\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.} Soit \(\vec{u}\) un vecteur unitaire de \(\mathbb{R}^{3}\) de coordonnées ( \(a, b, c\) ) dans la base canonique \(\mathcal{B}=(\vec{i}, \vec{j}, \vec{k})\) de \(\mathbb{R}^{3}\). On a donc \(a^{2}+b^{2}+c^{2}=1\).\\ On note \(p\) le projecteur orthogonal sur la droite \(\mathcal{D}\) de vecteur directeur \(\vec{u}\) et \(q\) le projecteur orthogonal sur \(\mathcal{D}^{\perp}\).\\ Id désigne l'application identité de \(\mathbb{R}^{3}\) et \(\langle.,\).\(\rangle le produit scalaire canonique de \mathbb{R}^{3}\). \begin{enumerate} \item Que vaut \(p+q\) ? \item Exprimer, pour \(\vec{v} \in \mathbb{R}^{3}, p(\vec{v})\) à l'aide de \(\langle\vec{v}, \vec{u}\rangle\) et de \(\vec{u}\). \end{enumerate} Calculer alors \(p(\vec{i}), p(\vec{j})\) et \(p(\vec{k})\).\\ En déduire les matrices \(P\) et \(Q\) de \(p\) et \(q\) dans la base \(\mathcal{B}\).\\ 3. Soit \(f\) l'endomorphisme de \(\mathbb{R}^{3}\) de matrice \(M=\left(\begin{array}{ccc}0 & -c & b \\ c & 0 & -a \\ -b & a & 0\end{array}\right)\) dans la base \(\mathcal{B}\).\\ a. Montrer que : \[ M^{2}=-Q . \] b. Calculer \(f(\vec{u})\). En déduire que \(r g(f) \leqslant 2\).\\ Déterminer l'image et le noyau de \(f\) et les exprimer en fonction de \(\mathcal{D}\).\\ c. Déduire de la question précédente la valeur de \(f \circ p\). Montrer alors que \(X+X^{3}\) est un polynôme annulateur de \(f\).\\ d. Quelles sont les valeurs propres de \(f\) ?\\ \(f\) est-il diagonalisable ?\\ 4. Pour tout réel \(\theta\), on définit l'endomorphisme \(g_{\theta}\) par : \[ g_{\theta}=I d+(\sin \theta) f+(1-\cos \theta) f^{2} \] où \(f^{2}=f \circ f\).\\ a. Pour \(\theta\) et \(\theta^{\prime}\) réels, calculer \(g_{\theta} \circ g_{\theta^{\prime}}\) et montrer qu'il se met sous la forme \(g_{\theta^{\prime \prime}}\) avec \(\theta^{\prime \prime}\) réel.\\ b. En déduire que, pour tout réel \(\theta, g_{\theta}\) est inversible et déterminer son inverse. \section*{2. EXERCICE.} On considère, pour \(n \in \mathbb{N}^{*}\), la fonction \(f_{n}\) définie sur \(\mathbb{R}^{+}\)par : \[ \text { pour tout } x \in \mathbb{R}^{+}, \quad f_{n}(x)=\frac{1}{n}-\frac{1}{n+x} . \] \begin{enumerate} \item a. Montrer que, pour tout réel positif \(x\), la série de terme général \(f_{n}(x)\) est convergente. On note \(F(x)\) sa somme.\\ b. Calculer \(F(0)\) et \(F(1)\). \item Montrer que, pour tout réel positif \(x\), la série de terme général \(f_{n}^{\prime}(x)\) est convergente. On note \(G(x)\) sa somme. \item Etude de la dérivabilité de \(F\).\\ a. Soit \(\varphi\) la fonction définie sur \(\mathbb{R}^{+*}\) par : \end{enumerate} \[ \text { pour } t \in \mathbb{R}^{+*}, \quad \varphi(t)=\frac{1}{t} \] Soit \(n \in \mathbb{N}^{*}\). A l'aide de l'inégalité de Taylor-Lagrange, montrer que : \[ \text { pour tout }\left(x, x_{0}\right) \in[n,+\infty]^{2}, \quad\left|\varphi(x)-\varphi\left(x_{0}\right)-\left(x-x_{0}\right) \varphi^{\prime}\left(x_{0}\right)\right| \leqslant \frac{\left(x-x_{0}\right)^{2}}{n^{3}} \text {. } \] b. En déduire, pour \(x \in \mathbb{R}^{+}\)et \(h \neq 0\) vérifiant \(x+h \in \mathbb{R}^{+}\), la nature de la série de terme général \(\left|f_{n}(x+h)-f_{n}(x)-h f_{n}^{\prime}(x)\right|\).\\ c. Montrer qu'il existe un réel \(K\) tel que, pour \(x \in \mathbb{R}^{+}\)et \(h \neq 0\) vérifiant \(x+h \in \mathbb{R}^{+}\), \[ \left|\frac{F(x+h)-F(x)}{h}-G(x)\right| \leqslant K|h| . \] d. En déduire que \(F\) est dérivable sur \(\mathbb{R}^{+}\)et que \(F^{\prime}=G\).