\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{} \date{} \begin{document} \maketitle \section*{Mercredi 20 avril 2011 de 8h00 à 12h00 } \section*{Durée : 4 heures} Candidats bénéficiant de la mesure "Tiers-temps" :\\ 8h00-13h20 Aucun document n'est autorisé.\\ Aucun instrument de calcul n'est autorisé.\\ L'énoncé comporte 8 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*{Ecricome Option Scientifique sujet principal} \section*{EXERCICE 1.} Soit \(n\) un entier naturel non nul, on considère \(E=\mathbb{R}_{n}[X]\) l'espace vectoriel sur \(\mathbb{R}\) des polynômes de degré inférieur ou égal à \(n\).\\ Pour tout entier naturel \(j\), on note \(P^{(j)}\) la dérivée \(j\)-ième de \(P\).\\ On définit la famille de polynômes \(\left(P_{k}\right)_{0 \leqslant k \leqslant n}\) par : \[ P_{0}(X)=1 \text { et } \forall k \in\{1, \ldots, n\}, \quad P_{k}(X)=\frac{X(X-k)^{k-1}}{k!} . \] \begin{enumerate} \item (a) Prouver que la famille ( \(P_{0}, P_{1}, \ldots, P_{n}\) ) est une base de \(E\).\\ (b) Montrer que pour tout entier \(k\) appartenant à \(\{1, \ldots n\}\), on a : \end{enumerate} \[ P_{k}^{\prime}(X+1)=P_{k-1}(X) \] puis, pour tous les entiers \(k . j\) vérifiant \(1 \leqslant j \leqslant k \leqslant n\). donner une relation entre \(P_{k}^{(j)}(X)\) et \(P_{k-j}(X-j)\).\\ (c) Soit \(P \in E\). justifier l'existence d'un \((n+1)\)-uplet \(\left(a_{0} . a_{1}, \ldots, a_{n}\right) \in \mathbb{R}^{n-1}\) tel que : \[ P=a_{0} P_{0}+a_{1} P_{1}+\cdots+a_{n} P_{n}=\sum_{k=0}^{n} a_{k} P_{k} \] puis établir que : \[ \forall j \in\{0,1, \ldots, n\}, \quad P^{(j)}(j)=a_{j} . \] Ainsi on a établi la relation : \[ \forall P \in E, \quad P=\sum_{l=0}^{n} P^{(k)}(k) P_{k} . \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{1} \item On considère l'application \(u\) définie sur \(E\) par : \end{enumerate} \[ \forall P \in E, \quad u(P)(X)=P^{\prime}(X+1) . \] (a) Etablir que \(u\) est un endomorphisme de \(E\).\\ (b) Ecrire la matrice \(A\) de l'endomorphisme \(u\) dans la base ( \(P_{0}, P_{1}, \ldots P_{n}\) ) de \(E\).\\ (c) Déterminer le rang de \(A\) ainsi que ses valeurs propres.\\ (d) La matrice \(A\) est-elle diagonalisable ? (Une réponse argumentée est attendue)\\ 3. On définit sur \(E \times E\) l'application \(\langle.,\).\(\rangle par :\) \[ \forall(P: Q) \in E \times E . \quad\langle P, Q\rangle=\sum_{k=0}^{n} P^{(k)}(k) Q^{(k)}(k) \] (a) Démontrer que \(\langle,\).\(\rangle définit un produit scalaire sur E\).\\ (b) Justifier que la famille ( \(P_{0}, P_{1}, \ldots, P_{n}\) ) est une base orthonormale de \(E\). \section*{EXERCICE 2.} On considère : \begin{itemize} \item la fonction \(\varphi\) définie sur \(\mathbb{R}_{+}^{*}\) par : \end{itemize} \[ \forall t \in \mathbb{R}_{+}^{*} . \quad \hat{\varphi}(t)=\frac{\exp (t)-1}{t}-t\left(\exp \left(\frac{1}{t}\right)-1\right) . \] \begin{itemize} \item la fonction \(\psi\) définie sur \(\mathbb{R}_{+}^{*}\) par : \end{itemize} \[ \forall t \in \mathbb{R}_{+}^{*}, \quad \psi(t)=t-\frac{1}{t}-\ln (t) . \] \begin{itemize} \item \(U\) l'ouvert de \(\mathbb{R}^{2}\) défini par : \end{itemize} \[ U=10,+\infty\left[{ }^{2}=\left\{(x, y) \in \mathbb{R}^{2} / x>0 \text { et } y>0\right\} .\right. \] \begin{itemize} \item \(f: U \rightarrow \mathbb{R}\) la fonction définie sur l'ouvert \(U\) et à valeurs réelles par : \end{itemize} \[ \forall(x, y) \in U, \quad f(x, y)=x^{y}-y^{x}=\exp (y \ln (x))-\exp (x \ln (y)) . \] où \(\exp (s)\) désigne l'exponentielle du réel \(s\) c'est-à-dire que \(\exp (s)=e^{s}\). On admet que \(f\) est de classe \(C^{2}\) sur \(U\). L'objectif de cet exercice est de prouver que la fonction \(f\) n'admet aucun extremum sur \(U\). \begin{enumerate} \item Etudier les variations de \(\psi\) sur \(\mathbb{R}_{+}^{*}\), calculer \(\psi(1)\) et préciser le signe de \(\psi\). \item Prouver la convergence de la série \(\sum_{n \geqslant 1} \frac{n-1}{n!