2022-Centrale-Psi2-Corrigé

Centrale-Supélec 2022 — PSI — Mathématiques 2

Objectif et notations

Ce problème étudie un opérateur intégral {U} sur un espace préhilbertien réel {E}, puis relie ses vecteurs propres aux solutions d’une famille d’équations différentielles.

Les parties I et II sont largement indépendantes, sauf pour la définition de {k_x}. La partie III utilise I et II. La partie IV est indépendante de III ; la partie V utilise III, IV et la question 3.

On note {E} l’ensemble des fonctions {f} continues de {\mathbb R_+^*} dans {\mathbb R} telles que l’intégrale {\int_0^{+\infty}f(t)^2\frac{e^{-t}}t\,dt} converge. Pour {\alpha>0}, on pose {p_\alpha(t)=t^\alpha}.

I — Préliminaires : étude de quelques éléments de E

I.A — Des fonctions de E utiles pour la suite

Q 1. Montrer que, pour tout {\alpha>0}, {p_\alpha} appartient à {E}.
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Q 2. Soit {P} une fonction polynomiale réelle non identiquement nulle. Montrer que sa restriction à {\mathbb R_+^*} appartient à {E} si et seulement si {P(0)=0}.
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Q 3. Soient {a,b\in\mathbb R}. Montrer que {t\mapsto ae^t+b} appartient à {E} si et seulement si {a=b=0}.
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Q 4. Montrer que, pour tout {x>0}, la fonction {t\mapsto(e^t-1)^2e^{-t}/t} est intégrable sur {]0,x]}.
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Q 5. Pour {x,t>0}, on note {k_x(t)=e^{\min(x,t)}-1}.

Représenter graphiquement {k_x} et montrer que {k_x\in E}.

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I.B — Une condition suffisante d’appartenance à E

Dans cette sous-partie, {f\in\mathcal C^1(\mathbb R_+^*,\mathbb R)} vérifie {\lim\limits_{x\to0^+}f(x)=0} et, pour une constante {C>0}, {\forall x>0,\quad |f'(x)|\le C\frac{e^{x/2}}{\sqrt x}.}

Q 6. Pour {x>0}, on pose {\Phi(x)=\frac{4\sqrt x\,e^{x/2}}{1+x}-\int_0^x\frac{e^{t/2}}{\sqrt t}\,dt.} Montrer que {\Phi} est de classe {\mathcal C^1}, tend vers {0} en {0} et vérifie {\Phi'(x)\ge0}.

En déduire {\Phi(x)\ge0}.

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Q 7. Montrer que, pour tout {x>0}, {|f(x)|\le4C\sqrt x\,e^{x/2}/(1+x)}.
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Q 8. En déduire que {f\in E}.
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II — Structure préhilbertienne de E

Q 9. Montrer que, pour {f,g\in E}, l’intégrale {\int_0^{+\infty}f(t)g(t)e^{-t}/t\,dt} est absolument convergente.
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Q 10. En déduire que {E} est un sous-espace vectoriel de {\mathcal C(\mathbb R_+^*,\mathbb R)}.
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Pour {f,g\in E}, on pose {\langle f\mid g\rangle=\int_0^{+\infty}f(t)g(t)\frac{e^{-t}}t\,dt.}

Q 11. Montrer que l’on définit ainsi un produit scalaire sur {E}.
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La norme associée est {\|f\|=\left(\int_0^{+\infty}f(t)^2\frac{e^{-t}}t\,dt\right)^{1/2}.}

Q 12. Montrer que {\lim\limits_{x\to0^+}\|k_x\|=0}, où {k_x(t)=e^{\min(x,t)}-1}.
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Q 13. Montrer que, pour tout {k\in\mathbb N}, {\int_0^{+\infty}t^ke^{-t}\,dt=k!}.
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Q 14. La famille {(p_n)_{n\in\mathbb N^*}} est-elle orthogonale dans {E} ?
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III — Un opérateur sur E

Pour {f\in E} et {x>0}, on définit {U(f)(x)=\langle k_x\mid f\rangle=\int_0^{+\infty}(e^{\min(x,t)}-1)f(t)\frac{e^{-t}}t\,dt.}

III.A

Q 15. À l’aide de Cauchy-Schwarz, montrer que {\lim\limits_{x\to0^+}U(f)(x)=0} pour toute {f\in E}.
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Q 16. Montrer que, pour {f\in E} et {x>0}, {\begin{array}{rl}U(f)(x)={}&\displaystyle\int_0^x(1-e^{-t})\frac{f(t)}t\,dt\\[8pt]&\displaystyle+(e^x-1)\int_x^{+\infty}f(t)\frac{e^{-t}}t\,dt.\end{array}}
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Q 17. Montrer que {U(f)} est de classe {\mathcal C^1} sur {\mathbb R_+^*} et que {U(f)'(x)=e^x\int_x^{+\infty}f(t)\frac{e^{-t}}t\,dt.}
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Pour alléger les notations, la dérivée de {U(f)} est désormais notée {U(f)'}.

Q 18. Montrer que {U(f)} est de classe {\mathcal C^2} sur {\mathbb R_+^*} et résout {(\mathrm{III}.1)\quad y''-y'=-\frac{f(x)}x.}
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Q 19. Montrer que, pour {f\in E} et {x>0}, {\begin{array}{rl}|U(f)'(x)|&\displaystyle\le e^x\|f\|\left(\int_x^{+\infty}\frac{e^{-t}}t\,dt\right)^{1/2}\\[8pt]&\displaystyle\le\|f\|\frac{e^{x/2}}{\sqrt x}.\end{array}}
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Q 20. En déduire que {U} est un endomorphisme de {E} et que {|U(f)(x)|\le\frac{4\|f\|\sqrt x\,e^{x/2}}{1+x}.}
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Q 21. En déduire que {\|U(f)\|\le4\|f\|}.
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Q 22. Montrer que {U} est injectif.
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Q 23. L’endomorphisme {U} est-il surjectif ?
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III.B

On fixe {f,g\in E} et on pose {F(x)=-U(f)'(x)e^{-x}} pour {x>0}.

