2025-Inp-Mpi2-Corrigé

CCINP 2025 — Mathématiques 2 — MPI

Le sujet comporte deux exercices et un problème.

Exercice 1

Soient {n\geq1} et {x_1,\ldots,x_n\gt0}. On pose {m=(1/n)\sum\limits_{j=1}^nx_j}.

On désigne par {\mathcal S_n^{++}(\mathbb R)} l’ensemble des matrices réelles symétriques définies positives d’ordre {n}.

Q 1. Montrer que

{\sum_{k=1}^n\ln\frac{x_k}{m}\leq\sum_{k=1}^n\left(\frac{x_k}{m}-1\right).}

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Q 2. En déduire que

{\left(\prod_{k=1}^nx_k\right)^{1/n}\leq\frac1n\sum_{k=1}^nx_k.}

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Q 3. Montrer que l’égalité dans Q2 a lieu si et seulement si {x_1=\cdots=x_n}.
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Q 4. Pour {B\in\mathcal S_n^{++}(\mathbb R)}, montrer que {(\det B)^{1/n}\leq\operatorname{Tr}(B)/n}, avec égalité si et seulement si {B\in\operatorname{Vect}(I_n)}.
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Désormais {A=(a_{ij})\in\mathcal S_n^{++}(\mathbb R)}.

Q 5. Montrer que {a_{ii}\gt0} pour tout {1\leq i\leq n}.
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Q 6. On pose {D=\operatorname{Diag}(a_{11}^{-1/2},\ldots,a_{nn}^{-1/2})} et {B=DAD}. Montrer que {B\in\mathcal S_n^{++}(\mathbb R)} et en déduire

{\det A\leq a_{11}\cdots a_{nn},}avec égalité si et seulement si {A} est diagonale.

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Exercice 2

On définit {P_0=1}, {P_1=X} et {P_{n+2}=2XP_{n+1}-P_n} pour {n\in\mathbb N}. Dans les questions suivantes, {n,k} sont des entiers naturels.

Q 7. Donner le degré et le terme dominant de {P_n}.
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Q 8. Montrer que {P_n(\cos\theta)=\cos(n\theta)} pour tout réel {\theta}.
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Pour {P,Q\in\mathbb R[X]}, on pose

{\langle P,Q\rangle=\int_{-1}^1\frac{P(t)Q(t)}{\sqrt{1-t^2}}\,dt.}

Q 9. Justifier la convergence de cette intégrale.
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Q 10. Montrer que cette application est un produit scalaire sur {\mathbb R_k[X]}.
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Q 11. Calculer {\int_0^\pi\cos(n\theta)\cos(m\theta)\,d\theta} pour {n,m\in\mathbb N}.
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Q 12. Donner une base orthonormale de {\mathbb R_k[X]} pour ce produit scalaire.
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Problème — Matrices de rang 1

On fixe {n\geq2}. On note {\mathcal M_n(\mathbb R)}, {\mathcal M_{n,1}(\mathbb R)} et {\mathcal M_{1,n}(\mathbb R)} les espaces des matrices carrées, colonnes et lignes correspondantes.

Partie I — Exemples

Les variables {X_1,\ldots,X_n} sont indépendantes, de loi de Bernoulli de paramètre {p\in]0,1[}. On pose

{U=(X_1,\ldots,X_n)^{\mathsf T},\quad M=UU^{\mathsf T}=(X_iX_j)_{1\leq i,j\leq n}.}

Q 13. Avec {Y=\operatorname{rg}(M)}, montrer que {Y} suit une loi de Bernoulli de paramètre {1-(1-p)^n}.
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Q 14. Reconnaître la loi de {\operatorname{Tr}(M)}.
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Q 15. Vérifier que {M^2=\operatorname{Tr}(M)M}, puis calculer la probabilité que {M} soit une matrice de projection.
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Q 16. On suppose maintenant les {X_i} indépendantes et de loi de Poisson de paramètre {\lambda\gt0}, avec la même définition de {M}.

Calculer à nouveau la probabilité que {M} soit une matrice de projection.

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Q 17. Soit {J} la matrice dont tous les coefficients valent {1}.

Donner son rang, sa trace et une diagonalisation avec matrice de passage.

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Q 18. Donner une matrice d’ordre {3}, de rang {1}, non diagonalisable, et préciser sa trace.
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Partie II — Résultats généraux

Dans cette partie, {A\in\mathcal M_n(\mathbb R)} est de rang {1}.

Q 19. Soit {C} la première colonne non nulle de {A}. Montrer qu’il existe une ligne non nulle {L} telle que {A=CL}.
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Q 20. Calculer {LC}, puis en déduire {A^2=\operatorname{Tr}(A)A}.
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Q 21. Déterminer le polynôme caractéristique et le polynôme minimal de {A}.
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Q 22. Établir que {A} est diagonalisable si et seulement si {\operatorname{Tr}(A)\ne0}.
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On note {u} l’endomorphisme de {\mathbb R^n} canoniquement associé à {A}.

Q 23. Supposons {\operatorname{Im}u\cap\ker u\ne\{0\}}. Montrer que {\operatorname{Im}u\subset\ker u}, puis construire une base dans laquelle la matrice de {u} a pour seul coefficient non nul un {1} en position {(2,1)}.
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Q 24. Supposons {\operatorname{Im}u\cap\ker u=\{0\}}.

Construire une base dans laquelle la matrice de {u} vaut {\operatorname{Diag}(a,0,\ldots,0)}, avec {a\ne0}.

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Q 25. Conclure que deux matrices réelles de rang {1} sont semblables si et seulement si elles ont la même trace.
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