Centrale Maths 2 PC 2019

Thème de l'épreuve Étude de la fonction (sin + 1)/cos
Principaux outils utilisés séries entières, dénombrement, intégration par parties, dérivation sous l'intégrale, récurrence
Mots clefs zêta, série entière, Stirling, Taylor, permutation alternante, montante, descendante

Corrigé

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Centrale Maths 2 PC 2019 -- Corrigé
Ce corrigé est proposé par Alban Levy (ENS Paris-Saclay) ; il a été relu par
Vincent Lerouvillois (ENS Lyon) et Vincent Puyhaubert (professeur en CPGE).

Ce sujet en trois parties explore certaines propriétés de la fonction
f : x 7- (sin x + 1)/ cos x
et des coefficients de son développement en série entière.
· Dans la première partie, on étudie la forme des dérivées de f puis son 
développement en série entière. On utilise la formule de Taylor avec reste 
intégral, et
quelques raisonnements par récurrence.
· La deuxième partie introduit la fonction  de Riemann, dont on étudie la 
continuité et la limite en l'infini. Grâce aux intégrales à paramètre
Z /2
In (x) =
cos(2xt)(cos t)n dt
0

on obtient un développement en série entière de la fonction tangente qui fait
intervenir cette fonction .
· La dernière partie est plus originale : à coups de dénombrements, on étudie
certaines permutations dites alternantes, les reliant finalement à la fonction f
par des probabilités.
Ce sujet comporte quelques difficultés. Dans plusieurs questions, le résultat 
attendu n'est pas explicitement donné. Les dénombrements de la troisième partie 
sont
assez délicats.

Indications
Partie I
1 Utiliser la règle de dérivation d'un quotient et l'identité cos2 x + sin2 x = 
1 pour
simplifier les calculs.
2 Construire la suite Pn par récurrence.
3 Démontrer la propriété par récurrence en utilisant l'expression de Pn+1 en 
fonction
de Pn obtenue à la question précédente.
4 Développer f 2 (x) + 1.
5 Appliquer la formule de Leibniz.
6 Utiliser la question 3 en remarquant qu'un entier naturel est positif par 
définition.
7 Utiliser le lemme d'Abel.
8 Calculer g 2 par produit de Cauchy.
9 Dériver Arctan (f ) et Arctan (g).
10 Faire une preuve par l'absurde.
11 Prouver l'existence en donnant une décomposition explicite en fonction de 
h(x)
et h(-x) ; l'unicité sera prouvée par l'absurde.
12 Décomposer la fonction f en somme de deux fonctions, l'une paire et l'autre
impaire.
13 Faire le lien entre les coefficients de la série entière et les dérivées de 
la fonction.
15 Utiliser la formule de Leibniz puis évaluer en 0 en retirant les termes nuls.
Partie II
16 Montrer la convergence normale de la série de fonctions sur [ a ; + [, a > 1.
17 Utiliser la monotonie de t 7 1/ts pour faire une comparaison série intégrale.
18 Séparer la somme définissant  en la somme des termes pairs et celle des 
termes
impairs.
19 Pour x  R, intégrer par parties la quantité 4x2 In (x).
20 Calculer I0 (x) puis faire une preuve par récurrence.
21 Utiliser l'égalité sin(2x) = 2 sin(x) cos(x) et la question précédente.
22 Utiliser une comparaison série/intégrale de (2t - 1)-s pour t  [ k - 1 ; k [.
23 Utiliser la question 22 puis majorer par une série géométrique.
24 Réutiliser la question 22.
25 Dériver x 7 ln(cos(x)) en vérifiant bien les hypothèses de dérivation d'une
intégrale à paramètre ; utiliser la question 21.
26 Développer  dans la somme donnée, grâce à la question 18, puis en faire 
ressortir Sn .
27 Étudier la fonction t 7- sin(t) - t cos(t) sur [ 0 ; /2 ].
28 Utiliser l'inégalité de la question 27 avant d'intégrer par parties.
29 Faire tendre n vers l'infini dans le résultat de la question 26 en montrant 
que
certains éléments tendent vers 0.
30 Utiliser l'unicité du développement en série entière de tan à partir des 
questions 12
et 29.
31 Utiliser la formule de Stirling et la question 17.

Partie III
32 Dresser la liste de toutes les permutations et identifier les éléments 
alternants
montants.
33 Utiliser l'application  :  7 (i 7 n + 1 - (i)) et vérifier notamment qu'il 
s'agit
d'une bijection de n dans lui-même.
34 Noter A = {a1 < · · · < ak } et remarquer qu'une liste d'éléments deux à deux
distincts peut se noter (a(1) , . . . , a(k) ) avec  injective.
35 La question est difficile. Vérifier à l'aide d'arguments combinatoires que 
le nombre
de permutations alternantes de [[ 1 ; n + 1 ]] telles que (k + 1) = n + 1 est 
égal à
 
n
× k × n-k
k
36 Réaliser que les suites (n )n et (n )n satisfont la même relation de 
récurrence.
P
37 Utiliser le fait que le rayon de convergence de la série
n xn /n! est strictement
supérieur à 1.
38 Utiliser des arguments similaires à ceux de la question 35 pour compter les 
permutations de [[ 1 ; n ]] telles que (1), . . . , (i) est alternante montante.
39 Remarquer que pour tout k, P(Mn = k) = P(Mn > k - 1)- P(Mn > k) et injecter
cette égalité dans la somme définissant l'espérance.

I. Introduction d'une fonction auxiliaire
1 En tant que quotient de fonctions indéfiniment dérivables et non nulles sur I,
la fonction f l'est aussi. Calculons ses dérivées successives par les règles 
usuelles de
dérivation. Soit x  I, alors
f  (x) =

cos2 x - (sin x + 1)(- sin x)
cos2 x + sin2 x + sin x
sin x + 1
=
=
cos2 x
cos2 x
cos2 x

en utilisant l'égalité cos2 x + sin2 x = 1. Il vient de même
f  (x) =
et f (3) (x) =
Ainsi,

cos3 x - (sin x + 1)(-2 sin x cos x)
sin2 x + 2 sin x + 1
=
cos4 x
cos3 x

(2 sin x cos x + 2 cos x) cos3 x - (-3 cos2 x sin x)(sin2 x + 2 sin x + 1)
cos6 x
f  (x) =

sin x + 1
cos2 x

f  (x) =

sin2 x + 2 sin x + 1
cos3 x

x  I

f (3) (x) =

sin3 x + 4 sin2 x + 5 sin x + 2
cos4 x

2 Montrons par récurrence que la propriété
P(n) :

Pn  R[X] x  I

f (n) (x) =

Pn (sin x)
(cos x)n+1

est vraie pour tout n entier.
· P(0) est vraie puisqu'on a montré à la question 1 que pour tout x  I,
f (x) =

P0 (sin x)
1 + sin x
=
cos x
(cos x)1

avec P0 = 1 + X  R[X].
· P(n) = P(n + 1) : si l'on suppose que
x  I

f (n) (x) =

Pn (sin x)
(cos x)n+1

alors
f (n+1) (x) =
=
f (n+1) (x) =

cos x Pn (sin x) × (cos x)n+1 + Pn (sin x)(n + 1)(cos x)n sin x
(cos x)2n+2
Pn (sin x) × (cos x)2 + Pn (sin x)(n + 1) sin x
(cos x)n+2
Pn (sin x) × (1 - sin2 x) + Pn (sin x)(n + 1) sin x
(cos x)n+2

car cos2 x + sin2 x = 1. On obtient donc P(n + 1) en posant
Pn+1 = (1 - X2 ) · Pn + (n + 1)Pn · X