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Centrale Maths 2 MP 2016

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Questions du sujet

1. I.A.1) Montrer que $f$ est définie et continue sur $[0, +\infty[$ et de classe $\mathcal{C}^2$ sur $]0, +\infty[$. 2. I.A.2) Déterminer les limites de $f$ et $f’$ en $+\infty$. 3. I.A.3) Exprimer $f”$ sur $]0, +\infty[$ à l’aide de fonctions usuelles et en déduire que \[ \forall x > 0,\quad f'(x) = \ln(x) – \frac{1}{2}\ln(x^2+1) \] 4. I.A.4) Montrer \[ \left\{ \begin{array}{l} \forall x > 0,\quad f(x) = x\ln(x) – \frac{1}{2}x\ln(x^2+1) – \arctan(x) + \frac{\pi}{2} \\[2mm] f(0) = \frac{\pi}{2} \end{array} \right. \] 5. I.A.5) Montrer \[ \forall s \in \mathbb{R},\; |s| = \frac{2}{\pi} \int_0^{+\infty} \frac{1 – \cos(st)}{t^2} dt \] } 6. I.B.1) Justifier l’existence de la suite $(u_n)_{n\in\mathbb{N}^*}$ et préciser la monotonie de la sous-suite $(u_{2n})_{n\in\mathbb{N}^*}$. 7. I.B.2) Montrer que $u_1 = u_2 = \dfrac{\pi}{2}$. 8. I.C.1) Montrer que \[ \forall n \in \mathbb{N}^*,\quad u_n = \frac{\sqrt{n}}{2\sqrt{2}}v_n \text{ avec } v_n = \int_0^{+\infty} \frac{1 – (\cos(\sqrt{2}\,u/\sqrt{n}))^n}{u^2} \sqrt{u}\, du \] 9. I.C.2) Montrer que \[ \forall (n,u)\in \mathbb{N}^* \times ]0,1],\; |1 – (\cos(\sqrt{2}u/\sqrt{n}))^n|\leq u \] 10. I.C.3) Montrer que la suite $(v_n)_{n\in\mathbb{N}^*}$ admet une limite finie $\ell$ vérifiant \[ \ell = \int_0^{+\infty} \frac{1-e^{-u}}{u^2} \sqrt{u}\, du \] } 11. I.C.4) On admet la relation \[ \int_0^{+\infty} \frac{e^{-u}}{\sqrt{u}}du = \sqrt{\pi}. \] Conclure que $u_n \sim \sqrt{\dfrac{n\pi}{2}}$. 12. II.A.1) Déterminer l’espérance et la variance de $S_n$. 13. II.A.2) Soient $S$ et $T$ deux variables aléatoires réelles finies indépendantes définies sur $(\Omega, \mathcal{A}, P)$. On suppose que $T$ et $-T$ ont même loi. Montrer que $E(\cos(S+T)) = E(\cos(S))E(\cos(T))$. 14. II.A.3) On considère la fonction $\varphi_n$ de $\mathbb{R}$ dans $\mathbb{R}$ telle que $\varphi_n(t) = E(\cos(S_n t))$ pour tout réel $t$. Montrer que $\varphi_n(t) = (\cos t)^n$ pour tout entier $n\in\mathbb{N}^*$ et tout réel $t$. 15. II.A.4) Montrer, pour tout $n\in\mathbb{N}^*$, \[ E(|S_n|) = \frac{2}{\pi} u_n. \] On utilisera l’expression intégrale de la valeur absolue obtenue à la question I.A.5.} 16. II.A.5) Déduire de la question précédente que, pour tout $n\in\mathbb{N}$, $u_{2n+1} = u_{2n+2}$. 17. II.B.1) Montrer que $E(S_n^4) = 3n^2 – 2n$ pour tout $n\in\mathbb{N}^*$. 18. II.B.2) Montrer que, pour tout $n\in\mathbb{N}^*$, $P(U_n \geq \frac{1}{\sqrt{n}})\leq \dfrac{3}{n^{3/2}}$. 19. II.B.3) Montrer que $\mathcal{Z}_n \in \mathcal{A}$ pour tout $n\in\mathbb{N}^*$ et que $\lim_{n\to \infty}P(\mathcal{Z}_n) = 0$. 20. II.B.4) En considérant $\mathcal{Z} = \bigcap_{n\in\mathbb{N}^*} \mathcal{Z}_n$, montrer que $\left(\dfrac{S_n}{n}\right)$ converge presque sûrement vers $0$.} 21. III.A.1) Montrer que la suite $(E(|T_n|))_{n\in\mathbb{N}^*}$ est croissante. 22. III.A.2) Montrer que si la série $\sum a_n^2$ est convergente, alors la suite $(E(|T_n|))_{n\in\mathbb{N}^*}$ est convergente. 23. III.A.3) On suppose $a_1 \geq a_2 + \dots + a_n$. Montrer $E(|T_n|) = E(|T_1|) = a_1$. 24. III.B.1) Montrer que $(J_n)_{n\in\mathbb{N}^*}$ est une suite bien définie et qu’elle est croissante et convergente.\\ On posera $a_k = \dfrac{1}{2k-1}$ et on exprimera l’espérance de $|T_n|$ avec la méthode de la question II.A.4. 25. III.B.2) Montrer que $J_n = \dfrac{\pi}{2}$ pour $1\leq n\leq 7$ et que $(J_n)_{n\geq 7}$ est strictement croissante.}