\\ 4. Recherche d'un équivalent en \(+\infty\). Soit \(x \in \mathbb{R}^{+}\).\\ a. Justifier que, pour \(k \in \mathbb{N}^{*}\), \[ f_{k+1}(x) \leqslant \int_{k}^{k+1}\left(\frac{1}{t}-\frac{1}{t+x}\right) d t \leqslant f_{k}(x) \] b. En déduire que, pour \(n \geqslant 2\), \[ \int_{1}^{n+1}\left(\frac{1}{t}-\frac{1}{t+x}\right) d t \leqslant \sum_{k=1}^{n} f_{k}(x) \leqslant \frac{x}{x+1}+\int_{1}^{n}\left(\frac{1}{t}-\frac{1}{t+x}\right) d t \] c. En déduire que : \[ \ln (1+x) \leqslant F(x) \leqslant \frac{x}{x+1}+\ln (1+x) \] d. Déterminer un équivalent de \(F(x)\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\). \section*{3. PROBLEME.} L'objet du problème est la présentation d'une méthode probabiliste de calcul d'une intégrale (méthode de Monte-Carlo) et de deux façons de l'améliorer.\\ Dans tout le problème, \(U\) désigne une variable aléatoire de loi uniforme sur \([0,1], g\) une fonction continue sur \([0,1]\) et on pose \(J=\int_{0}^{1} g(t) d t\).\\ L'espérance d'une variable aléatoire \(X\) sera notée \(E(X)\) et sa variance \(V(X)\) (si elles existent).\\ On admet que, pour tout entier naturel non nul \(n\), si \(X_{1}, X_{2}, \ldots, X_{n}\) sont des variables aléatoires à densités, mutuellement indépendantes, alors des variables aléatoires de la forme \(f_{1}\left(X_{1}\right), f_{2}\left(X_{2}\right), \ldots, f_{n}\left(X_{n}\right)\) où les \(f_{i}\) sont des fonctions de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\), distinctes ou non, sont également mutuellement indépendantes. \subsection*{3.1. Méthode de Monte-Carlo.} \begin{enumerate} \item a. Rappeler une densité de \(U\).\\ b. Justifier que la variable aléatoire \(g(U)\) admet une espérance égale à \(J\). \item Soit \(\left(U_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) une suite de variables aléatoires indépendantes de même loi que \(U\). \end{enumerate} On suppose que \(\sigma^{2}=V(g(U)) \neq 0\) et on note pour tout \(n\) de \(\mathbb{N}^{*}, S_{n}=\sum_{i=1}^{n} g\left(U_{i}\right)\).\\ a. Justifier que la suite de variables aléatoires \(\left(\frac{S_{n}}{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) converge en probabilité vers \(J\).\\ b. Recherche d'un intervalle de confiance pour \(J\).\\ i. Justifier que la suite de variables aléatoires \(\left(\frac{\frac{S_{n}}{n}-J}{\frac{\sigma}{\sqrt{n}}}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) converge en loi vers une variable aléatoire de loi normale centrée réduite.\\ ii. On considère pour " \(n\) suffisamment grand " que \(\frac{\frac{S_{n}}{n}-J}{\frac{\sigma}{\sqrt{n}}}\) suit une loi normale \(\mathcal{N}(0,1)\). On donne \(\Phi(1,96)=0,975\) où \(\Phi\) désigne la fonction de répartition de la loi normale centrée réduite. Déterminer un intervalle de confiance pour \(J\), au niveau de confiance \(95 \%\), faisant intervenir \(S_{n}\). \section*{3. Application :} a. A l'aide du changement de variable \(t=\sin u\), montrer que \(\int_{0}^{1} 4 \sqrt{1-t^{2}} d t=\pi\).\\ b. i. Ecrire, en langage Pascal, une fonction \(\mathbf{G}\), de paramètre \(\mathbf{t}\), qui pour une valeur \(t\) du paramètre renvoie la valeur \(4 \sqrt{1-t^{2}}\).\\ ii. On rappelle qu'en langage Pascal, la fonction random permet de simuler une variable aléatoire de loi uniforme sur \([0,1]\).