}\) et calculer sa somme. \item Soit \(t \in \mathbb{R}_{+}^{*}\). Exprimer la somme \(\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{\psi\left(t^{n-1}\right)}{n!}\) en fonction de \(\varphi(t)\) et \(\ln (t)\). On admettra la convergence de cette série. \item Justifier que : \end{enumerate} \[ \forall t \in] 0,1[. \quad \varphi(t)<\ln (t), \quad \forall t \in] 1,+\infty[, \quad \varphi(t)>\ln (t) . \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{4} \item Soit \((x . y) \in U\). Montrer que ( \(x, y\) ) est un point critique de \(f\) si et seulement si : \end{enumerate} \[ \left\{\begin{array}{c} x>1, \quad y>1 ; \\ \ln (x) \ln (y)=1 ; \\ y^{x-1}=x^{y-1} \ln (x) \end{array} .\right. \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{5} \item Soit \((x, y) \in U\) un point critique de \(f\). Justifier l'existence d'un réel \(t \in \mathbb{R}_{+}^{*}\) tel que : \end{enumerate} \[ \left\{\begin{array}{l} x=\exp (t) . \quad y=\exp \left(\frac{1}{t}\right) ; \\ \varphi(t)=\ln (t) . \end{array}\right. \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{6} \item Prouver que (e.e) est l'unique point critique de \(f\). \item En comparant les signes des fonctions \(t \mapsto f(e, e+t)\) et \(t \mapsto f(e+t . e)\). justifier que \(f\) n'admet aucun extremum sur \(U\). \end{enumerate} \section*{PROBLEME} La partie \(\mathbf{I}\) consiste à justifier que les variables \(Y_{n}=\max \left(X_{1} \ldots X_{n}\right)\) et \(Z_{n}= \sum_{i=1}^{n} \frac{X_{i}}{i}\) possèdent la même loi lorsque \(\left(X_{1}, \ldots, X_{n}\right)\) est une famille de variables aléatoires mutuellement indépendantes suivant la même loi exponentielle de paramètre 1. La partie II a pour objectif d'établir que, pour chaque variable aléatoire \(X\) possédant une densité \(f\) avec \(f\) continue sur \(\mathbb{R}_{+}\)et \(f\) nulle sur \(\mathbb{R}_{-}^{*}\). il n'existe aucune variable aléatoire \(Y\) à densité dérivable \(g\) sur \(\mathbb{R}^{*}\), nulle sur \(\mathbb{R}_{-}^{*}\) et vérifiant \(g-g^{\prime}=f\). La partie III consistera à étudier les valeurs propres et vecteurs propres de l'application\\ linéaire introduite à la partie II..\\ Les parties I, II et III sont largement indépendantes. \section*{PARTIE I. Etude des variables \(Y_{n}\) et \(Z_{n}\).} Toutes les variables aléatoires considérées ici sont définies sur un même espace probabilisé ( \(\Omega . \mathcal{A} . P\) ).\\ Soit \(X\) une variable aléatoire, rappelons que : \begin{itemize} \item \(F_{X}\) désigne sa fonction de répartition définie par : \(\forall t \in \mathbb{R} . \quad F_{X}(t)=P(X \leqslant t)\). \item \(X\) suit la loi exponentielle de paramètre \(a \in] 0 .+\infty[\) si et seulement si sa fonction de répartition est définie par : \end{itemize} \[ F_{X}(t)=\left\{\begin{array}{cl} 0 & \text { si } t<0 ; \\ 1-\exp (-a t) & \text { si } t \geqslant 0 . \end{array}\right. \] où \(\exp (y)\) désigne l'exponentielle du réel \(y\) c'est-à-dire que : \(\exp (y)=e^{y}\). On considère une suite \(\left(X_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) de variables aléatoires mutuellement indépendantes suivant la même loi exponentielle de paramètre 1. Pour tout entier naturel \(n\) non nul, on note \(Y_{n}\) et \(Z_{n}\) les deux variables aléatoires définies respectivement par: \[ \begin{aligned} Y_{n} & =\max \left(X_{1}, X_{2}, \ldots X_{n}\right)=\max _{1 \leqslant i \leqslant n} X_{i} . \\ Z_{n} & =\frac{X_{1}}{1}+\frac{X_{2}}{2}+\cdots+\frac{X_{n}}{n}=\sum_{i=1}^{n} \frac{X_{i}}{i} . \end{aligned} \] où \(\max \left(X_{1} \ldots X_{n}\right)\) désigne le maximum des valeurs de \(X_{1}, \ldots X_{n}\).