Centrale-Supélec 2023 — Mathématiques 2 — MP, MPI
Notations
Dans tout le sujet, {n} désigne un entier naturel non nul. Pour deux entiers naturels {a,b}, on note {\llbracket a,b\rrbracket} l’ensemble des entiers naturels {k} tels que {a\leqslant k\leqslant b}.
Pour deux suites réelles {(u_m)} et {(v_m)}, la notation {u_m=O(v_m)} signifie qu’il existe une suite bornée {(M_m)} telle que, à partir d’un certain rang, {u_m=M_mv_m}. On pourra utiliser sans démonstration la formule de Stirling précisée :
{n!=\left(\dfrac ne\right)^n\sqrt{2\pi n}\left(1+O\left(\dfrac1n\right)\right)}Toutes les variables aléatoires considérées sont discrètes.
I Résultats préliminaires
I.A – Calcul d’une intégrale classique
Rappelons que {n} désigne un entier naturel non nul. On note :
{I_n=\int_0^1\dfrac{\mathrm{d}t}{(1+t^2)^n},\quad K_n=\int_0^{+\infty}\dfrac{\mathrm{d}t}{(1+t^2)^n}}
I.A.1)
Q 1. Montrer que {I_n\geqslant1/2^n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 2. Justifier l’existence de {K_n} et donner la valeur exacte de {K_1}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 3. Montrer que :
{\int_1^{+\infty}\dfrac{\mathrm{d}t}{(1+t^2)^n}=O\left(\dfrac1{n2^n}\right)}On pourra minorer {1+t^2} par un polynôme de degré {1}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 4. En déduire que, lorsque {n} tend vers {+\infty}, {I_n\sim K_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 5. Établir la relation de récurrence {K_n=K_{n+1}+\dfrac1{2n}K_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 6. En déduire un équivalent simple de {I_n} lorsque {n} tend vers {+\infty}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
I.A.2)
Q 7. Justifier que :
{\sqrt n\,I_n=\int_0^{\sqrt n}\dfrac{\mathrm{d}u}{(1+u^2/n)^n}}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 8. Montrer que :
{\lim_{n\to+\infty}\sqrt n\,I_n=\int_0^{+\infty}e^{-u^2}\mathrm{d}u}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 9. En déduire les valeurs de {\int_0^{+\infty}e^{-u^2}\mathrm{d}u} puis de {\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-u^2/2}\mathrm{d}u}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Dans toute la suite, on posera pour tout
{x} réel :
{\varphi(x)=\dfrac1{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2},\quad\Phi(x)=\int_{-\infty}^x\varphi(t)\mathrm{d}t}
I.B – Comportement asymptotique de {1-\Phi}
Soit
{x>0}.
Q 10. En écrivant que {\varphi(t)\leqslant\dfrac tx\varphi(t)} pour tout {t\geqslant x}, montrer que :
{\int_x^{+\infty}\varphi(t)\mathrm{d}t\leqslant\dfrac{\varphi(x)}x}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 11. À l’aide de l’étude d’une fonction bien choisie, montrer que :
{\dfrac{x}{x^2+1}\varphi(x)\leqslant\int_x^{+\infty}\varphi(t)\mathrm{d}t}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 12. En déduire un équivalent simple de {1-\Phi(x)} lorsque {x} tend vers {+\infty}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
I.C – Une inégalité maximale
Dans cette sous-partie, {n} est un entier naturel non nul et {Z_1,\ldots,Z_n} sont des variables aléatoires discrètes indépendantes sur un espace probabilisé {(\Omega,\mathcal{A},\mathbb{P})}. Pour tout {p\in\llbracket1,n\rrbracket}, on note {R_p=\sum_{i=1}^pZ_i}. On va montrer la propriété suivante, pour tout {x>0} :
