E3A Maths B PSI 2013

Thème de l'épreuve 4 exercices indépendants
Principaux outils utilisés courbes paramétrées, séries, intégrales généralisées, espaces préhilbertiens, topologie, diagonalisabilité
Mots clefs courbes paramétrées, podaire, séries de fonctions, développement en série, intégrale généralisée, espace préhilbertien, sous-groupe, norme, diagonalisation, réduction, trigonalisation, vecteur propre, spectre, équivalence des normes

Corrigé

(c'est payant, sauf le début): - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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Extrait du corrigé obtenu par reconnaissance optique des caractères


 E3A Maths B PSI 2013 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Florian Metzger (ENS Cachan) ; il a été relu par Christophe Fiszka (ENS Cachan) et Sophie Rainero (Professeur en CPGE). Ce sujet est composé de quatre exercices indépendants qui font appel à de nombreuses parties du programme. · Le premier exercice est consacré à la géométrie. On y étudie la podaire d'une parabole par rapport à deux points, le foyer et l'origine, c'est-à-dire l'ensemble des projetés orthogonaux de chacun de ces points sur les tangentes à la parabole. Les questions sont très classiques et ne posent pas de problème particulier. · Le deuxième exercice est divisé en deux parties. La première étudie des propriétés élémentaires de la fonction x 7- + X 1 1 + n2 x2 n=1 C'est l'occasion de réviser les résultats majeurs du cours sur les séries numériques et les séries de fonctions. Dans la deuxième partie, on s'attache à montrer que la fonction étudiée en première partie peut se mettre sous forme de l'intégrale à paramètre Z + sin t dt x 7- xt e -1 0 Ce sont ici les connaissances sur les intégrales généralisées qui sont évaluées. · Dans le troisième exercice, on s'intéresse à un espace préhilbertien dans lequel une famille B = (e1 , . . . , en ) vérifie la propriété (P) x E 2 kxk = n P 2 (x | ei ) i=1 Sous les hypothèses kei k > 1 pour tout i [[ 1 ; n ]], ou de liberté de B, on établit que B est orthonormale. L'exercice est très guidé et utilise des résultats de base du cours sur les espaces préhilbertiens. · Enfin, dans le quatrième exercice on montre que, pour une norme subordonnée N sur Mn (C), tout sous-groupe G de GLn (C) inclus dans la boule fermée pour N de centre In et de rayon 1 est constitué de matrices de spectre {1}. Une étude plus spécifique consacrée à la dimension 2 permet de montrer que dans ce cas, de tels sous-groupes G sont réduits à la matrice identité. Ici encore, les questions sont nombreuses et guident efficacement le raisonnement. Cet exercice permet de réviser des points essentiels du programme d'algèbre linéaire sans avoir à faire preuve de grande technicité. En résumé, cette épreuve constitue un bon sujet de révision pour les points majeurs du programme de deuxième année. Elle est conçue pour être intégralement traitée en quatre heures par tout candidat correctement préparé. Ceux qui chercheraient des approfondissements du cours passeront néanmoins leur chemin. Indications Exercice 1 I.3 Les coordonnées d'un vecteur directeur de la tangente au point de paramètre t sont (x (t), y (t)). I.4 Tout point M de la podaire est caractérisé par l'appartenance à une tan-- gente à et le fait que le vecteur MF est orthogonal à cette même tangente. I.5.2 Commencer par étudier les points stationnaires. Dans l'optique de tracer la courbe , dresser le classique tableau des variations des abscisse et ordonnée ou remarquer que l'on peut exprimer t en fonction des coordonnées du point courant et en déduire une équation cartésienne de . Exercice 2 II.A.1 Distinguer suivant que x est nul ou non. II.A.4 Remarquer que 1 + n2 x2 > n2 x2 pour tous x R et n N . II.A.5.1 La fonction : t 7- 1/(1 + t2 x2 ) est continue, décroissante et positive sur I. II.B.1 Pour x > 0, montrer que e xt -1 admet une limite finie quand t tend vers 0. II.B.3.1.b Utiliser la linéarité de l'intégrale en remarquant que sin a = Im e ia pour tout réel a. II.B.3.2 Développer