SESSION 2017
Concours commun Mines-Ponts
PREMIÈRE ÉPREUVE. FILIÈRE MP
A. Préliminaires
1) On sait que P ⊂ D et d’autre part D ⊂ E par définition. Ensuite, (P,+, .)est un espace vectoriel et donc un sous-espace
de E. Enfin, la fonction nulle sur Iest dans Det il est connu qu’une combinaison linéaire d’éléments de Dest dans D.
Donc, Dest un sous-espace de E.
2) Soit f∈ E. Pour tout xde I,|xsin t|6|x|6a. La fonction t7xsin test continue sur h0, π
2ià valeurs dans Iet la
fonction f:y7f(y)est continue sur I. Donc la fonction t7f(xsin t)est continue sur le segment h0, π
2ipuis, u(f)(x)
existe. Ainsi, u(f)est une fonction définie sur Ià valeurs dans C.
Soit F:I×h0, π
2iC
(x, t)72
πf(xsin t)
de sorte que pour tout xI,u(f)(x) = Zπ
2
0
F(x, t)dt.
Pour tout xde I, la fonction t7F(x, t)est continue par morceaux sur h0, π
2i
Pour tout tde I, la fonction x7F(x, t)admet sur I×h0, π
2ides partielles à tout ordre par rapport à sa première
variable xdéfinies par :
(x, t)I×h0, π
2i,KF
∂xk(x, t) = 2
πsinktf(k)(xsin t).
De plus,
-Pour tout xde I, la fonction t7KF
∂xk(x, t)est continue par morceaux sur h0, π
2i.
-Pour tout tde h0, π
2i, la fonction x7KF
∂xk(x, t)est continue par morceaux sur I.
-Pour tout (x, t)I×h0, π
2i,
KF
∂xk(x, t)
62
π
f(k)
=ϕk(t)(où
f(k)
=sup f(k)(u), u Iexiste dans R
car la fonction f(k)est continue sur le segment [−a, a]). De plus, la fonction constante ϕkest intégrable sur
le segment h0, π
2i.
D’après le théorème de dérivation des intégrales à paramètres, la fonction u(f)est de classe Csur Iet de plus,
kN,xI, (u(f))(k)(x) = 2
πZπ
2
0
sinktf(k)(xsin t)dt.
On a montré que la fonction u(f)est définie sur Iet élément de E.
Pour tout xde I,v(f)(x) = f(0) + πx
2u(f) (x). Puisque fest dans E, la fonction v(f)est définie sur Iet élément de E.
3) Pour xI, posons P(x) =
n
X
k=0
akxk. Pour tout xI,
u(P)(x) =
n
X
k=0
2
πakWkxk,
et donc u(P)∈ P. Ensuite, Pest dans Pet pour tout xde I,v(P)(x) = P(0) + πx
2u(P) (x). Donc, v(P)∈ P.
On a montré que Pest stable par uet v.
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4) Soit nN. Une intégration par parties, licite, fournit
Wn+2=Zπ
2
0
sin tsinn+1t dt =cos tsinn+1(t)
π
2
0Zπ
2
0
(− cos t)(n+1)cos tsinnt dt
= (n+1)Zπ
2
0
cos2tsinnt dt = (n+1)Zπ
2
01sin2tsinnt dt
= (n+1) (WnWn+2)
et donc (n+2)Wn+2= (n+1)Wn. En multipliant les deux membres de cette égalité par Wn+1, on obtient
nN,(n+2)Wn+2Wn+1= (n+1)Wn+1Wn.
La suite ((n+1)Wn+1Wn)nNest donc constante. Par suite, pour tout nN,
(n+1)Wn+1Wn=W1W0=π
2
puis
nN, WnWn+1=π
2(n+1).
5) Soit nN.WnWn+1=Zπ
2
0
(1sin t)sinnt dt > 0 (intégrale d’une fonction continue, positive, non nulle). Donc, la
suite (Wn)nNest strictement décroissante.
