots, n-1\}\), donner un équivalent de \(C_{m-1 \div k}^{m-1}\) lorsque \(m\) tend vers \(+\infty\).\\ c. En déduire l'existence et la valeur de la limite suivante : \end{enumerate} \[ \lim _{m \rightarrow+\infty} q^{m} \sum_{k=0}^{n-1} p^{k} C_{m-1+k}^{m-1} \] d. Prouver alors que : \[ \lim _{m \rightarrow-\infty} u_{m}=\frac{1}{p^{n}} \] \subsection*{3.2. Etude d'une variable discrète d'univers image infini.} Dans cette dernière partie l'urne \(B\), initialement vide, a une capacité illimitée et l'urne \(A\), initialement vide, peut contenir au plus \(n\) boules ( \(n \geqslant 1\) ).\\ On s'intéresse au protocole suivant : \begin{itemize} \item On choisit l'urne \(A\) avec la probabilité \(p \in] 0,1[\), l'urne \(B\) avec la probabilité \(q=1-p\). \item On met une boule dans l'urne choisie. \item On répète cette épreuve autant de fois qu'il est nécessaire pour que l'urne \(A\) soit pleine, c'est-à-dire contienne \(n\) boules, les choix successifs des urnes étant mutuellement indépendants.\\ On note alors \(T_{n}\) le nombre (éventuellement nul) de boules contenues dans l'urne \(B\) et \(\left(Z_{j}\right)_{j \in\{1, \ldots, n\}}\), les variables aléatoires définies de la façon suivante : \item \(Z_{1}\) compte le nombre de boules mises dans \(B\) avant de mettre la première boule dans A. \item Pour tout entier \(j\) de \(\{2, \ldots, n\}, Z_{j}\) compte le nombre de boules mises dans \(B\) entre la \((j-1)^{\text {ème }}\) boule et la \(j^{\text {ème }}\) boule mises dans \(A\).\\ On admet que \(T_{n}\) est une variable aléatoire. \end{itemize} \begin{enumerate} \item Quel est l'ensemble \(T_{n}(\Omega)\) des valeurs prises par la variable \(T_{n}\) ? \item Pour tout entier naturel \(k\) appartenant à \(T_{n}(\Omega)\), donner la valeur de \(p\left(\left[T_{n}=k\right]\right)\). \item Vérifier que : \end{enumerate} \[ \sum_{k=0}^{+\infty} P\left(\left[T_{n}=k\right]\right)=1 \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{3} \item Pour tout entier \(j\) de \(\{1, \ldots, n\}\), donner la loi, l'espérance, la variance de \(Z_{j}\). \item Exprimer \(T_{n}\) en fonction des variables \(\left(Z_{j}\right)_{1 \leqslant j \leqslant n}\) et de l'entier \(n\). \item En déduire l'espérance et la variance de la variable \(T_{n}\). \end{enumerate} \end{document}