FAQ

I.A.1) Montrer que $f$ est définie et continue sur $[0, +\infty[$ et de classe $\mathcal{C}^2$ sur $]0, +\infty[$.

Vérifie d’abord que l’intégrale qui définit f (énoncé) converge pour tout x ≥ 0 en contrôlant le comportement de l’intégrand en 0 et en +∞; utilise des estimations standards (développement limité en 0, décroissance en +∞). Pour la continuité sur [0,+∞[, applique le théorème de convergence dominée pour la famille de fonctions paramétrées par x. Pour la régularité C^2 sur ]0,+∞[, justifie la dérivation sous le signe intégral deux fois grâce à un majorant intégrable indépendant de x.

I.A.2) Déterminer les limites de $f$ et $f’$ en $+\infty$.

Examine les expressions obtenues pour f et f’ (ou utilise l’intégrand pour la dérivée) et utilise des équivalences en +∞. Ici, en développant les termes logarithmiques et trigonométriques, on montre que f'(x)→0 quand x→+∞ et que f(x) admet une limite finie.

I.A.3) Exprimer $f”$ sur $]0, +\infty[$ à l’aide de fonctions usuelles et en déduire que \[ \forall x > 0,\quad f'(x) = \ln(x) – \frac{1}{2}\ln(x^2+1) \]

Calcule f”(x) en dérivant sous le signe intégral (ou en dérivant l’expression intermédiaire), obtient une expression simple en termes de 1/x et de x/(x^2+1). Intègre ensuite f” pour retrouver f’ : l’intégration donne des logarithmes et on fixe la constante d’intégration par un passage à une valeur limite (par exemple comportement en 0+ ou en +∞). Cela conduit exactement à f'(x)=ln x – (1/2)ln(x^2+1). Si tu veux le détail pas-à-pas, débloque les corrigés sur Prépa Booster pour l’explication complète et les manipulations.

I.A.4) Montrer \[ \left\{ \begin{array}{l} \forall x > 0,\quad f(x) = x\ln(x) – \frac{1}{2}x\ln(x^2+1) – \arctan(x) + \frac{\pi}{2} \\[2mm] f(0) = \frac{\pi}{2} \end{array} \right. \]

Intègre l’expression de f’ trouvée en I.A.3. Fais une intégration par parties si nécessaire pour obtenir les termes en x ln(x), x ln(x^2+1) et arctan(x). La constante d’intégration se détermine en regardant la valeur en 0 (continuité en 0), ce qui fournit f(0)=π/2 et complète la formule donnée.

I.A.5) Montrer \[ \forall s \in \mathbb{R},\; |s| = \frac{2}{\pi} \int_0^{+\infty} \frac{1 – \cos(st)}{t^2} dt \]

C’est une identité classique obtenue en deux étapes : fais une intégration par parties de l’intégrale I(s)=∫_0^{+∞}(1−cos(st))/t^2 dt pour transformer en une intégrale contenant (sin(st))/t, puis utilise une transformée de Fourier ou un calcul direct (limite d’une convolution, ou passage à la limite par une famille d’approximations de l’identité). On obtient I(s)=π|s|/2. Cette formule est très utile pour passer de moments à des transformées cosinus.

I.B.1) Justifier l’existence de la suite $(u_n)_{n\in\mathbb{N}^*}$ et préciser la monotonie de la sous-suite $(u_{2n})_{n\in\mathbb{N}^*}$.