{\mathbb{P}\left(\max_{1\leqslant p\leqslant n}|R_p|\geqslant3x\right)\leqslant3\max_{1\leqslant p\leqslant n}\mathbb{P}(|R_p|\geqslant x)}On admet que les différentes fonctions intervenant dans cette inégalité sont bien des variables aléatoires discrètes. Pour simplifier, notons :
{A=\left\{\max_{1\leqslant p\leqslant n}|R_p|\geqslant3x\right\}}Ainsi, {A} est l’ensemble des {\omega\in\Omega} tels que {\max_{1\leqslant p\leqslant n}|R_p(\omega)|\geqslant3x}. Dans le cas où {n\geqslant2}, définissons de plus les événements :
{A_1=\{|R_1|\geqslant3x\}}et, pour {p\in\llbracket2,n\rrbracket} :
{A_p=\left\{\max_{1\leqslant i\leqslant p-1}|R_i|\lt3x\right\}\cap\{|R_p|\geqslant3x\}}
Q 13. Exprimer l’événement {A} à l’aide des événements {A_1,A_2,\ldots,A_n}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 14. Montrer que l’on a :
{\mathbb{P}(A)\leqslant\mathbb{P}(|R_n|\geqslant x)+\sum_{p=1}^n\mathbb{P}(A_p\cap\{|R_n|\lt x\})}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 15. Justifier que, pour tout {p\in\llbracket1,n\rrbracket}, on a l’inclusion :
{A_p\cap\{|R_n|\lt x\}\subset A_p\cap\{|R_n-R_p|>2x\}}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 16. En déduire que :
{\mathbb{P}(A)\leqslant\mathbb{P}(|R_n|\geqslant x)+\max_{1\leqslant p\leqslant n}\mathbb{P}(|R_n-R_p|>2x)}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 17. Conclure.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
II Étude d’une suite de fonctions
Pour tout {n\in\mathbb{N}^\star} et tout {k\in\llbracket0,n\rrbracket}, on pose :
{x_{n,k}=-\sqrt n+\dfrac{2k}{\sqrt n}}De plus, on définit la fonction {B_n:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} par les conditions suivantes :
- {B_n(x)=0} pour {x\in]-\infty,-\sqrt n-1/\sqrt n[} ;
- pour {k\in\llbracket0,n\rrbracket} et {x\in[x_{n,k}-1/\sqrt n,x_{n,k}+1/\sqrt n[},
{B_n(x)=\dfrac{\sqrt n}2\binom nk\dfrac1{2^n}}
- {B_n(x)=0} pour {x\in[\sqrt n+1/\sqrt n,+\infty[}.
L’objectif de cette partie est de montrer que {(B_n)} converge uniformément sur {\mathbb{R}} vers {\varphi}, autrement dit :
{\Delta_n=\sup_{x\in\mathbb{R}}|B_n(x)-\varphi(x)|\longrightarrow0}L’usage d’une figure pour appréhender la problématique de cette partie sera vivement apprécié.
II.A –
Q 18. Comparer les réels {-x_{n,k}} et {x_{n,n-k}}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 19. Justifier l’existence du réel {\Delta_n} pour tout {n\in\mathbb{N}^\star}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 20. Montrer que, pour tout {n\in\mathbb{N}^\star}, on a l’égalité :
{\Delta_n=\sup_{x\geqslant0}|B_n(x)-\varphi(x)|}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 21. Pour tout {n\in\mathbb{N}^\star}, montrer que {B_n} est une application décroissante sur {\mathbb{R}^+}. On pourra distinguer selon que {n} est pair ou impair.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Dans la suite de cette partie, on fixe
{\varepsilon>0}. La limite
{\varphi(x)\longrightarrow0} lorsque
{x\to+\infty} assure l’existence d’un nombre
{\ell\in\mathbb{R}^+} tel que
{\varphi(\ell)\leqslant\varepsilon/2}.
II.B – Dans cette sous-partie, on va montrer :
{\lim_{n\to+\infty}\sup_{x\in[0,\ell]}|B_n(x)-\varphi(x)|=0}On introduit pour cela l’ensemble :
{I_n=\{k\in\llbracket0,n\rrbracket:x_{n,k}\in[0,\ell+1]\}}dont on peut vérifier que c’est un intervalle d’entiers. Dans la suite de cette sous-partie, on suppose que
{n} et
{k} varient de sorte que
{k\in I_n}. La notation
{I_n} désigne désormais cet ensemble, et non l’intégrale de la partie I.
