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22 PC Sujet Math
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MATHEMATIQUES (XEULS)
Durée : 4 heures
L’utilisation des calculatrices n’est pas
autorisée pour cette épreuve
Notations
• Si z est un nombre complexe on note |z| son module.
pour x = (x1 , . . . , x` ).
• Si A ∈ M` (C), on désigne par σ(A) (le spectre de A) l’ensemble des valeurs propres
complexes de A, et
ρ(A) = max{|λ| ; λ ∈ σ(A)}
le rayon spectral de A.
Les trois premières parties sont mutuellement indépendantes. La quatrième partie utilise
des résultats établis dans la troisième.
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Première Partie. Points fixes
1. Soit [a, b] un intervalle fermé borné de R. Si φ : [a, b] → [a, b] est continue, montrer que
φ possède au moins un point fixe.
montrer que φ possède au moins un point fixe (on pourra étudier le signe de x − φ(x)
pour |x| assez grand). Montrer que ce point fixe est unique.
√
3. Au moyen de la fonction ψ(x) = 1 + x2 , montrer que dans la question précédente
l’hypothèse (1) ne peut pas être remplacée par
5. Soit ` un entier strictement positif. Soit F une partie fermée de R` et soit φ : F → F une
application. On suppose qu’il existe k ∈ [0, 1[ tel que
(a) On choisit un point x0 ∈ F . Montrer que la formule xn+1 = φ(xn ) définit une suite
(xn )n>0 d’éléments de F , et que cette suite est convergente dans F .
(b) En déduire que φ possède un unique point fixe dans F .
(c) Ce point fixe étant noté x∗ , majorer kxn − x∗ k en fonction de kx0 − x∗ k.
(d) Dans ce qui précède, on suppose que
φ = θ| ◦ ·{z
· · ◦ θ},
m fois
où θ : F → F est une application et m > 2 est un entier. Montrer que θ possède un
point fixe, et un seul, dans F .
2
6. Soit g : [0, 1] → [0, 1] une fonction croissante (mais pas nécessairement continue). Montrer
que g possède au moins un point fixe. Indication: on pourra considérer l’ensemble
E = {x ∈ [0, 1] ; x 6 g(x)}.
(a) Montrer l’existence d’un nombre réel α > 0 tel que pour tout entier positif n les
valeurs absolues des coefficients de An soient majorées par α(ρ(A) + )n .
(b) En déduire l’existence d’un nombre réel β > 0 tel que pour tout entier positif n et
tout x ∈ C2 on ait
kAn xk 6 β(ρ(A) + )n kxk.
est convergente.
On note ∞
X
N (x) = (ρ(A) + η)−n kAn xk
n=0
(c) Montrer qu’il existe un réel C > 0 tel que pour tout x ∈ C2 on ait
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4. (a) Si B ∈ M` (C) est diagonalisable, montrer qu’il existe une norme || · ||B sur C` telle
que ||Bx||B 6 ρ(B)||x||B pour tout x ∈ C` . Indication: on pourra vérifier que si
P ∈ GL` (C), alors x 7→ kP xk est une norme sur C` .
(b) Montrer qu’il existe une matrice C ∈ M2 (C) telle que, pour toute norme N sur C2
il existe y ∈ C2 tel que N (Cy) > ρ(C)N (y).
5. Soit φ : R2 → R2 une application et soit x∗ un point fixe de φ. Soit A ∈ M2 (R) une
matrice vérifiant ρ(A) < 1, et soit M > 0 un nombre réel. On suppose que φ satisfait
∀x ∈ R2 , kφ(x) − φ(x∗ ) − A(x − x∗ )k 6 M kx − x∗ k2 .
Montrer qu’il existe ε > 0 tel que pour tout x0 ∈ R2 satisfaisant kx0 − x∗ k < ε, la suite
(xn )n>0 définie par xn+1 = φ(xn ) (pour n > 0) converge vers x∗ quand n → +∞.
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(a) Montrer que pour tous x, y ∈ I tels que y 6= x on a
Z 1
Hf (x, y) = x − f (x) g 0 (λf (x) + (1 − λ)f (y)) dλ.
0
(b) En déduire que Hf admet un unique prolongement par continuité à I × I tout entier.
On note encore ce prolongement Hf : I × I → R.
(c) Montrer que Hf est de classe C 2 sur I × I.
(d) Calculer Hf (x, x).
∂ 2 Hf
Hf (x, y) − x∗ = (x − x∗ )(y − x∗ ) (x̄, ȳ).
∂x∂y
(b) Calculer
∂ 2 Hf ∗ ∗
(x , x )
∂x∂y
en fonction des dérivées de f .
Itération. Soit n > 1. On suppose que les valeurs xk sont bien définies pour 1 6 k 6 n. On
considère la droite Ln passant par les points (xn−1 , f (xn−1 )) et (xn , f (xn )) du plan R2 ,
avec la convention que Ln est la tangente en (xn , f (xn )) au graphe de f lorsque xn = xn−1 .
Si Ln intersecte l’ensemble {(x, 0) | x ∈ I} en un unique point (x, 0) on définit xn+1 = x
et on poursuit les itérations. Sinon on considère que la méthode a échoué et on arrête
l’itération.
1. Illustrer la construction ci-dessus au moyen d’une figure. Lorsque f 0 > 0 sur I, exprimer
xn+1 en fonction de xn−1 , xn au moyen de la fonction Hf définie dans la question 3 de la
troisième partie.
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2. Dans cette question, on examine le cas particulier d’une fonction polynomiale du second
degré f définie par la formule f (x) = (x − α)(x − β) où α et β sont réels et α > β. On
prend I =](α + β)/2, +∞[.
x−α
Pour x ∈ R on définit h(x) = x−β
, avec la convention h(β) = ∞.
3. On revient au cas général, f étant une fonction quelconque de classe C 3 . On suppose que
f s’annule en un point x∗ ∈ I, pour lequel f 0 (x∗ ) > 0.
(a) Montrer qu’il existe > 0 tel que [x∗ − , x∗ + ] ⊂ I et f 0 > 0 sur l’intervalle
[x∗ − , x∗ + ]. On fixe un tel pour la suite et on définit
∂ 2 Hf
M= sup (x, y) .
(x,y)∈[x∗ −,x∗ +]2 ∂x∂y
(c) On fixe 0 ∈]0, ] tel que M 0 < 1. Montrer que si x0 , x1 appartiennent à [x∗ −0 , x∗ +0 ]
alors la suite (xn )n>0 est bien définie et converge vers x∗ .