en série l'intégrande et appliquer le théorème de convergence dominée à la suite des sommes partielles de la série de fonctions obtenue. Exercice 3 Noter que ei F pour tout i [[ 1 ; n ]]. Justifier et utiliser le fait que F F = E. Appliquer la propriété (P) à un vecteur bien choisi. Montrer l'égalité en raisonnant sur les coefficients de la matrice A2 et en écrivant les coordonnées des vecteurs sous forme de produit scalaire. Utiliser, entre autres, la symétrie du produit scalaire. III.3.5 Exprimer les coordonnées du vecteur a(x) si x Ker a. III.3.6 Que signifie l'orthonormalité de la famille B pour la matrice A ? Utiliser la relation A2 = A avec la question 3.5. III.1.1 III.1.2 III.2 III.3.4 Exercice 4 Que dire, topologiquement, de l'ensemble {X Cn | kXk 6 1} ? On est en dimension finie ! Pourquoi A admet-elle des valeurs propres ? Noter que G GLn (C). Que fournit la question 6.1 ? Penser à une inégalité triangulaire. Caractériser le comportement asymptotique de la suite (k )kZ si || 6= 1. Raisonner par récurrence sur q N. Montrer que la matrice A est trigonalisable, avec un spectre réduit à {1}. Calculer T2 puis T3 pour conjecturer une formule pour Tm que l'on démontre par récurrence sur m N . IV.7.3 Les normes N et N sont équivalentes. Utiliser le fait que la matrice A est semblable à T, ainsi que la sous-additivité de la norme N . IV.7.5 Se servir de la question 6.7. IV.2 IV.4 IV.6.2 IV.6.3 IV.6.4 IV.6.6 IV.7.1 IV.7.2 Exercice 1 I.1 Remarquons que pour tout t R x(t) = t2 = y(t) 2 2 = y 2 (t) 4 Or y : t 7 2t est une bijection de R sur lui-même. Ainsi, Une équation cartésienne de est x = y 2 /4. I.2 L'équation cartésienne de est sous la forme y 2 = 2px. Il en résulte, d'après le cours sur les coniques, que La courbe est la parabole d'axe (Ox), de paramètre p = 1/2 × 4 = 2, de sommet S = O (l'origine du repère orthonormé du plan), de foyer F(1, 0) et de directrice la droite d'équation x = -1/4 × 4 = -1. I.3 Les fonctions x et y sont de classe C 1 sur R, donc la courbe admet en tout point de paramètre t une tangente dirigée par le vecteur de coordonnées - (x (t), y (t)) = (2t, 2) ou encore par dt (t, 1) La tangente Tt à la courbe en M(t) est l'ensemble des points M(X, Y) tels que ---- - det(M(t)M, dt ) = 0 Une équation de Tt est donc X - x(t) Y - y(t) soit encore t =0 1 X - t2 - t(Y - 2t) = 0 En tout point de paramètre t, la courbe admet une tangente d'équation X - tY + t2 = 0 Il est également possible de déterminer une équation de la tangente à partir de l'équation cartésienne obtenue à la question I.1 et de la règle dite « du dédoublement » : pour une conique d'équation ax2 + 2bxy + cy 2 + dx + ey + f = 0 l'équation de la tangente au point de coordonnées (x0 , y0 ) est 1 1 axx0 + b(xy0 + x0 y) + cyy0 + d (x + x0 ) + e (y + y0 ) + f = 0 2 2 Dans notre cas, cela donne 1 X + x(t) = Yy(t)/4 soit X + t2 - tY = 0 2 I.4 Soit F le point de coordonnées (1, 0). La podaire de par rapport à F est l'ensemble des points de coordonnées (x, y) pour lesquels il existe t R tel que M(x, y) appartienne à la tangente Tt au point de paramètre t et tel que le vecteur -- directeur de Tt et MF soient orthogonaux. Cela s'écrit x - ty + t2 = 0 2 x - ty = -t2 1 -t x -t = x (t) x-1 tx + y = t t 1 y t · =0 y (t) y-0 Comme t R det 1 -t = 1 + t2 6= 0 t 1 le système précédent est inversible et les formules de Cramer donnent 1 -t2 + t2 -t2 -t x = = =0 1 1 + t2 t 1 + t2 y = 1 t + t3 t(1 + t2 ) 1 -t2 = = =t t 1 + t2 t 1 + t2 1 + t2 La podaire de par rapport à F est donc l'ensemble {(0, t) | t R}, c'est-à-dire La podaire de par rapport à F est la droite D : x = 0. I.5.1 De façon similaire à la question I.4, la podaire de par rapport au point O est l'ensemble indicé par t R des points de coordonnées (x, y) vérifiant x - ty + t2 = 0 2 x - ty = -t2 1 -t x -t = x (t) x-0 tx + y = 0 t 1 y 0 · =0 y (t) y-0 Comme 1 -t det = 1 + t2 6= 0 t 1 t R le système précédent est inversible et les formules de Cramer fournissent -t2 -t 0 1 -t2 = x = 1 + t2 1 + t2 1 -t2 0 t3 y = t = 2 1+t 1 + t2 Ainsi, = -t2 t3 , 1 + t2 1 + t2 tR