2023-E3a-Mp1-corrigé

Concours e3a-Polytech 2023 — Mathématiques — MP

Le sujet comporte quatre exercices indépendants.

Exercice 1

Soit {n\geqslant1}.
On note {E_n=\mathbb{R}_n[X]} et {P_k=X^k} pour {k\in\{0,\ldots,n\}}.

Questions de cours

Soit {\alpha\in\mathbb{R}}.

1. Justifier que {\mathcal E=(1,X-\alpha,\ldots,(X-\alpha)^n)} est une base de {E_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2. Soit {P\in E_n}.
Donner sans démonstration sa décomposition dans la base {\mathcal E} à l’aide de ses dérivées successives.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3. On suppose que {\alpha} est une racine de {P} d’ordre {r\in\{1,\ldots,n\}}.
Déterminer le quotient et le reste de la division euclidienne de {P} par {(X-\alpha)^r}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

À tout {P\in E_n}, on associe :
{T(P)(X)=XP(X)-\frac1n(X^2-1)P'(X).}
4. Pour {k\in\{0,\ldots,n\}}, déterminer {T(P_k)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5. Montrer que {T} est un endomorphisme de {E_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6. Écrire la matrice {M} de {T} dans la base {\mathcal B=(P_0,\ldots,P_n)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

7. Soit {\lambda} une valeur propre réelle de {T}, et {P} un polynôme unitaire, vecteur propre associé à {\lambda}.

7.1. Montrer que {P} est de degré {n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
7.2. Soit {z_0} une racine complexe de {P} de multiplicité {r\geqslant1}.
Prouver que {z_0^2-1=0}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
7.3. En déduire une expression de {P}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
8. Déterminer les éléments propres de {T}.
L’endomorphisme est-il diagonalisable ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 2

Questions de cours

1. Pour {a>0} et {b\in\mathbb{R}}, choisir sans justification l’expression correcte de {a^b} : (A) {e^{b\ln a}} ; (B) {e^{a\ln b}} ; (C) {e^{\ln a\ln b}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2. Soient {x\lt y} et {t\in]0,1[}.
Comparer {t^x} et {t^y}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3. Donner sans démonstration le développement en série entière de l’exponentielle réelle et son domaine de validité.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
4. On définit {\Gamma(x)=\int_0^{+\infty}t^{x-1}e^{-t}\,dt}.
On admet qu’elle est définie pour {x>0} et vérifie {\Gamma(x+1)=x\Gamma(x)}.
Calculer {\Gamma(1)}, puis prouver par récurrence la valeur de {\Gamma(n+1)} pour {n\in\mathbb{N}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

5. Pour {x\in\mathbb{R}}, on pose, lorsque cela a un sens :
{F(x)=\int_0^1t^{t^x}\,dt,}où {t^{t^x}} signifie {t^{(t^x)}}.

5.1. Déterminer l’ensemble de définition de {F}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.2. Déterminer le sens de variation de {F}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.3. Montrer que, pour tout réel {x\geqslant0}, {F(x)\geqslant1/2}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.4. Démontrer que {F} est continue sur son ensemble de définition.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.5. Déterminer les limites de {F} en {+\infty} et en {-\infty}.
Citer précisément les théorèmes utilisés et vérifier leurs hypothèses.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.6. Dresser le tableau de variations de {F} et donner l’allure générale de sa courbe dans un repère orthonormal.
On admet {F'(0)=1/4} ; tracer la tangente en {0}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

6. On fixe {x>0}.
Pour {n\in\mathbb{N}} et {t\in]0,1]}, on pose :
{g_n(t)=\frac{t^{nx}\ln^n t}{n!}.}
6.1. Montrer que la série de fonctions {\sum\limits_{n\geqslant0}g_n} converge simplement sur {]0,1]} et donner sa somme.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6.2. Montrer que, pour tout {n\in\mathbb{N}} :
{\int_0^1|g_n(t)|\,dt=\frac1{n!}\frac{\Gamma(n+1)}{(nx+1)^{n+1}}.}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6.3. Établir que, pour {x>0} :
{F(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{(1+nx)^{n+1}}.}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 3

On note {E=C^0(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})}.
Pour {f\in E} et {x\geqslant0}, on pose {F(x)=\int_0^xf(u)\,du}.

1. Justifier que {F} est de classe {C^1} sur {\mathbb{R}_+} et donner {F'(x)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

On définit {\Psi} par :
{\Psi(f)(x)=\int_0^1f(xt)\,dt\quad(x\geqslant0).}
2. Pour {x>0}, exprimer {\Psi(f)(x)} à l’aide de {F(x)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3. Justifier que {\Psi(f)} est continue sur {\mathbb{R}_+} et donner {\Psi(f)(0)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
4. Montrer que {\Psi} est un endomorphisme de {E}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

5. Surjectivité de {\Psi}. On considère :
{h(x)=\left\{\begin{array}{ll}x\sin(1/x)&x>0,\\[4pt]0&x=0.\end{array}\right.}
5.1. Montrer que {h} est continue sur {\mathbb{R}_+}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.2. La fonction {h} est-elle de classe {C^1} sur {\mathbb{R}_+} ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.3. Soit {g\in\operatorname{Im}\Psi}.
Montrer que {x\mapsto xg(x)} est de classe {C^1} sur {\mathbb{R}_+}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.4. A-t-on {h\in\operatorname{Im}\Psi} ?
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.5. Conclure.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6. Montrer que {\Psi} est injective.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