Q 24. Montrer que {F} est une primitive de {x\mapsto f(x)e^{-x}/x} sur {\mathbb R_+^*}.
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Q 25. Montrer que {|F(x)U(g)(x)|\le4\|f\|\,\|g\|/(1+x)}.
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Q 26. Montrer que, pour {0\lt x\le1}, {|F(x)|\le\|f\|\sqrt{e^{-1}-\ln x}}.

On pourra utiliser Q19.

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Q 27. Montrer l’existence et calculer les limites en {0} et en {+\infty} de {t\mapsto F(t)U(g)(t)}.
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Q 28. Montrer que {\langle f\mid U(g)\rangle=\int_0^{+\infty}U(f)'(t)U(g)'(t)e^{-t}\,dt}.
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Q 29. En déduire que {\langle f\mid U(g)\rangle=\langle U(f)\mid g\rangle}.
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IV — Solutions d’une équation différentielle développables en série entière

Pour {p\in\mathbb R^*}, on note {(E_p)} l’équation, sur {\mathbb R_+^*}, {(E_p)\quad x(y''-y')+py=0.}

Q 30. Soient {p\ne0} et {(a_n)_{n\in\mathbb N}} une suite réelle telle que {\sum\limits_{n\ge0}a_nx^n} ait un rayon de convergence infini.

Montrer que sa somme {f} résout {(E_p)} si et seulement si {\left\{\begin{array}{l}a_0=0,\\[8pt]n(n+1)a_{n+1}=(n-p)a_n\quad(n\ge1).\end{array}\right.}

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IV.A — Recherche de solutions polynomiales

Q 31. Montrer que {(E_p)} possède des solutions polynomiales non nulles si et seulement si {p\in\mathbb N^*}. Montrer qu’elles sont alors de degré {p} et appartiennent à {E}. Il n’est pas demandé de les déterminer explicitement.
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On fixe maintenant {p\in\mathbb N^*} et un polynôme {P} solution de {(E_p)}. Pour tout {x\in\mathbb R}, on pose {h(x)=e^{-x}P(x)}. On cherche une expression de {P} en fonction de {p}.

Q 32. Montrer que {h} résout {x(y''+y')+py=0} sur {\mathbb R_+^*}.
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Q 33. Justifier que {h} est développable en série entière sur {\mathbb R}.
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On écrit {h(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}b_nx^n}. On admet, par le même calcul qu’en Q30, {\left\{\begin{array}{l}b_0=0,\\[8pt]n(n+1)b_{n+1}=-(n+p)b_n\quad(n\ge1).\end{array}\right.}

Q 34. Montrer que, pour {n\ge1}, {b_n=(-1)^{n-1}(n+p-1)!b_1/[p!n!(n-1)!]}.
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Q 35. On pose {g_p(x)=x^{p-1}e^{-x}}.

Justifier que {g_p^{(p)}} est développable en série entière et déduire de Q34 que {P(x)=Cx e^xg_p^{(p)}(x).} Préciser la constante réelle {C} en fonction de {b_1} et de {p}.

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IV.B — Solutions développables en séries entières non polynomiales

On fixe ici {p\in\mathbb R^*} tel que {p\notin\mathbb N^*}.

Q 36. Justifier l’existence de suites réelles non identiquement nulles {(a_n)} telles que {\sum\limits_{n\ge0}a_nx^n} ait un rayon infini et que sa somme résolve {(E_p)}.
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On fixe une telle série entière et on pose, pour {x>0}, {f(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}a_nx^n}.

Q 37. Montrer qu’il existe un entier naturel {q>p} tel que {|a_{n+1}|\ge|a_n|/[2(n+1)]} pour tout {n\ge q}.
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Q 38. En déduire que, pour {n\ge q}, {|a_n|\ge q!|a_q|/[2^{n-q}n!]}.
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Q 39. Montrer que {\psi(x)=\sum\limits_{n=q}^{+\infty}|a_n|x^n} n’appartient pas à {E}.
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Q 40. En déduire que {f\notin E}.
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V — Éléments propres de U

Q 41. Le réel {0} est-il valeur propre de {U} ?
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Q 42. Soit {\lambda\ne0} une valeur propre de {U} et {f} un vecteur propre associé.

Montrer que {f} résout {(E_{1/\lambda})}.

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On suppose désormais que {f} est développable en série entière de rayon infini : {\forall x>0,\quad f(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n.}

Q 43. Montrer que les seules valeurs propres possibles de {U} sont de la forme {\lambda=1/p} avec {p\in\mathbb N^*}.
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Q 44. Soit {P} une solution polynomiale non nulle de {(E_p)}. Montrer que {pU(P)-P} résout {y''-y'=0}.
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Q 45. Montrer que {P} est un vecteur propre de {U} pour la valeur propre {1/p}.
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Q 46. Pour {p\ge1}, on pose {P_p(x)=xe^xg_p^{(p)}(x)}, où {g_p(x)=x^{p-1}e^{-x}}. On rappelle que {P_p} est un polynôme de degré {p} et appartient à {E}.

Montrer que ces polynômes sont deux à deux orthogonaux.

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