\\ Pour finir, on désigne par \(f_{n}\) la fonction définie sur \(\mathbb{R}\) par : \[ \left\{\begin{array}{l} f_{n}(t)=0 \text { si } t<0 \\ f_{n}(t)=n \cdot \exp (-t)(1-\exp (-t))^{n-1} \text { si } t \geqslant 0 . \end{array}\right. \] \begin{enumerate} \item On considère un tableau \(X\) de nombres récls de taille 2011 (c'est-à-dire «X \(=\) array[1...2011] of real>>) préalablement rempli.\\ (a) Ecrire un programme en Pascal calculant et affichant les réels : \end{enumerate} \[ \max (X[1], X[2]) \quad \text { et } \quad \max (X[1], X[2], X[3]) . \] (b) Ecrire un programme en Pascal calculant et affichant le réel : \[ \max (X[1], X[2], \ldots X[2011])=\max _{1 \leqslant i \leqslant 2011}(X[i j) . \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{1} \item (a) Pour tout réel \(t\), exprimer le réel \(F_{Y_{n}}(t)\) à l'aide des réels \(F_{X_{1}}(t), \ldots\). \(F_{X_{n}}(t)\).\\ (b) Pour tout réel \(t\), donner alors l'expression de \(F_{Y_{n}}(t)\) en fonction de \(n\) et \(t\) en distinguant le cas \(t<0\) et le cas \(t \geqslant 0\).\\ (c) Vérifier alors que la fonction \(f_{n}\) est une densité de probabilité de la variable aléatoire \(Y_{n}\). \item (a) Préciser la fonction de répartition de la variable aléatoire \(\frac{\mathrm{N}_{n+1}}{n+1}\).\\ (b) Démontrer que \(\frac{X_{n+1}}{n+1}\) est une variable aléatoire à densité et proposer une densité \(d_{n+1}\). \item Pour tout réel \(x\). vérifier que : \(\int_{0}^{r} n \cdot \exp (n t)(1-\exp (-t))^{n-1} d t=(\exp (r)-1)^{n}\). \item Montrer par récurrence que, pour tout entier naturel \(n\) non nul. \(Z_{\|}\)est une variable aléatoire à densité dont \(f_{n}\) est une densité. Indication : Pour l'hérédité, on remarquera que \(Z_{n+1}=Z_{n}+\frac{X_{n+1}}{n+1}\). \end{enumerate} \section*{PARTIE II. Existence et unicité de la solution d'une équation différentielle.} On désigne par \(E\) l'ensemble des fonctions \(f\) continues de [ \(0 .+\infty\) [ dans \(\mathbb{R}\) telles que l'intégrale \(\int_{0}^{+\infty}|f(t)| d t\) converge. On admet que \(E\) est un \(\mathbb{R}\)-espace vectoriel.\\ Pour toute fonction \(f\) appartenant à \(E\). on considère l'équation différentielle \[ \left(\mathcal{D}_{f}\right): y-y^{\prime}=f \] dont l'inconnue est la fonction \(y: \mathbb{R}_{+} \rightarrow \mathbb{R}\) qui est dérivable sur \(\mathbb{R}_{+}\). On fixe dans cette partie une fonction \(f\) appartenant à \(E\). Pour tout réel positif \(x\). on note : \[ k_{f}(x)=\exp (x) \int_{x}^{+\infty} \exp (-t) f(t) d t \] \begin{enumerate} \item Soient \(\varphi, \psi\) deux fonctions appartenant à \(E\), dérivables sur \(\mathbb{R}_{+}\)et vérifiant l'équation ( \(\mathcal{D}_{f}\) ). On introduit la fonction \(h\) définie sur \(\mathbb{R}_{+}\)par: \end{enumerate} \[ \forall x \in \mathbb{R}_{+} . \quad h(x)=(\varphi(x)-v(x)) \exp (-x) \] (a) Prouver que la fonction \(h\) est constante sur \(\mathbb{R}_{+}\).\\ (b) En utilisant le fait que la fonction \(\varphi-\psi\) appartient à \(E\), montrer que \(\rho=\psi\).\\ Nous avons ainsi établi qu'il existe au plus une solution dans \(E\) à P'équation ( \(\mathcal{D}_{j}\) ) lorsque \(f \in E\).\\ 2. Pour tout réel positif \(x\). justifier la convergence de l'intégrale \(\int_{x}^{+\infty} \exp (-t) f(t) d t\).