La suite u_n est définie par une intégrale (voir énoncé) dont existence suit de la positivité et de la convergence de l’intégrand. Pour la monotonie de (u_{2n}), utilise l’expression u_n=(π/2)E(|S_n|) (voir II.A.4) et la propriété que les fonctions caractéristiques (cos t)^n donnent une décroissance/inégalité sur les moments absolus pour n pair ; on en déduit que (u_{2n}) est décroissante ou croissante selon le signe dans l’énoncé (l’énoncé classique montre ici que (u_{2n}) est décroissante). Détaille en comparant termes sous l’intégrale ou via l’inégalité d’Hoelder.

I.B.2) Montrer que $u_1 = u_2 = \dfrac{\pi}{2}$.

Calcule directement u_1 et u_2 à partir de la définition ou utilise la formule de la valeur absolue obtenue en I.A.5 avec s pris égal à la somme de ±1 (loi de S_n pour n=1,2). On trouve pour ces petits n que l’espérance de |S_n| vaut 1, d’où u_n=(π/2)·1=π/2 pour n=1,2. Si tu veux la démonstration détaillée, débloque les corrigés sur Prépa Booster.

I.C.1) Montrer que \[ \forall n \in \mathbb{N}^*,\quad u_n = \frac{\sqrt{n}}{2\sqrt{2}}v_n \text{ avec } v_n = \int_0^{+\infty} \frac{1 – (\cos(\sqrt{2}\,u/\sqrt{n}))^n}{u^2} \sqrt{u}\, du \]

Fais le changement de variable t=√2 u/√n ou l’inverse dans l’intégrale qui définit u_n. Cette simple substitution donne la factorisation en √n/(2√2)·v_n avec v_n égal à l’intégrale indiquée. C’est une manipulation standard pour étudier le comportement asymptotique via renormalisation.

I.C.2) Montrer que \[ \forall (n,u)\in \mathbb{N}^* \times ]0,1],\; |1 – (\cos(\sqrt{2}u/\sqrt{n}))^n|\leq u \]

Pour u∈]0,1] et n≥1, utilise l’inégalité |1−a^n| ≤ n|1−a| pour a=cos(√2 u/√n) et l’approximation 1−cos x ≤ x^2/2. Après simplification avec les facteurs en √n, on obtient la borne souhaitée |1−(cos(…))^n| ≤ u. C’est un contrôle uniforme pour appliquer la convergence dominée ensuite.

I.C.3) Montrer que la suite $(v_n)_{n\in\mathbb{N}^*}$ admet une limite finie $\ell$ vérifiant \[ \ell = \int_0^{+\infty} \frac{1-e^{-u}}{u^2} \sqrt{u}\, du \]

Montre d’abord que l’intégrande de v_n converge ponctuellement vers (1−e^{−u})/u^2·√u en utilisant (cos(α/√n))^n → e^{−α^2/2} et ici α=√2 u so que (cos(√2u/√n))^n → e^{−u}. Ensuite applique le théorème de convergence dominée en t’exploitant la majoration de I.C.2 pour u∈]0,1] et un majorant intégrable sur ]1,+∞[. Cela permet de passer à la limite sous l’intégrale et d’obtenir l’expression de ℓ.

I.C.4) On admet la relation \[ \int_0^{+\infty} \frac{e^{-u}}{\sqrt{u}}du = \sqrt{\pi}. \] Conclure que $u_n \sim \sqrt{\dfrac{n\pi}{2}}$.

Utilise la relation de I.C.1 : u_n=(√n/(2√2))v_n et la limite v_n→ℓ donnée en I.C.3. Analyse ℓ en écrivant (1−e^{−u})/u^2·√u comme intégrale par parties ou en remarquant que ℓ = 2∫_0^{+∞} e^{−u}/√u du = 2√π (les manipulations standard s’appliquent ici). En remplaçant dans l’expression de u_n on obtient l’équivalent u_n∼√(nπ/2). Méthode classique d’analyse asymptotique par changement d’échelle et convergence dominée.

II.A.1) Déterminer l’espérance et la variance de $S_n$.

S_n est somme de n variables indépendantes X_i à valeurs ±1 équiprobables (loi symétrique). Donc E(S_n)=0 et Var(S_n)=n Var(X_1)=n·1= n. Indique toujours la méthode : linéarité de l’espérance, indépendance pour la variance.

II.A.2) Soient $S$ et $T$ deux variables aléatoires réelles finies indépendantes définies sur $(\Omega, \mathcal{A}, P)$. On suppose que $T$ et $-T$ ont même loi. Montrer que $E(\cos(S+T)) = E(\cos(S))E(\cos(T))$.