La suite (Wn)est décroissante et minorée par 0. Donc, cette suite converge vers une limite positive ou nulle. Quand n
tend vers +dans l’égalité de la question précédente, on obtient 2=0puis =0.
Pour nN,06Wn+26Wn+16Wn. Après division des trois membres de cet encadrement par le réel strictement positif
Wn, on obtient n+1
n+26Wn+1
Wn
61. D’après le théorème des gendarmes, Wn+1
Wn
tend vers 1ou encore Wn+1
n+
Wn.
D’après la question précédente, W2
n
n+
π
2n ou encore, puisque la suite (Wn)est strictement positive,
Wn
n+rπ
2n.
B. Etude de la continuité de uet v
6) Pour tout fde E, la fonction |f|est continue sur le segment I= [−a, a]et donc la fonction |f|admet un maximum sur
I. Donc, M(f)existe dans R.
uest une application linéaire de Edans Eou encore uL(E). Soit f∈ E. Pour tout xI,
|u(f(x))|62
πZπ
2
0
|f(xsin t)|dt 62
πZπ
2
0
M(f)dt =M(f),
puis M(u(f)) 6M(f). Ainsi, l’endomorphisme uvérifie : f∈ E,M(u(f)) 6M(f). On sait alors que uest une application
continue de l’espace vectoriel normé (E, M)dans lui-même.
7) Pour nNet xI, posons fn(x) = xn. Pour nN,M(fn) = an. Pour nNet xI,
v(fn(x)) = 2
πxZπ
2
0
nxn1sinn1t dt =2
πnWn1xn.
Par suite, pour nN,M(v(fn)) = 2
πnWn1an. D’après la question précédente, M(v(fn)) = 2
πnrπ
2n an
n+
r2n
πan.
Mais alors, M(v(fn))
M(fn)
n+r2n
π
n+
+. On en déduit que M(v(f))
M(f), f ∈ E \ {0}n’est pas majoré et on sait alors
que l’endomorphisme vn’est pas continu de l’espace vectoriel normé (E, M)dans lui-même.
8) Pour f∈ E,fet fsont dans Eet donc Nest bien définie sur E.
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Pour tout f∈ E,N(f)>0et de plus, N(f) = 0M(f) = M(f) = 0f=0.
Pour tout f∈ E et λC,N(λf) = M(λf) + M(λf) = |λ|(M(f) + M(f)) = |λ|N(f).
Pour tout (f, g)∈ E2,N(f+g) = M(f+g) + M(f+g)6M(f) + M(f) + M(g) + M(g) = N(f) + N(g).
Tout ceci montre que Nest une norme sur E.
Pour f∈ E et xI,
|v(f(x))|6|f(0)|+2
π|x|Zπ
2
0
|f(xsin t)|dt 6M(f) + a2
πZπ
2
0
M(f)dt =M(f) + aM(f)
6(1+a)(M(f) + M(f)) = (1+a)N(f).
Par suite, pour tout f∈ E,M(v(f)) 6(1+a)N(f). On en déduit que l’endomorphisme vest continu de l’espace vectoriel
normé (E, N)dans l’espace vectoriel normé (E, M).
Si les normes Met Nétaient équivalentes, l’application vdevrait aussi être continue de l’espace vectoriel normé (E, M)
dans lui-même, ce qui n’est pas. Donc, les normes Met Nne sont pas équivalentes.
9) Soient f∈ E et ε > 0. Puisque la fonction fest continue sur le segment [−a, a], il existe un polynôme qtel que
M(fq)6εd’après le théorème de Weierstrass. Soit p:x7f(0) + Zx
0
q(t)dt.pest un polynôme tel que
p(0) = f(0)et pour tout xde I,|f(x) − p(x)|6ε.
Soient f∈ E et ε > 0. Soit pun polynôme tel que p(0) = f(0)et pour tout xde I,|f(x) − p(x)|6ε
1+a. Pour xI,
d’après l’inégalité des accroissements finis,
|f(x) − p(x)|=|(f(x) − p(x)) − (f(0) − p(0))|6|x0|M(fp)6εa
1+a
et donc M(fp)6εa
1+a. On en déduit que
N(fp) = M(fp) + M(fp)6ε
1+a+εa
1+a=ε.
Ainsi, pour tout f∈ E et tout ε > 0, il existe p∈ P tel que N(fp)6ε. Ceci montre que Pest dense dans l’espace
vectoriel normé (E, N).
C. Etude de l’inversibilité de uet v
10) Pour nNet xI, on pose fn(x) = xn.v(f0) = f0=u(f0)puis u(v(f0)) = v(u(f0)) = f0. Pour n>1et xI,
u(fn) (x) = 2
πZπ
2
0
xnsinnt dt =2
πWnxn=2
πWnfn(x)
et
v(fn) (x) = 0+xZπ
2
0
nxn1sinn1t dt =nWn1fn(x).
d’après la question 4. Par suite,
v(u(fn)) = 2
πWnv(fn) = 2
πnWnWn1fn=fn.
De même,
u(v(fn)) = nWn1v(fn) = 2
πnWnWn1fn=fn.
Ainsi, l’endomorphisme vu/P(resp. uv) coïncide avec IdPsur la base canonique de P. On en déduit que (vu)/P=IdP
(resp. (uv)/P=IdP).
On a vu que uet vlaissent Pstable. Ces deux dernières égalités s’écrivent encore v/Pu/P=IdPet u/Pv/P=IdP.
Ainsi, u/Pet v/Psont des automorphismes de P.
11) Soit f∈ E. D’après la question 9, Pest dense dans l’espace (E, N). Il existe donc une suite de polynômes (pn)
convergeant vers la fonction fdans l’espace (E, N). La fonction vest continue de l’espace (E, N)dans l’espace (E, M)
d’après la question 8 et la fonction uest continue de l’espace (E, M)dans lui-même. Donc, la fonction uvest continue
de l’espace (E, N)dans l’espace (E, M). Mais alors, la suite (uv(pn)) = (pn)converge vers uv(f)dans l’espace (E, M).
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On note enfin que M6Net donc M(pnf)6N(pnf)
n+
0. Donc, la suite (pn)converge vers fdans l’espace
(E, M). Par unicité de la limite, uv(f) = f.
Ainsi, uv=IdE. En particulier, uvest injective et donc vest injective ou encore 0n’est pas valeur propre de v.
12) Pour f∈ E et xI,
uv(f)(x) = 2
πZπ
2
0
v(f)(xsin t)dt =2
πZπ
2
0 f(0) + xsin tZπ
2
0
f(xsin tsin u)du!dt
=f(0) + 2
πxZπ
2
0 Zπ
2
0
f(xsin tsin u)sin t du!dt
et
vu(f)(x) = u(f)(0) + xZπ
2
0
u(f)(xsin t)dt =f(0) + 2
πxZπ
2
0 Zπ
2
0
f(xsin tsin u)sin t du!dt
=uv(f)(x)
Donc, vu=uv=IdE. On en déduit que uet vsont des automorphismes de Eet que v=u1.
13) Pour f∈ E et xI, on a déjà constaté que v(f)(x) = f(0) + πx
2u(f)(x).
Pour xR, en posant z=tan tet donc sin2t=1cos2t=z2
1+z2et dt =dz
1+z2, on obtient
u(arctan)(x) = 2
πZπ
2
0
1
1+x2sin2tdt =2
πZ+
0
1
1+x2z2
1+z2
dz
1+z2
=2
πZ+
0
dz
1+ (1+x2)z2dz
=2
π1+x2Z+
0
du
1+w2dw (en posant w=zp1+x2)
=1
1+x2=argsh(x)
puis
1
1+x2=arctan(x) = v(argsh)(x) = argsh(0) + πx
2u(argsh′′)(x) = 1+πx
2u(argsh′′)(x).
Donc, pour x6=0,u(argsh′′)(x) = 2
πx 1
1+x21= − 2x
π(1+x2)ce qui reste vrai pour x=0par continuité.
xR, u(argsh′′)(x) = − 2x
π(1+x2).