7. Recherche des éléments propres de {\Psi}.

7.1. Justifier que {0} n’est pas valeur propre de {\Psi}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Soit {\mu\in\mathbb{R}}.
On considère sur {]0,+\infty[} l’équation :
{(L):\qquad y'+\frac\mu x y=0.}
7.2. Résoudre {(L)} sur {]0,+\infty[}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
7.3. Déterminer les solutions de {(L)} prolongeables par continuité sur {\mathbb{R}_+}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
7.4. Déterminer les valeurs propres de {\Psi} et les sous-espaces propres associés.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

8. Soit {n>1}.
Pour {i\in\{1,\ldots,n\}}, on pose {f_i(x)=x^i} sur {\mathbb{R}_+} et :
{g_i(x)=\left\{\begin{array}{ll}x^i\ln x&x>0,\\[4pt]0&x=0.\end{array}\right.}Ces fonctions sont continues, puisque {x^i\ln x\to0} en {0^+}.
On note {\mathcal B=(f_1,\ldots,f_n,g_1,\ldots,g_n)} et {F_n=\operatorname{Vect}(\mathcal B)}.
8.1. On veut montrer que {\mathcal B} est une base.
On suppose :
{\sum_{i=1}^n\alpha_if_i+\sum_{j=1}^n\beta_jg_j=0.\qquad(*)}
8.1.1. Montrer que {\alpha_1=\beta_1=0}.
On pourra diviser {(*)} par {x} pour {x>0}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
8.1.2. Soit {p\in\{1,\ldots,n-1\}}.
Supposons {\alpha_1=\cdots=\alpha_p=\beta_1=\cdots=\beta_p=0}.
Montrer que {\alpha_{p+1}=\beta_{p+1}=0}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
8.1.3. Conclure et déterminer {\dim F_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

8.2. Restriction de {\Psi} à {F_n}.

8.2.1. Pour {x>0} et {p\geqslant1}, montrer que {\int_0^xt^p\ln t\,dt} converge et calculer cette intégrale.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
8.2.2. En déduire que {\Psi} induit un endomorphisme {\Psi_n} sur {F_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
8.3. Donner la matrice de {\Psi_n} dans la base {\mathcal B}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
8.4. Démontrer que {\Psi_n} est un automorphisme de {F_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
8.5. Soit {z(x)=(x+x^2)\ln x} pour {x>0} et {z(0)=0}.
Après avoir vérifié {z\in F_n}, déterminer {\Psi_n^{-1}(z)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

Exercice 4

Soit {n\geqslant1}.

Questions de cours

1. Soit {p} un projecteur de rang {r} sur un espace de dimension {n}.

1.1. Donner, en fonction de {r}, une matrice {W} de {p} dans une base adaptée.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
1.2. Donner les spectres possibles de {W}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
1.3. Comparer {\operatorname{rg}(W)} et {\operatorname{tr}(W)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
1.4. Calculer {\det(W)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

On considère des variables indépendantes {X_1,\ldots,X_n} de loi de Bernoulli de paramètre {p\in]0,1[}, sur un même espace probabilisé {(\Omega,\mathcal A,\mathbb P)}.
La lettre {p} désigne désormais ce paramètre.
Pour tout {\omega\in\Omega}, la matrice {M(\omega)} est diagonalisable et semblable à :
{\Delta(\omega)=\operatorname{diag}(X_1(\omega),\ldots,X_n(\omega)).}2. On pose {T=\operatorname{tr}(M)}.

2.1. Déterminer {T(\Omega)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
2.2. Donner la loi de {T} et son espérance.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
3. En déduire la loi de {R=\operatorname{rg}(M)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

4. On pose {D=\det(M)}.

4.1. Déterminer {D(\Omega)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
4.2. Donner la loi de {D} et calculer son espérance.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

5. Soit {Z} l’événement : « les sous-espaces propres de {M} ont tous la même dimension ».

5.1. Soit {V} l’événement : « {M} ne possède qu’une seule valeur propre ».
Calculer {\mathbb P(V)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.2. Supposons {n} impair.
Déterminer {\mathbb P(Z)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
5.3. Supposons {n=2r} pair.
Calculer {\mathbb P(T=r)}, puis {\mathbb P(Z)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :

6. Pour {\omega\in\Omega}, on pose :
{\begin{array}{l}U(\omega)=(X_1(\omega),\ldots,X_n(\omega))^T,\\[4pt]A(\omega)=U(\omega)U(\omega)^T=(a_{ij}(\omega))_{i,j}.\end{array}}
6.1. Pour {\omega\in\Omega} et {i,j\in\{1,\ldots,n\}}, déterminer {a_{ij}(\omega)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6.2. Donner la loi de chaque variable aléatoire {a_{ij}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6.3. Montrer que {\operatorname{tr}(A)=\sum\limits_{i=1}^nX_i}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6.4. Déterminer les valeurs prises par {\operatorname{rg}(A)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6.5. Pour tout {\omega\in\Omega}, donner les valeurs propres de {A(\omega)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
6.6. Déterminer la loi de {\operatorname{rg}(A)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez : Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :