Corrigé Maths 2 MP MPI Centrale Supélec 2023 - Intégrales & Probabilités

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CONCOURS CENTRALE SUPÉLEC 2023
CORRIGÉ DE MATHÉMATIQUES 2 - MP, MPI
L’objectif du problème est de démontrer le Théorème de Concentration de Kolmogorov, pour cela on
démontre le Théorème central limite, qui est déjà traité dans les concours des années précédentes, no-
tamment Mines et Ponts 2021 Math1 MP. Dans le même cadre et pour la préparation de mes élèves, j’ai
construit un problème sur la loi de l’arc-sinus. 1
I. Résultats préliminaires
I.A- Calcul d’une intégrale classique
I.A.1)
Q 1. Pour tout t[0,1] ,1 + t22donc 1
(1+t2)n1
2nce qui donne : In>1
2n.
Q 2. On a 1
(1+t2)n1
t2n, et t7→ 1
t2nest intégrable au voisinage de +, donc 7→ 1
(1+t2)nest intégrable
sur [0,+[, d’où l’existence de Kn.
K1=Z+
0
1
1 + t2dt =π
2
Q 3. Pour tout t[1,+[on a 1 + t1 + t2et 1
(1+t2)n1
(1+t)ndonc
Z+
1
1
(1 + t2)ndtZ+
1
1
(1 + t)ndt=1
(n1)2n1
ainsi Z+
1
1
(1 + t2)ndt=O1
n2n.
Q 4. On a Kn=In+Z+
1
1
(1 + t2)ndt,In>1
2net Z+
1
1
(1 + t2)ndt=O1
n2n.
Puisque 1
n2n=o(1
2n)alors Z+
1
1
(1 + t2)ndt=o(In)
ainsi
Kn=In+o(In).
d’où
In
n+Kn
1. Vous trouvez le sujet et un corrigé ici :https://tinyurl.com/2qyzzrbd
1
Q 5. Soit n > 1et x0, on a
Zx
0
1
(1 + t2)ndt=Zx
0
(t)0
(1 + t2)ndt
=t
(1 + t2)nx
0
+Zx
0
2nt2
(1 + t2)n+1
=x
(1 + x2)n+ 2nZx
0
1
(1 + t2)n1
(1 + t2)n+1 dt.
quand xtend vers +on obtient : Kn=Kn+1 +1
2nKn.
Q 6. La relation précédente s’écrit : Kn+1 =11
2nKndonc
Kn+1 =
n
Y
k=1 11
2kK1
avec K1=π
2, par suite
Kn+1 =π
2
1.3.5...(2n1)
2.4.6...(2n)
=π
2
(2n)!
(2.4.6...(2n))2
=π(2n)!
22n+1 (n!)2
La formule de Stirling donne
Kn+1
n+
π4πn2n
e2n
22n+12πnn
e2n
n+
1
2qπ
n
donc
In
n+Kn
n+
1
2rπ
n
I.A.2) .
Q 7. Par le changement de variable u=nt on a
nIn=Zn
0
1
(1 + u2/n)ndu
Q 8. On va appliquer le théorème de la convergence dominée à la suite de fonctions :
fn:x7→
1x2
n!n
si x[0,n]
0si x[n, +[
.
fnest continue et intégrable sur [0,+[.
Soit x[0,+[et nassez grand (nx2)
fn(x) = enln(1x2
n)
=
n+ex2+o(1)
2
donc lim
n→∞ fn(x) = ex2d’où la convergence simple de la suite de fonctions (fn)vers x7→ ex2sur
[0,+[.Cette dernière fonction est intégrable sur [0,+[( c’est un o(1
x2)en +).
Pour la domination on utilise l’inégalité : et1 + t0sur [0,1] .
Pour tout x[0,n]on a ex2
n1x2
n0par suite ex21x2
nnet
0fn(x)ex2pour tout x[0,+[
Le théorème de la convergence dominée donne
lim
n→∞ Z+
0
fn(x) dx=Z+
0
lim
n→∞ fn(x) dx
et on a
Z+
0
lim
n→∞ fn(x) dx=Z+
0
ex2dx
et
Z+
0
fn(x) dx=Zn
0 1x2
n!n
dx=nIn
D’où
lim
n→∞ nIn=Z+
0
eu2du
Q 9. D’après la question Q6 lim
n→∞ nIn=π
2donc Z+
0
eu2du=π
2.
La parité et le changement u=2tdonnent Z+
−∞
eu2/2du=2π
I.B - Comportement asymptotique de 1Φ
Soit x > 0.
Q 10. Pour t>xon a ϕ(t)6t
xϕ(t), la fonction t7→ t
xϕ(t)est intégrable ( c’est un o(1
x2)en +)
donc
Z+
x
ϕ(t)dt6Z+
x
(t)
xdt.
et
Z+
x
(t)
xdt =1
x2πZ+
x
tet2/2dt
=1
x2πhet2/2i+
x
=ex2/2
x2π
=ϕ(x)
x
ainsi Z+
x
ϕ(t)dt6ϕ(x)
x.
3
Q 11. Soit g:x7→ Z+
x
ϕ(t)dtx
x2+ 1ϕ(x)pour x[0,+[, remarquons que :
ϕ0(x) = (x),x
x2+ 10=1x2
(x2+ 1)2et Z+
x
ϕ(t)dt0=ϕ(x), par suite
g0(x) = ϕ(x)1x2
(x2+ 1)2ϕ(x) + (x)x
x2+ 1
=ϕ(x)(x2+ 1)2x2+1+x2(x2+ 1)
(x2+ 1)2
=2ϕ(x)
(x2+ 1)2
gest décroissante sur [0,+[,g(0) = Z+
0
ϕ(t)dt > 0et lim
x+g(x) = 0 , ainsi g(x)0sur [0,+[et
x
x2+ 1ϕ(x)6Z+
x
ϕ(t)dt
Q 12. Nous avons donc
x
x2+ 1ϕ(x)6Z+
x
ϕ(t)dt6ϕ(x)
x
et x
x2+ 1ϕ(x)
x+
ϕ(x)
xd’où
Z+
x
ϕ(t)dt
x+
ϕ(x)
x
D’après Q9 on a Z+
−∞
ϕ(t)dt= 1 , donc 1Φ(x) = Z+
x
ϕ(t)dt, ainsi
1Φ(x)
x+
ϕ(x)
x
Autre methode :
Z
x
et2/2dt =Z
x
1
tet2/20dt
="et2/2
t#
xZ
x
et2/2
t2dt
=ex2/2
xZ
x
et2/2
t2dt
comme et2/2
t2=
t+o(1
t2)alors Z
x
et2/2
t2dt =
t+o(Z
x
et2/2dt)ce qui donne
Z
x
et2/2dt
t+
ex2/2
xet 1Φ(x)
x+
ex2/2
πx
I.C - Une inégalité maximale
Remrquons que les Aisont deux a deux disjoints, en effet si p > q alors Aq⊂ {|Rq|>3x}et
Apmax
16i6p1|Ri|<3x⊂ {|Rq|<3x}.
4
Q 13. Si ωApalors max
16k6n|Rk(ω)|>|Rp(ω)|>3x, donc ωA, on en déduit que
[
pJ1,nK
ApA
Si ωAalors il existe kJ1, nKtel que |Rk(ω)|>3x, posons
p= min {kJ1, nKtel que |Rk(ω)|>3x}
évidement ωAp, ainsi on a A[
pJ1,nK
Ap.
D’où
A=[
pJ1,nK
Ap
Q 14. Les événements [|Rn|>x]et[|Rn|< x]forment un système complet d’événements , donc
P(A) = P(A∩ {|Rn|>x}) + P(A∩ {|Rn|< x})
on a P(A∩ {|Rn|>x})P({|Rn|>x})et
A∩ {|Rn|< x}=[
pJ1,nK
(Ap∩ {|Rn|< x})
ce qui donne P(A∩ {|Rn|< x})n
P
p=1
P(Ap∩ {|Rn|< x})d’où
P(A)P({|Rn|>x}) +
n
X
p=1
P(Ap∩ {|Rn|< x})
Q 15. Ici on utilise l’inégalité |ab| ≥ ||a|−|b||.
Soit pJ1, nK, on a
ωAp∩ {|Rn|< x} ⇒ ωApet |Rn(ω)|< x
ωAp,|Rp(ω)|>3xet |Rn(ω)|< x
ωApet |Rp(ω)Rn(ω)|>|Rp(ω)|−|Rn(ω)| ≥ 2x
ainsi Ap∩ {|Rn|< x} ⊂ Ap∩ {|RnRp|>2x}.
Q 16. D’après Q14
P(A)P({|Rn|>x}) +
n
X
p=1
P(Ap∩ {|Rn|< x})
et on a P(Ap∩ {|Rn|< x})P(Ap∩ {|RnRp|>2x})donc
P(A)P({|Rn|>x}) +
n
X
p=1
P(Ap∩ {|RnRp|>2x})
Rappelons que Rp=
p
P
i=1
Zi,RnRp=
p
P
i=p+1
Zidonc pour tout kJ1, pKles deux variables RnRpet
Rksont indépendantes par suite les événement Apet {|RnRp|>2x}sont indépendants donc
P(Ap∩ {|RnRp|>2x}) = P(Ap)P({|RnRp|>2x})
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