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Corrigé du sujet ESSEC Maths ECS 2015
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Introduction en algèbre linéaire :
1/ a/
donc
- La fonction nulle est évidemment un élément de donc
Soit et
On a
=
Donc
Par suite, est un sous-espace vectoriel de
1/ b/
- Soit
(par la linéarité de l’intégrale.)
et
sont continues sur
est la primitive de qui s’annule en et celle de qui s’annule en donc et sont de classe sur
Donc est de classe sur , donc continue sur
Donc
- Soit et deux fonctions de et
+
(par linéarité de l’intégrale)
Donc
donc
Donc est une application linéaire.
Donc est un endomorphisme de
1/ c/ Soit
On a montré à la question précédente que était de classe sur
On garde alors les mêmes notations que dans la question
Donc
Donc
donc est de classe sur donc
Et enfin, donc
1/ d/ Soit
- Sens direct. Supposons que et que
donc donc d’après la question
Donc
avec réel.
Comme on en déduit que
D’où
donc
avec réel.
Comme on en déduit que :
donc que
- Sens réciproque. Supposons que
Alors d’après la question et
Et d’après les expressions de et on a clairement :
donc
Donc si et seulement si
2/ a/ On pose, pour l’hypothèse de récurrence
Au rang
et
car
Donc est vraie.
Soit On suppose vraie.
Pour
car les bornes sont en ordre croissant.
Or
et
car pour
Et en utilisant
on a
Les bornes sont en ordre croissant, donc :
Or
donc
et est vraie.
Par principe de récurrence, on a montré que
2/ b/ Soit On a :
et (terme général d’une série exponentielle),
donc, par le théorème d’encadrement,
Donc
2/ c/ Soit telle que Donc, d’après on a
On pose alors, pour l’hypothèse de récurrence
est vraie par définition.
Soit On suppose vraie. Alors
Donc est vraie.
Donc,
Soit alors On a et d’après la question
Donc
Donc
2/d/ Soit et
Donc par linéarité de la dérivation,
Donc
Donc
Si alors et et d’après la question est nulle.
Comme la réciproque est claire, on a donc
: est une application linéaire injective
donc l’application est linéaire bijective, i.e. est un isomorphisme d’espaces vectoriels,
donc
Et enfin, donc F( q) est un espace vectoriel de dimension finie avec
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Partie I sur les espaces vectoriels.
3/ a/
{ }
donc
La fonction nulle est clairement un élément de donc
Soit et
On a
et de même
Donc
Donc est un sous-espace vectoriel de
3/ b/ Soit Alors et
Donc et avec et réels.
Or donc et , donc
Donc
L’inclusion inverse étant claire, on a
4/ a/ On suppose et on note pour
est de classe sur
Et, pour
et
Donc
De même, est aussi dans
{ }
Or d’après l’introduction,
De plus, en gardant les notations ci-dessus, et sont dans
Et ces deux applications sont toutes deux non nulles, et elles ne sont pas colinéaires.
Donc est libre et
On en déduit que et
Donc
et
Donc, d’après la résolution précédente,
4/b/ On suppose que et on note, pour et
et sont de classe sur
Et pour
et
Donc
De même,
Or d’après l’introduction, on a toujours
De plus, en gardant les notations ci-dessus, et sont dans
Enfin, et sont deux applications non nulles et non colinéaires, donc la famille est libre
On en déduit que et
Donc
{ }
et
avec
ou bien
Alors et
ou bien Alors et
Conclusion : si
et si où
5/ Posons
On a donc
étant une application linéaire, aussi.
Soit On suppose que Alors donc donc car est injective.
Donc et est injective.
donc d’après le théorème du rang :
donc
Or
car si alors
Donc et
Donc
6/ On suppose que
D’après la question précédente, on a alors On pose alors où
donc est de classe
sur et
et sont de classe sur donc par le théorème d’intégration par parties,
Donc
- est continue à valeurs strictement positives, et est continue, positive et par hypothèse,
donc est continue
positive et non identiquement nulle sur
Or les bornes sont en ordre croissant, donc
- est continue et positive sur et les bornes sont en ordre croissant,
donc
Donc
avec et
donc
Or d’après la question donc puisque on a
7/ On note le temps de cette question.
On a
- Soit Alors
est continue sur et est bien définie.
Donc est bien une
application définie sur à valeurs dans
- Soit
Donc est symétrique.
- Soit et
Par linéarité de l’intégration :
Donc est linéaire par rapport
à sa première variable.
Et grâce à la symétrie, est bilinéaire.
- Pour on a
Or est continue positive sur et les bornes sont en ordre croissant,
donc donc
D’où la positivité.
- Soit telle que
est continue de signe constant positif sur
et
donc
Donc car
Donc est définie.
est une forme bilinéaire, symétrique, définie et positive, donc
8/ Soit
- ou bien . Alors et
- ou bien . Alors et
- ou bien et
Soit et
et sont de classe sur donc par le théorème d’intégration par parties,
De même, en échangeant les rôles de et on a
Donc
Donc
Comme on en déduit : et
Donc ,
donc
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Partie II : l’exemple
9/ a/ Soit
- est de classe sur
- ,
Donc
Donc
et on a bien trouvé tel que
9/ b/ Soit
Or, pour
donc
donc
- ou bien Alors
- ou bien Alors
Donc,
9/ c/ D’après a), est donc une famille orthonormée de
est une famille orthonormée de , donc est une famille libre de
Comme, par définition, est une famille génératrice de on en déduit que est une base de
10/ a/ On a pour
- Soit et
Donc par linéarité par rapport à la première variable du produit scalaire, on a :
Donc, ,
Donc
Donc est une application linéaire définie sur
- Soit
Or
ou bien
Alors,
Or, pour
donc
Donc
Donc
ou bien
Alors
Donc,
D’où :
et
Soit alors Comme est une base de
Par linéarité de on a donc
et
Donc
est une application linéaire sur et donc
10/ b/ On note
D’après les calculs effectués à la question précédente, on trouve
est une matrice symétrique réelle, donc
11/ a/ Soit
donc par linéarité de l’intégrale,
Or et
donc
Donc
11/ b/ Soit une valeur propre de et un vecteur propre associé.