14) Supposons que pour x[−a, a],f(−x) = εf(x)ε{1, 1}est indépendant de x. Pour x[−a, a],
u(f)(−x) = Zπ
2
0
f(−xsin t)dt =εZπ
2
0
f(xsin t)dt =εu(f)(x).
De même, si fest impaire, alors f(0) = 0et fest paire puis pour x[−a, a],
v(f)(−x) = 0xZπ
2
0
f(−xsin t)dt = −xZπ
2
0
f(xsin t)dt = −v(f)(x)
et donc v(f)est impaire, et si fest paire, fest impaire puis
pour x[−a, a],
v(f)(−x) = f(0) − xZπ
2
0
f(−xsin t)dt =f(0) + xZπ
2
0
f(xsin t)dt =v(f)(x)
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et v(f)est paire. En résumé, si fest paire (resp. impaire) alors u(f)et v(f)sont paires (resp. impaires).
Réciproquement, si u(f)est paire (resp. impaire), alors f=v(u(f)) est paire (resp. impaire) et si v(f)est paire (resp.
impaire), alors f=u(v(f)) est paire (resp. impaire).
D. Etude des valeurs et vecteurs propres de uet v
15) Soit λRune valeur propre de v. Soit fun vecteur propre associé. Alors f=u(v(f)) = λu(f)puis u(f) = 1
λfde
sorte que 1
λest valeur propre de uet fest un vecteur propre de uassocié à la valeur propre 1
λ. En résumé, si λest valeur
propre de v, alors 1
λest valeur propre de uet Eλ(v)E1
λ(u).
En échangeant les rôles de uet v, on a aussi : µ=1
λest valeur propre de u, alors 1
µ=λest valeur propre de v
et E1
λ(u)Eλ(v). Finalement, λest valeur propre de vsi et seulement si 1
λest valeur propre de uet dans ce cas,
Eλ(v) = E1
λ(u).
16) Soit f∈ D. Il existe α]0, a]puis (an)nNtels que pour tout x] − α, α[,f(x) =
+
X
n=0
anxn. Soit x] − α, α[. Pour
th0, π
2i, posons fn(t) = anxnsinntde sorte que u(f)(x) = Zπ
2
0 +
X
n=0
fn(t)!dt.
Chaque fonction fnest continue par morceaux sur l’intervalle h0, π
2i.
Pour tout th0, π
2,|fn(t)|6|an| |x|nqui est le terme général d’une série numérique convergente (car Xanxn
converge absolument sur ] − α, α[). Donc la série de fonctions de terme général fn,nN, converge normalement et
en particulier uniformément sur le segment h0, π
2i.
On sait alors que l’on peut intégrer terme à terme. Pour x] − α, α[, on obtient
u(f)(x) =
+
X
n=0
anWnxn.
Donc, u(f)D. Ceci montre que Dest stable par u.
Si fest dans D, alors fest dans Dpuis u(f)est dans Dpuis v(f) : x7f(0) + πx
2u(f)(x)est dans D. Donc, Dest
stable par v.
17) Pour f∈ E et nN, la fonction f(n)est continue sur le segment Iet donc mnexiste dans R.
Soit λ(R)une valeur propre de upuis fun vecteur propre associé. Pour nNet xI,
|λ|f(n)(x)=(λf)(n)(x)=u(f)(n)(x)=2
πZπ
2
0
sinntf(n)(xsin t)dt
62
πZπ
2
0
|sinnt|f(n)(xsin t)dt 62
πmnZπ
2
0
sinnt dt
=2mnWn
π.
En particulier, pour tout nN,|λ|mn62mnWn
π. Supposons par l’absurde que pour tout nN,mn> 0, alors pour
tout nN,|λ|62Wn
π. Quand ntend vers +, on obtient λ=0ce qui n’est pas. Donc, il existe nNtel que mn=0
ou encore f(n)=0. Ceci montre que fest nécessairement dans P.
18) Soit λR. Soit nNpuis P:
n
X
k=0
akXk,an6=0, une fonction polynomiale non nulle de degré n. D’après la
question 3,
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