Utilise l’indépendance pour écrire E(cos(S+T)) = E(E(cos(S+T)|S)) = E( cos S · E(cos T | S) − sin S · E(sin T|S) ). L’indépendance implique les espérances conditionnelles deviennent E(cos T) et E(sin T). La symétrie de la loi de T (T et −T ont même loi) entraîne E(sin T)=0. D’où E(cos(S+T))=E(cos S)E(cos T).

II.A.3) On considère la fonction $\varphi_n$ de $\mathbb{R}$ dans $\mathbb{R}$ telle que $\varphi_n(t) = E(\cos(S_n t))$ pour tout réel $t$. Montrer que $\varphi_n(t) = (\cos t)^n$ pour tout entier $n\in\mathbb{N}^*$ et tout réel $t$.

Par indépendance des X_i, E(cos(t S_n)) = E( cos(t(X_1+…+X_n)) ) = E( ∏_{k=1}^n cos(t X_k) ) et comme X_k ont même loi ±1 équiprobable, on peut établir par récurrence ou via l’indépendance que φ_n(t) = (E(cos(t X_1)))^n. Or E(cos(t X_1)) = (cos t). D’où φ_n(t)=(cos t)^n.

II.A.4) Montrer, pour tout $n\in\mathbb{N}^*$, \[ E(|S_n|) = \frac{2}{\pi} u_n. \] On utilisera l’expression intégrale de la valeur absolue obtenue à la question I.A.5.

Utilise la formule I.A.5 appliquée à s=S_n: |S_n|=(2/π)∫_0^{+∞}(1−cos(S_n t))/t^2 dt. Prends l’espérance et échange espérance et intégrale (positivité et convergence permettent l’échange). Utilise φ_n(t)=E(cos(S_n t))=(cos t)^n pour obtenir E(|S_n|)=(2/π)∫_0^{+∞}(1−(cos t)^n)/t^2 dt, ce qui coïncide avec la définition de u_n, d’où E(|S_n|)=(2/π)u_n.

II.A.5) Déduire de la question précédente que, pour tout $n\in\mathbb{N}$, $u_{2n+1} = u_{2n+2}$.

Pour n entier, S_{2n+2}=S_{2n+1}+X_{2n+2} avec X_{2n+2}=±1 indépendant. En exploitant l’expression φ_n=(cos t)^n et la périodicité/symétrie de cos, ou directement en comparant E(|S_{2n+1}|) et E(|S_{2n+2}|) via la loi symétrique (ajout d’une variable ±1) on montre que l’espérance de la valeur absolue ne change pas lorsqu’on ajoute une variable supplémentaire pour les rangs pair/impair concernés. En traduisant avec u_n via II.A.4, on obtient u_{2n+1}=u_{2n+2}.

II.B.1) Montrer que $E(S_n^4) = 3n^2 – 2n$ pour tout $n\in\mathbb{N}^*$.

Développe S_n^4 = (∑ X_i)^4 et utilise l’indépendance, E(X_i)=0, X_i^2=1 presque sûrement, et E(X_i^4)=1. Rassemble les termes selon les indices égaux ou distincts : contributions des termes i=j=k=l, i=j≠k=l, etc. Le calcul combinatoire classique donne E(S_n^4)=3n(n−1)+n =3n^2−2n. C’est un exercice d’algèbre combinatoire probabiliste standard.

II.B.2) Montrer que, pour tout $n\in\mathbb{N}^*$, $P(U_n \geq \frac{1}{\sqrt{n}})\leq \dfrac{3}{n^{3/2}}$.

Applique l’inégalité de Markov/Chebyshev sur la variable U_n définie en fonction de S_n (suit la notation de l’énoncé). Par exemple, utilise la borne P(|S_n|≥n^{1/2}) ≤ E(S_n^4)/n^2 donnée par l’inégalité de Markov appliquée à S_n^4. Remplace E(S_n^4) par 3n^2−2n et simplifie pour obtenir la majoration P(U_n ≥1/√n) ≤ 3/n^{3/2}. C’est un usage classique des moments d’ordre 4.

II.B.3) Montrer que $\mathcal{Z}_n \in \mathcal{A}$ pour tout $n\in\mathbb{N}^*$ et que $\lim_{n\to \infty}P(\mathcal{Z}_n) = 0$.

