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Polytechnique Mathématiques 1 MP 2006

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Fonctions (limites, continuité, dérivabilité, intégration)Séries entières (et Fourier)Suites et séries de fonctionsEquations différentielles
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CONCOURS D'ADMISSION 2006

PREMIÈRE COMPOSITION DE MATHÉMATIQUES

(Durée : 4 heures)
L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve.

Étude des solutions d'une équation fonctionnelle

Ce problème a pour but l'étude des solutions de l'équation
où l'inconnue est une fonction réelle dérivable d'une variable réelle et où est un nombre réel fixé non nul. On considérera aussi le système

est un nombre réel fixé.

Première partie

Dans cette première partie, la variable varie dans et on suppose .
  1. Résoudre le système ( ) dans le cas où .
  2. Même question dans le cas où .
    3.a) Vérifier que la série entière est absolument convergente pour tout réel et que sa somme est solution du système ( ).
    3.b) En serait-il de même si l'on supposait ?
  3. Étant donné un nombre réel , on désigne par l'espace vectoriel des fonctions réelles continues sur l'intervalle et on le munit de la norme définie par . On note l'application de dans lui-même définie par
4.a) Vérifier que l'application est continue.
4.b)Vérifier qu'une fonction dérivable sur est solution de ( ) si et seulement si, pour tout , la restriction de à est un point fixe de .
4.c) Vérifier que, pour tout entier , tout réel , tout et tous ,
4.d) Déterminer un entier tel que l'on ait, pour tous ,
avec une constante .
4.e) Démontrer l'unicité de la solution du système ( ).
5. On pose, pour tout réel,
5.a) Déterminer la limite de lorsque tend vers 0 .
5.b) Montrer que la fonction , définie maintenant sur l'ensemble , est de classe .
5.c) On suppose ici et on s'intéresse à la fonction restreinte à l'intervalle . Déterminer son signe, son sens de variation et sa limite lorsque .

Deuxième partie

Notations. Étant donné une suite de nombres réels , où parcourt l'ensemble , on dira que la série est absolument convergente si les deux séries et le sont; dans ce cas on posera
Dans cette partie, on suppose et on s'intéresse au système ( ) où parcourt l'intervalle .
6. Étant donné un nombre réel , trouver des nombres réels , possédant les propriétés suivantes :
(i) ,
(ii) la série est absolument convergente pour tout , 0], et sa somme est solution de .
N.B. On ne demande pas de prouver l'unicité des .
7. Déduire de la question 6 une solution de ( ) sur l'intervalle ] - ].
8. Que se passe-t-il si l'on suppose au lieu de , et si l'on remplace la série par la série , mais en conservant les conditions (i)?

Troisième partie

Dans cette partie, on suppose et on note l'espace vectoriel des solutions de ( ) définies sur l'intervalle . Pour tout , on pose .
9. Vérifier que, si , on a
pour tous entiers et tels que et tout .
Pour toute fonction définie sur , on note la restriction de à .
10. Vérifier que l'application définie par est injective.
11. Étant donné un élément de , donner une condition nécessaire et suffisante, portant sur les dérivées de aux points 1 et , pour que appartienne au sous-espace image de .
12. On se donne un élément de et on fait l'hypothèse que est nul pour tout entier . On se propose de démontrer que est nulle.
12.a) Vérifier que, pour tout , on a
et
12.b) Déterminer pour tout un nombre réel tel que l'on ait, pour tout :
[On pourra utiliser la formule de Taylor.]
12.c) Montrer que l'on a pour tout .
12.d) Conclure.
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