donc
donc
Or est un vecteur propre, donc et
Donc
et donc
Les bornes étant en ordre croissant, on en déduit :
Donc,
et comme
Donc
- Supposons que
D’après le point précédent, on en déduit que
Or donc
De plus, est {continue} et de signe constant positif sur
donc, par le caractère défini de l’intégrale,
Or
donc
donc
Comme est continue sur
Donc
On obtient une contradiction avec vecteur propre, donc
- On prouve de même que
12/ a/ On rappelle qu’on a noté
On note
=
Donc
puisque
Donc
Donc
12/ b/ Soit définie par :
et
Donc est une suite récurrente linéaire double d’équation caractéristique
donc les solutions de sont et
Et d’après le cours, il existe
donc il existe
=
12/ c/ , donc
donc
Or car sinon
donc
et on a une contradiction avec vecteur
propre de
Donc on obtient
Or,
De plus,
Donc
12/ d/ On a montré dans les questions précédentes, que si est valeur propre de
alors
et alors en notant la matrice représentative dans d’un vecteur propre, on a
Réciproquement, prenons
On pose
Alors avec
car pour et
pour
Donc,
+
Donc
donc
Comme on a est une valeur propre de et est un vecteur propre associé.
En rassemblant tous les résultats, on a donc montré que
et que pour le sous-espace propre associé à noté est , où
Donc forme une base de vecteurs propres de
13/ Lorsque , nous avons vu que
c’est-à-dire que les seuls réels pour lesquels sont ceux qui s’écrivent pour .
Par l’absurde, si était vérifiée, il existerait une suite de réels deux à deux distincts tels que , .
Cette suite serait alors constituée d’une infinité de réels de la forme avec , on aurait donc que . La suite ne pourrait donc pas être bornée, ce qui contredit .
On conclut que n’est pas vérifiée lorsque .
14/ D’après , ,,
donc tel que .
Le produit scalaire étant défini positif,
Donc vérifie
.
De plus,
car , espace vectoriel, est stable par multiplication par un réel.
Donc convient.
On a montré :
15/ a/
- Remarquons que est une famille orthonormée :
En effet, ,
donc .
De plus,, , donc d’après la question 8,
, donc .
- Pour ,
Donc, étant une base orthonormée de , d’après l’expression du projeté orthogonal en fonction d’une base orthonormée de l’espace sur lequel on projette, comme
est le projeté orthogonal de sur .
15/ b/ D’après l’expression de la norme dans une base orthonormée ,
.
De plus, étant le projeté orthogonal de sur ,
il existe tel que
D’après Pythagore,
,
donc
15/ c/ La série est à termes positifs et ses sommes partielles sont majorées par , cette série converge donc.
15/ d/
- Le terme général d’une série convergente a une limite nulle,
d’où ,
d’où .
- , donc comme et que est à valeurs strictement positives ,
donc
Donc
16/ a/ Soit et
est affine sur chacun des intervalles et , donc continue (i.e. de classe ) sur .
De plus,
et
.
Donc est continue sur .
16/ b/ est de classe sur , donc d’après la formule de Taylor-reste intégral à l’ordre sur , où , on a :
Donc
En particulier, pour , il vient :
.
Comme car , on en déduit :
16/ c/
- D’après et , pour tout ,
D’après la relation de Chasles et la linéarité de l’intégrale,
Donc
D’où
Ceci s’écrit encore:
D’où
- D’après la question 16a, est continue sur , donc d’après la question 15d,
d’où
16/ d/
- , donc , donc d’après la question 16c,
- D’après l’inégalité de Cauchy-Schwarz,
, donc .
16/ e/
- Calculons :
D’où
Donc en passant aux racines carrées,
D’où
D’après la question 16d,
16/ f/ Par définition du nombre dérivé,
Par passage à la limite quand tend vers il vient :
16/ g/
- est continue sur , donc sur , donc
.
Mais , donc
.
- Par inégalité triangulaire,
(#)
- Majorons :
Or car
Par positivité de l’intégrale,
D’où
- En majorant à l’aide de la question 16f, (#) entraîne:
D’où
17/ est de classe , donc en particulier dérivable sur , donc sur pour tout .
De plus,
.
D’après le théorème des accroissements finis,
18/ Soit
18/ a/ D’après la question 16c, Pour tout , ,
donc pour tout , .
Ceci se traduit par:
Notons , on a alors:
.
On a montré:
18/ b/
- Soit et .
Par définition de la partie entière,
et ,
donc ,
donc .
D’après l’inégalité triangulaire,
Or d’après la question 17,
De plus, , donc d’après la question 18a, .
On majore alors grâce à :
.
- Si , alors
On a montré :
18/ c/ Ceci s’écrit encore:
ce qui traduit .
18/ d/ On a :
D’après la question 18c,
,
donc par encadrement,
.
Mais nous avons raisonné par l’absurde en supposant, juste avant la question 14, que l’hypothèse () était réalisée ;
ceci impliquait, dans la question 14, l’existence de telle que ,
donc .
Le résultat est donc en contradiction avec la question 14, donc avec l’hypothèse (), qui est donc fausse.
Nous concluons que l’hypothèse () n’est jamais réalisée.