\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{MATHÉMATIQUES Option Scientifique } \author{Lundi 2 mai 2005 de 8 h00 à 12 h00\\ Durée : 4 heures} \date{} \begin{document} \maketitle \section*{CONCOURS D'ADMISSION 2005} Candidat bénéficiant de la mesure «Tiers-temps»: 8h00-13h20\\ Aucun document n'est autorisé. Aucun instrument de calcul n'est autorisé. \section*{L'énoncé comporte 6 pages} Les candidats sont invités à soigner la présentation de leur copie, à mettre en évidence les principaux résultats, à respecter les notations de l'énoncé et à donner des démonstrations complètes - mais brèves - de leurs affirmations. \section*{1. EXERCICE} L'espace \(\mathbb{R}^{3}\) est muni de son produit scalaire usuel. Trois réels \(a, b, c\) étant donnés, on pose : \[ M(a, b, c)=\left[\begin{array}{ccc} a & c & b \\ c & a+b & c \\ b & c & a \end{array}\right] \] \begin{enumerate} \item Déterminer trois matrices \(I, J, K\) dont les coefficients ne dépendent pas de \(a, b, c\),telles que : \end{enumerate} \[ M(a, b, c)=a I+b J+c K \] Calculer \(J^{2}, K^{2}\) et \(K^{3}\). Déterminer une relation entre \(I, J\) et \(K^{2}\), ainsi qu'un polynôme annulateur de \(K\).\\ Quelles sont les valeurs propres possibles de \(K\) ?\\ 2. Justifier qu'il existe une matrice \(P \in \mathcal{M}_{3}(\mathbb{R})\) inversible, telle que \(D=\left({ }^{t} P\right) K P\) soit une matrice diagonale.\\ Déterminer \(P\) et \(D\) vérifiant les conditions précédentes et telles que \(d_{11}1\) et la calculer dans ce cas.\\ b. Montrer que \(X\) admet une variance si et seulement si \(n>2\), exprimer \(V(X)\) en fonction de \(k_{n}, n\) et \(\frac{J_{n-1}}{2}\) puis vérifier que \end{enumerate} \[ V(X)=\frac{n}{n-2} \] Lorsque \(n=1\) la loi de Student à 1 degré de liberté s'appelle loi de Cauchy et une densité sur \(\mathbb{R}\) est donc : \[ f_{1}: t \mapsto \frac{1}{\pi} \frac{1}{1+t^{2}} \] \section*{Partie III : Simulation d'une loi.} Dans le plan rapporté à un repère orthonormal direct ( \(O, \vec{\imath}, \vec{\jmath}\) ), un rayon lumineux part de l'origine \(O\) et frappe un écran représenté par la droite d'équation \(x=1\), en un point \(M\). On suppose que \(\Theta\), mesure de l'angle ( \(\vec{\imath}, \overrightarrow{O M}\) ), est une variable aléatoire de loi uniforme sur \(]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[\). \begin{enumerate} \item Déterminer la fonction de répartition de la variable aléatoire \(\tan \Theta\). En déduire que \(\tan \Theta\) est une variable aléatoire à densité, dont on explicitera une densité. \item Exprimer \(Y\), variable aléatoire égale à l'ordonnée du point \(M\), en fonction de \(\Theta\). Reconnaître la loi de \(Y\). \item On rappelle qu'en langage Pascal, la fonction random simule une variable aléatoire de loi uniforme sur \(] 0,1[\). On considère le programme informatique suivant : \end{enumerate} \begin{verbatim} program simu; var u,x:real; begin randomize; u:=random; x:= = sin}(pi*u-pi/2) end. \end{verbatim} Quelle loi de probabilité ce programme permet-il de simuler ? Expliquer. \section*{Partie IV : Obtention d'une loi de Cauchy à partir de lois normales.} On considère un espace probabilisé ( \(\Omega, \mathcal{A}, P\) ). \begin{enumerate} \item Soit \(Y\) une variable aléatoire définie sur ( \(\Omega, \mathcal{A}, P\) ), de fonction de répartition \(F\). On notera \(G\) la fonction de répartition de la variable aléatoire \(|Y|\).\\ a. On suppose dans cette question que \(Y\) est une variable aléatoire de densité \(f\) continue sur \(\mathbb{R}\).\\ Exprimer une densité de \(-Y\) à l'aide de \(f\) et montrer que \(Y\) et \(-Y\) ont même loi si et seulement si \(f\) est paire.\\ On suppose cette condition vérifiée. Exprimer \(G\) à l'aide de \(F\) et montrer que \(|Y|\) est une variable aléatoire à densité. Exprimer une densité \(g\) de \(|Y|\) en fonction de \(f\).\\ b. Inversement, on suppose dans cette question que \(|Y|\) est une variable aléatoire de densité \(g\), et que \(Y\) et \(-Y\) ont la même loi.\\ Montrer que, pour tout réel \(x, P([Y=x])=0\), puis exprimer \(F(x)\) en fonction de \(F(-x)\)\\ Exprimer \(F(x)\) en fonction de \(G\) et de \(x\). (on pourra distinguer deux cas : \(x<0\) et \(x \geqslant 0\) ).\\ En déduire que \(Y\) est une variable à densité et exprimer une densité \(f\) de \(Y\) en fonction de \(g\). \item Soit e un réel strictement positif. A l'aide du changement de variable \(u=e^{2 t}\), montrer que l'intégrale \end{enumerate} \[ \int_{-\infty}^{+\infty} e^{2 t} e^{-\frac{c e^{2 t}}{2}} d t \] converge et la calculer.\\ 3. Soient \(X\) et \(X^{\prime}\) deux variables aléatoires définies sur ( \(\Omega, \mathcal{A}, P\) ), indépendantes, à valeurs dans \(\mathbb{R}^{*}\), de même densité \(\varphi\) définie par : \[ \forall x \in \mathbb{R}, \varphi(x)=\frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{-\frac{x^{2}}{2}} \] a. Montrer que la variable aléatoire \(Z=\ln |X|\) est une variable aléatoire à densité, et en déterminer une densité. Quelle est une densité de la variable aléatoire \(-Z\) ?\\ b. Montrer qu'une densité \(h\) de la variable aléatoire \(\ln \left|\frac{X}{X^{\prime}}\right|\) est domnée par : \[ \forall x \in \mathbb{R}, h(x)=\frac{2}{\pi} \frac{e^{x}}{e^{2 x}+1} \] c. Déterminer une densité de la variable aléatoire \(\left|\frac{X}{X^{\prime}}\right|\) puis reconnaitre la loi de \(\frac{X}{X^{\prime}}\). \end{document}