Q 22. Montrer que l’on a, pour {n} tendant vers l’infini :
{\begin{array}{l}k!(n\!-\!k)!=\\\quad\!2\pi e^{-n}k^{k+1/2}(n\!-\!k)^{n-k+1/2}\left(\!1\!+\!O\!\left(\!\dfrac1n\!\right)\!\right)\end{array}}On pourra utiliser la formule de Stirling rappelée en début d’énoncé.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 23. En déduire que, pour {n} tendant vers {+\infty}, on a :
{B_n(x_{n,k})=\dfrac1{\sqrt{2\pi}}\dfrac{1+O(1/n)}{(2k/n)^{k+1/2}(2-2k/n)^{n-k+1/2}}}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 24. En déduire que :
{\begin{array}{rl}
B_n(x_{n,k})&=\dfrac{1+O(1/n)}{\sqrt{2\pi}\,(1-x_{n,k}^2/n)^{(n+1)/2}}\\\\[10pt]
&\quad\times\dfrac{(1-x_{n,k}/\sqrt n)^{x_{n,k}\sqrt n/2}}{(1+x_{n,k}/\sqrt n)^{x_{n,k}\sqrt n/2}}
\end{array}}puis que :
{B_n(x_{n,k})=\!\dfrac1{\sqrt{2\pi}}\exp\left(\!-\dfrac{x_{n,k}^2}2\!\right)\left(\!1\!+\!O\!\left(\!\dfrac1{\sqrt n}\!\right)\!\right)}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 25. Montrer qu’il existe un entier naturel {n_1} tel que, pour tout entier {n\geqslant n_1} :
{\sup_{x\in[0,\ell]}|B_n(x)-\varphi(x)|\leqslant\dfrac\varepsilon2}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
II.C –
Q 26. Pour tout {\ell>0}, montrer qu’il existe un entier naturel {n_2} tel que, pour tout {n\geqslant n_2}, {B_n(\ell)\leqslant2\varphi(\ell)}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 27. Conclure que la suite {(\Delta_n)_{n\in\mathbb{N}^\star}} converge vers {0}.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Applications
Soit {(\Omega,\mathcal{A},\mathbb{P})} un espace probabilisé et {X} une variable aléatoire discrète telle que {\mathbb{P}(X=-1)=\mathbb{P}(X=1)=1/2}. On considère une suite {(X_i)_{i\in\mathbb{N}^\star}} de variables aléatoires discrètes sur cet espace, mutuellement indépendantes et de même loi que {X}. On définit :
{S_0=0,\qquad S_n=\sum_{i=1}^nX_i\quad(n\geqslant1)}On dit que {(S_n)_{n\in\mathbb{N}}} est une marche aléatoire symétrique sur {\mathbb{Z}}. On admettra que pour tout {n\geqslant1}, {S_n} est une variable aléatoire discrète.
III.A – Théorème central limite
Soit {I} un intervalle de {\mathbb{R}} et {(f_n)_{n\in\mathbb{N}^\star}} une suite de fonctions continues par morceaux sur {I} qui converge uniformément sur {I} vers une fonction {f} également continue par morceaux sur {I}.
Q 28. Si {(u_n)_{n\in\mathbb{N}^\star}} (respectivement {(v_n)_{n\in\mathbb{N}^\star}}) est une suite de nombres réels appartenant à {I} qui converge vers {u\in I} (respectivement {v\in I}), montrer que :
{\lim_{n\to+\infty}\int_{u_n}^{v_n}f_n(x)\mathrm{d}x=\int_u^vf(x)\mathrm{d}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 pose, pour tout
{i\in\mathbb{N}^\star},
{Y_i=(X_i+1)/2} et
{T_n=\sum_{i=1}^nY_i}.
Q 29. Montrer que, pour tout {j\in\llbracket0,n\rrbracket} :
{\mathbb{P}(T_n=j)=\int_{x_{n,j}-1/\sqrt n}^{x_{n,j}+1/\sqrt n}B_n(x)\mathrm{d}x}où {x_{n,j}} a été défini dans la partie II.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Considérons un couple
{(u,v)} de réels tel que
{u\lt v}, et notons :
{J_n=\left\{j\in\llbracket0,n\rrbracket:\dfrac{n+u\sqrt n}2\leqslant j\leqslant\dfrac{n+v\sqrt n}2\right\}}
Q 30. Justifier que :
{\mathbb{P}\left(u\leqslant\dfrac{S_n}{\sqrt n}\leqslant v\right)=\sum_{j\in J_n}\mathbb{P}(T_n=j)}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 31. En déduire que l’on a :
{\lim_{n\to+\infty}\mathbb{P}\left(u\leqslant\dfrac{S_n}{\sqrt n}\leqslant v\right)=\int_u^v\varphi(x)\mathrm{d}x}puis que :
{\lim_{n\to+\infty}\mathbb{P}\left(u\leqslant\dfrac{S_n}{\sqrt n}\right)=1-\Phi(u)}où les applications {\varphi} et {\Phi} ont été définies dans la partie I.
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
III.B – Critère de tension
Dans cette dernière sous-partie, on fixe
{\varepsilon\in]0,1[}.
Q 32. Montrer qu’il existe {x_0\geqslant1} tel que l’on ait, pour tout {x\geqslant x_0}, un entier {n_x\in\mathbb{N}} vérifiant, pour tout {n\geqslant n_x} :
{x^2\mathbb{P}(|S_n|\geqslant x\sqrt n)\leqslant\varepsilon}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :
Q 33. Pour {x_0} et {x} comme à la question précédente, on fixe {N\geqslant n_x/\varepsilon} et on choisit {n\geqslant N}. Montrer qu’alors :
{x^2\mathbb{P}\left(\max_{1\leqslant p\leqslant n}|S_p|\geqslant3x\sqrt n\right)\leqslant3\varepsilon}
Cliquer ici pour voir (ou cacher) la réponse
Pour voir la suite de ce contenu, vous devez :
Pour poursuivre votre exploration, vous pouvez :