Vérifie d’abord que chaque événement Z_n est bien mesurable (constructions à partir des variables aléatoires mesurables). Ensuite, utilise la majoration de II.B.2 : P(Z_n) ≤ 3/n^{3/2} → 0 lorsque n→∞. Donc P(Z_n) tend vers 0 et Z_n∈A car décrit par inégalités sur variables mesurables.

II.B.4) En considérant $\mathcal{Z} = \bigcap_{n\in\mathbb{N}^*} \mathcal{Z}_n$, montrer que $\left(\dfrac{S_n}{n}\right)$ converge presque sûrement vers $0$.

Les Z_n sont des événements où la moyenne partielle n’est pas assez petite. On a P( lim sup Z_n ) = 0 car ∑ P(Z_n) < ∞ (somme des 3/n^{3/2} converge). Par le lemme de Borel-Cantelli, presque sûrement seules un nombre fini de Z_n se produisent, donc à partir d’un rang assez grand S_n/n est arbitrairement petit presque sûrement. D’où S_n/n → 0 p.s. Classique : Borel-Cantelli + majoration des probabilités.

III.A.1) Montrer que la suite $(E(|T_n|))_{n\in\mathbb{N}^*}$ est croissante.

T_n est la somme pondérée ∑_{k=1}^n a_k X_k avec a_k≥0 décroissants ; ajoute un terme positif a_{n+1}X_{n+1} indépendant. Montre via l’inégalité |x+y| ≥ ||x|−|y|| et l’espérance que E(|T_{n+1}|) ≥ E(|T_n|) (ou utilise la convexité et l’indépendance pour montrer l’augmentation). C’est un argument standard sur l’ajout d’un terme supplémentaire à valeur absolue moyenne nulle mais qui accroît l’espérance de la valeur absolue.

III.A.2) Montrer que si la série $\sum a_n^2$ est convergente, alors la suite $(E(|T_n|))_{n\in\mathbb{N}^*}$ est convergente.

Si ∑a_n^2 <∞ alors (T_n) est Cauchy en L^2 (varianes des queues tendent vers 0). Ainsi T_n converge en L^2 et donc en probabilité vers une limite T. Par positivité et monotonie de E(|T_n|) on en déduit la convergence de E(|T_n|) vers E(|T|) (par convergence en L^1 extraites ou par théorème de convergence dominée avec contrôle des moments). Conclusion : la suite croissante et majorée converge.

III.A.3) On suppose $a_1 \geq a_2 + \dots + a_n$. Montrer $E(|T_n|) = E(|T_1|) = a_1$.

Sous cette hypothèse, pour tout choix des signes des autres X_k, la composante principale a_1 domine en valeur absolue la somme des autres termes, donc |T_n| = |a_1 ± rest| = a_1 ± something with sign déterminé, et en fait on montre que la valeur absolue est systématiquement a_1 (les autres termes ne peuvent inverser le signe du premier terme). En prenant l’espérance on obtient E(|T_n|)=a_1=E(|T_1|). Détaille en examinant les cas signe par signe.

III.B.1) Montrer que $(J_n)_{n\in\mathbb{N}^*}$ est une suite bien définie et qu’elle est croissante et convergente. On posera $a_k = \dfrac{1}{2k-1}$ et on exprimera l’espérance de $|T_n|$ avec la méthode de la question II.A.4.

Pour a_k=1/(2k−1) la série des carrés converge ou diverge selon comportement; ici montre que les intégrales définissant J_n existent (contrôle en 0 et +∞). Utilise la formule E(|T_n|)=(2/π)∫(1−φ_n(t))/t^2 dt comme en II.A.4 pour définir J_n et en déduire la monotonie (ajout d’un terme augmente l’espérance). Comme la suite est croissante et majorée (contrôle via inégalités sur les a_k), elle converge. Pour le calcul détaillé et les estimations précises, consulte le corrigé complet.

III.B.2) Montrer que $J_n = \dfrac{\pi}{2}$ pour $1\leq n\leq 7$ et que $(J_n)_{n\geq 7}$ est strictement croissante.

Calcule explicitement J_n pour petites valeurs de n en utilisant la formule d’espérance via l’intégrale et les formes explicites des φ_n (produit des cosinus pondérés). Pour n ≤ 7 les symétries et annulations donnent J_n=π/2; au-delà, la contribution des termes supplémentaires rend la suite strictement croissante. Le travail demande des calculs explicites ou une analyse numérique rigoureuse pour les premiers termes ; pour la démonstration complète et les détails de calcul, débloque les corrigés sur Prépa Booster où je te guide pas à pas.