\\ 3. Etablir que la fonction \(k_{f}: x \mapsto \exp (x) \int_{x}^{+\infty} \exp (-t) f(t) d t\) est dérivable sur \(\mathbb{R}_{+}\)et que : \[ \forall x \in \mathbb{R}_{+} . \quad k_{f}(x)-k_{f}^{\prime}(x)=f(x) . \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{3} \item On suppose uniquement dans cette question que \(f\) est à valeurs dans \(\mathbb{R}_{+}\) c'est-à-dire que : \end{enumerate} \[ \forall x \in \mathbb{R}_{+}, \quad f(x) \geqslant 0 . \] (a) Vérifier les relations suivantes: \[ \begin{aligned} (\alpha): & \forall x \in \mathbb{R}_{+}, \\ (\beta): & \forall A \in k_{f}(x) \leqslant \mathbb{R}_{+}^{+\infty} f(t) d t \\ & \int_{0}^{A} k_{f}(x) d x=k_{f}(A)-k_{f}(0)+\int_{0}^{A} f(x) d x \end{aligned} \] (b) Prouver que l'intégrale \(\int_{0}^{+\infty} k_{f}(x) d x\) converge et que: \[ \int_{0}^{+\infty} k_{f}(x) d x=\int_{0}^{+\infty}(1-\exp (-x)) f(x) d x \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{4} \item On revient au cas général où \(f: \mathbb{R}_{+} \rightarrow \mathbb{R}\) prend des valeurs non nécessairement positives.\\ Montrer que l'intégrale \(\int_{0}^{+\infty}\left|k_{f}(x)\right| d x\) converge. \item Soit \(X\) une variable aléatoire possédant une densité \(f\) avec \(f\) continue sur \(\mathbb{R}_{+}\)et \(f\) nulle sur \(\mathbb{R}_{-}^{*}\).\\ Justifier qu'il n'existe aucune densité \(g\) dérivable sur \(\mathbb{R}^{*}\), nulle sur \(\mathbb{R}_{-}^{*}\) et vérifiant \(g-g^{\prime}=f\) sur \(\mathbb{R}_{+}\). \end{enumerate} \section*{PARTIE III. Etude de l'application \(f \mapsto k_{f}\).} A la partie II, on a établi que si \(f\) appartient à \(E\). il existe une unique fonction \[ k_{f}: x \mapsto \exp (x) \int_{x}^{+\infty} \exp (-t) f(t) d t \] appartenant à \(E\) telle que : \[ k_{f}-k_{f}^{\prime}=f . \] On considère alors l'application \(\varphi\) définie sur \(E\) par : \[ \forall f \in E . \quad p(f)=k_{f} . \] \begin{enumerate} \item Etablir que \(\varphi\) est un endomorphisme de \(E\). \end{enumerate} Définition : On dit que le réel \(\lambda\) est valeur propre de \(\bar{r}\) s'll existe une fonction \(f\) de \(E\) non identiquement nulle telle que \(\tau(f)=\lambda f\). On dit que \(f\) est un vecteur propre de \(\varphi\) associé à la valeur propre \(\lambda\) et on appelle sousespace propre de \(\varphi\) associé à \(\lambda\) l'espace vectoriel \[ E_{\lambda}(\varphi)=\{f \in E \quad \text { telle que } \quad \gamma(f)=\lambda f\} \] La suite de cette partie est consacrée à la détermination des valeurs propres et des vecteurs propres de \(\varphi\).\\ 2. Pour tout réel \(a>0\). on considère la fonction \(f_{a}\) définie sur \(\mathbb{R}_{+}\)par : \[ \forall x \in \mathbb{R}_{+} ; \quad f_{a}(x)=\exp (-a x) . \] Vérifier que \(f_{a}\) appartient à \(E\), que \(f_{a}\) est un vecteur propre de \(\varphi\) et préciser la valeur propre associée.\\ 3. Soit \(\lambda\) une valeur propre de \(p\) et \(f \in E\) un vecteur propre associé à la valeur propre \(\lambda\).\\ (a) Montrer que \(\lambda\) est nécessairement non nul.\\ (b) Etablir que \(f\) est dérivable et vérifie l'équation différentielle : \(f^{\prime}= \left(1-\frac{1}{\lambda}\right) f\).\\ (c) Pour tout réel positif \(x\). donner l'expression de \(f(x)\) en fonction de \(\lambda\). \(x\) et dune certaine constante.\\ (d) Montrer que \(\lambda \in] 0,1[\).\\ 4. Préciser l'ensemble \(\mathrm{Sp}(\varphi)\) des valeurs propres de \(\varphi\) et, pour chaque valeur propre \(\lambda\) de \(\varphi\). proposer une base de l'espace propre \(E_{\lambda}(\varphi)\). \end{document}