Maths
e3a-PolytechPSI2026
# SESSION 2026 PSI8M ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE PSI ____________________ MATHÉMATIQUES Durée : 4 heures ____________________ N.B. : le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d’énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre. RAPPEL DES CONSIGNES • Utiliser uniquement un stylo noir ou bleu foncé non effaçable pour la rédaction de votre composition ; d’autres couleurs, excepté le vert, bleu clair ou turquoise, peuvent être utilisées, mais exclusivement pour les schémas et la mise en évidence des résultats. • Ne pas utiliser de correcteur. • Écrire le mot FIN à la fin de votre composition. ________________________________________________________________________________ Les calculatrices sont interdites. Le sujet est composé de quatre exercices indépendants. EXERCICE 1 Soit n un entier naturel supérieur ou égal à 2. Questions préliminaires 1. Soit f une fonction de classe C2 sur Rn. Écrire pour la fonction f, sans la redémontrer, la formule de Taylor-Young à l’ordre 2 en un point a de Rn. 2. Soient J ∈Mn(R) la matrice dont tous les éléments sont égaux à 1 et In la matrice identité de Mn(R). 2.1. Déterminer le rang de J. 2.2. Justifier que 0 est valeur propre de J. Quel est son ordre de multiplicité? 2.3. Démontrer alors que la matrice In + J est symétrique réelle définie positive. * * * * * On considère la fonction f définie sur Rn par : 2 − n ∑ k=1 n ∑ k=1 n ∑ k=1 ∀m = (x1,..., xn) ∈Rn, f(m) = k + ( xk) x2 xk, c’est-à-dire : 1 + x2 2 + ⋯+ x2 n) + (x1 + x2 + ⋯+ xn)2 −(x1 + x2 + ⋯+ xn). f(m) = (x2 3. Justifier que f est de classe C2 sur Rn. 4. Soit m = (x1,..., xn) ∈Rn. 4.1. Calculer ∂f ∂x1 (m). 4.2. Calculer ∂2 f ∂x2∂x1 (m) et ∂2 f ∂x1∂x2 (m). 4.3. Calculer ∂2 f ∂x2 1 (m). 5. Déterminer le vecteur gradient ∇f(m) de f au point m = (x1,..., xn). 6. Déterminer le seul point critique a = (a1,...,an) de f dans Rn. 7. Soit m = (x1,..., xn) ∈Rn. 7.1. Déterminer la matrice Hessienne Hf(m) de f. 7.2. Déterminer le spectre de Hf(m). 8. Montrer que f admet un extremum local en a et préciser sa nature et sa valeur. EXERCICE 2 On définit, lorsque cela est possible, la suite réelle (vn)n∈N par : ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩ v0 ∈[−1,1] et ∀n ∈N, vn+1 = ln(1 −1 2 vn) 1. Étude de la suite (vn)n∈N 1.1. Dresser le tableau de variations sur [−1,1] de la fonction f ∶x ↦ln(1 −1 2 x). En particulier, on déterminera les deux réels a et b tels que f([−1,1]) = [a,b]. 1.2. Justifier que [a,b] ⊂] −1,1[. 1.3. Montrer que, pour tout n ∈N∗, vn est bien défini et que vn ∈[a,b]. 1.4. Démontrer qu’il existe k ∈]0,1[ tel que, pour tout x ∈[a,b], ∣f ′(x)∣⩽k. 1.5. Prouver alors que pour tout entier n ⩾2, ∣vn∣⩽k × ∣vn−1∣. 1.6. Démontrer que la suite (vn)n∈N converge et déterminer sa limite. 2. Étude d’une série de fonctions On définit la suite de fonctions (un)n∈N sur [−1,1] par : ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩ u0(x) = x et ∀n ∈N, un+1(x) = ln(1 −1 2 un(x)) Prouver que la série de fonctions ∑ un converge uniformément sur [−1,1]. n⩾1 EXERCICE 3 Soient n un entier naturel supérieur ou égal à 3, et En = Rn[X]. Dans tout l’exercice, on confondra un polynôme et sa fonction polynomiale associée. Pour tout k ∈⟦0,n⟧, on pose Pk(X) = Xk et on rappelle que B = (P0, P1,..., Pn) est une base de En. On note Φ l’application qui à tout polynôme P de En associe : Φ(P) = ((X2 −1)P)′′ = (X2 −1)P′′ + 4XP′ + 2P. 1. Vérifier que Φ est un endomorphisme de En. 2. Soit k ∈⟦0,n⟧. Calculer Φ(Pk). 