Mathematics">
Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

22 PC Sujet Math

Télécharger au format pdf ou txt
Télécharger au format pdf ou txt
Vous êtes sur la page 1sur 7

ECOLE POLYTECHNIQUE - ESPCI

ECOLES NORMALES SUPERIEURES

CONCOURS D’ADMISSION 2022

LUNDI 25 AVRIL 2022


08h00 - 12h00
FILIERE PC - Epreuve n° 1

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.

• Si ` est un entier strictement positif, on munit l’espace vectoriel C` de la norme définie


par v
u `
uX
kxk = t |xj |2
j=1

pour x = (x1 , . . . , x` ).

• On note M` (C) l’ensemble des matrices de taille ` × ` à coefficients complexes.

• 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.

• Étant donné un ensemble E, un point fixe d’une application φ : E → E est un élément x


de E tel que φ(x) = x.

Les trois premières parties sont mutuellement indépendantes. La quatrième partie utilise
des résultats établis dans la troisième.

1
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.

2. Si φ : R → R est de classe C 1 et vérifie

(1) sup{|φ0 (x)| ; x ∈ R} < 1,

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

∀x ∈ R , |φ0 (x)| < 1.

4. Soit ` un entier strictement


P positif. On se donne une suite (vn )n>0 de vecteurs dans R`
telle que la série n kvn+1 − vn k converge.

(a) Montrer que la suite (vn )n>0 est convergente.


(b) Notons v ∗ la limitePde cette suite. Majorer kvn − v ∗ k au moyen d’un reste de la
somme de la série n kvn+1 − vn k.

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

∀x ∈ F, ∀y ∈ F, kφ(y) − φ(x)k 6 kky − xk.

(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)}.

Deuxième Partie. Matrices contractantes


 
λ a
1. Pour une matrice triangulaire T = ∈ M2 (C), calculer explicitement les puis-
0 µ
sances successives T n pour n entier strictement positif.

2. Soit A ∈ M2 (C) une matrice et soit  > 0 un nombre réel.

(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.

3. Soit A ∈ M2 (C) une matrice et soit η un nombre réel strictement positif.

(a) Pour x ∈ C2 , montrer que la série


X
(ρ(A) + η)−n kAn xk
n

est convergente.
On note ∞
X
N (x) = (ρ(A) + η)−n kAn xk
n=0

la somme de cette série.


(b) Montrer que x 7→ N (x) est une norme sur C2 , qui satisfait l’inégalité suivante

∀x ∈ C2 , N (Ax) 6 (ρ(A) + η)N (x).

(c) Montrer qu’il existe un réel C > 0 tel que pour tout x ∈ C2 on ait

kxk 6 N (x) 6 C kxk.

3
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 → +∞.

Troisième Partie. Fonctions de deux variables réelles

1. Soient a, b, c, d quatre nombres réels tels que a 6 b et c 6 d. Soit U un ouvert de R2


contenant [a, b] × [c, d]. Soit h : U → R une fonction de classe C 2 .
(a) Montrer l’identité
Z b
h(b, d) − h(a, d) − h(b, c) + h(a, c) = ĥ(s1 ) ds1 ,
a

où ĥ est définie par


d
∂ 2h
Z
ĥ(s1 ) = (s1 , s2 ) ds2 .
c ∂s1 ∂s2
(b) En déduire qu’il existe un point (s̄1 , s̄2 ) de [a, b] × [c, d] tel qu’on ait les deux égalités
∂ 2h
h(b, d) − h(a, d) − h(b, c) + h(a, c) = (b − a)ĥ(s̄1 ) = (b − a)(d − c) (s̄1 , s̄2 ).
∂s1 ∂s2
2. Soit I un intervalle ouvert de R. On se donne une fonction f : I → R de classe C 3 , telle
que f 0 (x) > 0 pour tout x ∈ I. Montrer que f est bijective de I sur l’intervalle ouvert
f (I).
On note g : f (I) → I sa fonction réciproque. Rappeler la valeur de g 0 (f (x)). Exprimer
g 00 (f (x)) en fonction des dérivées successives de f en x.
3. On conserve, jusqu’à la fin de cette troisième partie, les hypothèses et la notation de la
question précédente. Pour x, y ∈ I tels que y 6= x, on pose
xf (y) − yf (x)
Hf (x, y) = .
f (y) − f (x)

4
(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).

4. On suppose maintenant 0 ∈ f (I) et on note x∗ = g(0). Pour x ∈ I on note Ix l’intervalle


fermé d’extrémités x et x∗ .

(a) Soient x, y ∈ I. Montrer qu’il existe (x̄, ȳ) ∈ Ix × Iy , tel que

∂ 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 .

Quatrième Partie. Méthode de la sécante


Soit I un intervalle ouvert, borné ou non, de R. Soit f : I → R une fonction de classe C 3 .
On désire calculer une approximation d’une solution de l’équation f (x) = 0. Pour cela on met
en œuvre un procédé itératif appelé méthode de la sécante. En voici le principe :

Initialisation. On choisit deux nombres réels x0 , x1 ∈ I.

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.

5
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) = ∞.

(a) Pour x ∈ R montrer qu’on a |h(x)| < 1 si et seulement si x ∈ I.


(b) Expliciter la relation de récurrence satisfaite par la suite un := h(xn ) et en déduire
que la suite (xn )n>0 est bien définie quels que soient x0 et x1 dans I.
(c) Montrer que la suite (un )n>0 tend vers 0 et en déduire que (xn )n>0 tend vers α.

1+ 5
(d) Soit φ = 2
. Montrer qu’il existe un nombre réel strictement négatif s tel que
n
xn − α = O(esφ ).

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

(b) On suppose que xn−1 , xn ∈ [x∗ − , x∗ + ]. Montrer que

|xn+1 − x∗ | 6 M |xn−1 − x∗ | · |xn − x∗ |.

(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∗ .

Vous aimerez peut-être aussi