\\ En utilisant le résultat de la question 3.1.2. et la fonction \(\mathbf{G}\), les variables informatiques \(\mathbf{J}\) de type real et \(\mathbf{i}, \mathbf{n}\) de type integer étant supposées définies, compléter le corps du programme principal suivant, de manière à ce qu'il calcule une valeur approchée de \(\pi\). \begin{verbatim} begin randomize ; readln(n); J := 0 ; for i := 1 to n do .... ............ writeln (' une valeur approchée de pi est ', J ); end. \end{verbatim} \subsection*{3.2. Réduction de la variance par variables antithétiques.} \begin{enumerate} \item Reconnaître la loi de \(1-U\). \end{enumerate} On définit la variable aléatoire \(Y\) par \(Y=\frac{1}{2}[g(U)+g(1-U)]\). Que vaut \(E(Y)\) ?\\ 2. On suppose \(g\) strictement croissante et on admet l'existence des espérances intervenant dans cette question.\\ a. Justifier que, pour tout \((u, w) \in[0,1]^{2}\), \[ (g(u)-g(w))(g(1-u)-g(1-w)) \leqslant 0 . \] b. Soit \(W\) une variable aléatoire de loi uniforme sur \([0,1]\), indépendante de \(U\). Quel est le signe de \(E[(g(U)-g(W))(g(1-U)-g(1-W))]\) ?\\ En remarquant que \(g(U) g(1-U)\) et \(g(W) g(1-W)\) ont même espérance, en déduire que : \[ E[g(U) g(1-U)] \leqslant(E[g(U)])^{2} \] On admet que l'on obtiendrait le même résultat pour \(g\) strictement décroissante.\\ c. Montrer alors que, lorsque \(g\) est strictement monotone, \(V(Y) \leqslant \frac{1}{2} V(g(U))\).\\ 3. Donner un nouvel intervalle de confiance pour \(J\) au niveau de confiance \(95 \%\), basé sur cette méthode.\\ On note \(\ell_{n}\) la longueur de l'intervalle de confiance obtenu dans la partie 3.1 pour une valeur fixée de \(n\).\\ Avec cette nouvelle méthode, combien de tirages \(N\) de la variable aléatoire uniforme suffit-il de faire pour obtenir la même longueur \(\ell_{n}\) d'intervalle de confiance? \subsection*{3.3. Réduction de la variance par stratification.} \subsection*{3.3.1. Etude d'une fonction de plusieurs variables.} On considère la fonction \(f\) définie sur \(] 0,+\infty\left[{ }^{3}\right.\) par : \[ \text { pour tout } \left.\left(x_{1}, x_{2}, x_{3}\right) \in\right] 0,+\infty\left[{ }^{3}, \quad f\left(x_{1}, x_{2}, x_{3}\right)=\frac{1}{4 x_{1}}+\frac{1}{x_{2}}+\frac{1}{9 x_{3}}\right. \] \begin{enumerate} \item Justifier que \(f\) est de classe \(C^{2}\) sur \(] 0,+\infty\left[{ }^{3}\right.\). Calculer ses dérivées partielles d'ordre 1 et 2 . \item On note : \end{enumerate} \[ \nabla^{2} f(A)=\left[\frac{\partial^{2} f}{\partial x_{i} \partial x_{j}}(A)\right]_{1 \leqslant i, j \leqslant 3} \] la matrice hessienne de \(f\) en \(A=\left(a_{1}, a_{2}, a_{3}\right)\).\\ Justifier que, pour tout \(A \in] 0,+\infty\left[{ }^{3}\right.\), pour toute matrice colonne \(H\) à trois lignes, non nulle, on a : \[ { }^{t} H \nabla^{2} f(A) H>0 . \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{2} \item \(f\) admet-elle des extremums sur \(] 0,+\infty\left[{ }^{3}\right.\) ? \item On cherche désormais les extremums de \(f\) sous la contrainte \(x_{1}+x_{2}+x_{3}=110\). \end{enumerate} Montrer que \(f\) admet un unique point critique sous cette contrainte, que l'on déterminera.\\ En écrivant l'égalité de Taylor-Lagrange à l'ordre 1, montrer qu'il s'agit d'un minimum global sous contrainte. \subsection*{3.3.2. Méthode de stratification.} Soit \(a\) et \(b\) deux réels tels que \(0