3. Déterminer la matrice M de Φ dans la base B. On explicitera soigneusement les trois premières colonnes et, en fonction de j, une j-ième colonne de la matrice M, avec j ∈⟦3,n + 1⟧. 4. Montrer que Φ admet n + 1 valeurs propres deux à deux distinctes notées : λ0 < λ1 < ⋯< λn. 5. L’endomorphisme Φ de En est-il un automorphisme de En ? 6. Vérifier que Φ est diagonalisable et déterminer la dimension de ses sous-espaces propres. 7. Soient k ∈⟦0,n⟧et T un vecteur propre de Φ associé à la valeur propre λk. 7.1. Montrer que le degré de T est égal à k. 7.2. Montrer que le polynôme Q défini par : Q(X) = T(−X) est un vecteur propre de Φ associé à la valeur propre λk. 8. Montrer qu’il existe une unique base U = (Q0, Q1,..., Qn) de En constituée de vecteurs propres de Φ, telle que, pour tout k ∈⟦0,n⟧, Qk est un polynôme unitaire de degré k et vérifie : Qk(−X) = (−1)k Qk(X). 9. Que peut-on en déduire sur la parité des polynômes Qk ? 10. Soit k ∈⟦0,n⟧. Justifier que (Q0, Q1,..., Qk) est une base de Rk[X]. 11. Calculer Qk pour k ∈⟦0,3⟧. 12. Montrer que l’application (P, Q) ↦(P∣Q) = ∫ −1 (1 −t2) P(t) Q(t)dt définit un produit scalaire sur En. 13. On munit alors En de ce produit scalaire. 13.1. Montrer que Φ est un endomorphisme symétrique de (En,(∣)). On pourra intégrer par parties. 13.2. Montrer que la base U est orthogonale pour le produit scalaire (∣). On pourra calculer pour (i, j) ∈⟦0,n⟧2, i ≠j, le produit scalaire (Φ(Qi)∣Q j). 14. Soit j ∈⟦1,n⟧. Montrer que : ∀S ∈Rj−1[X], (S ∣Qj) = 0. EXERCICE 4 Dans tout l’exercice, on confondra un polynôme et sa fonction polynomiale associée. Questions préliminaires 1. Montrer qu’un polynôme de R[X] de degré impair possède au moins une racine réelle. 2. Déterminer les racines complexes du polynôme X11 −1. 3. En déduire les racines complexes du polynôme 1 + X + X2 + ⋯+ X10 = 10 ∑ k=0 Xk. Justifier qu’aucune n’est réelle. ***** Soient U et V les variables aléatoires de l’espace probabilisé (Ω,A ,P) correspondant chacune au lancer d’un dé à 6 faces, numérotées de 1 à 6, pas forcément équilibré, les lancers étant indépendants. On suppose que chaque face de chaque dé possède une probabilité non nulle d’apparition. Enfin, on note S = U + V. 4. Déterminer les valeurs prises par les variables aléatoires U, V et S . On suppose que S suit une loi uniforme. 5. Démontrer que la fonction génératrice GS de S est une fonction polynomiale que l’on déterminera. 6. Déterminer les racines de GS dans C. 7. Soient GU et GV les fonctions génératrices des variables aléatoires U et V. Déterminer un polynôme Q (respectivement R) dont les coefficients dépendent de la loi de la variable aléatoire U (respectivement de la variable aléatoire V), vérifiant : ∀t ∈R, GU(t) = t Q(t) et GV(t) = t R(t). 8. Démontrer que les polynômes Q et R possèdent chacun au moins une racine réelle. On pourra utiliser une des questions préliminaires. 9. Montrer que ∀t ∈R, GS(t) = t2 Q(t)R(t). 10. Établir une contradiction qui démontre que la supposition encadrée est fausse. On pourra utiliser une des questions préliminaires. 11. Est-il possible de truquer deux dés à six faces de façon à ce que la somme des résultats obtenus au cours de lancers suive une loi uniforme? FIN I M P R I M E R I E N A T I O N A L E – 26 1020 – D’après documents fournis
Aide sur une question
Connectez-vous pour demander une explication.