CONCOURS COMMUN 2003
DES ECOLES DES MINES D’ALBI, ALES, DOUAI, NANTES
Epreuve Spécifique de Mathématiques
(filière MPSI)
Premier problème
I. Quelques résultats préliminaires
1) Soient x]0, π]et nN.
sin x
2fn(x) =
n
X
k=1
sin x
2cos(kx) = 1
2
n
X
k=1sin k+1
2xsin k1
2x
=1
2sin(n+1
2)xsin x
2(somme télescopique)
Maintenant, si x]0, π],x
2]0, π
2]et sin x
26=0. On en déduit que
nN,x]0, π], fn(x) = 1
2+1
2
sin (2n +1)x
2
sin x
2= 1
2+1
2gn(x).
2) a) Pour tout réel x]0, π], on a sin x
26=0et donc gnest continue sur ]0, π]en tant que quotient de fonctions continues
sur ]0, π]dont le dénominateur ne s’annule pas sur ]0, π].
De plus, quand xtend vers 0,gn(x) = 2fn(x) + 1tend vers le réel 2n +1. Donc, gnse prolonge par continuité en 0en
posant gn(0) = 2n +1. La fonc tion gnainsi définie est continue sur [0, π](pour tout réel xde [0, π],gn(x) = 2fn(x) + 1).
b) Soit nN.
Zπ
0
gn(x)dx =2Zπ
0
fn(x)dx +Zπ
0
dx
=π+2
n
X
k=1Zπ
0
cos(kx)dx =π+2
n
X
k=1sin(kx)
kπ
0
=π
nN,Rπ
0gn(x)dx =π.
3) a)
g(x) =
cos x
α1
sin x
2
x0,x>0
x2/(2)
x/2 = − x
α2.
En particulier, lim
x0
x>0
g(x) = 0=g(0). On en déduit que
gest continue en 0.
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b) gest de classe C1sur ]0, π]en tant que quotient de fonctions de classe C1sur ]0, π]dont le dénominateur ne s’annule
pas sur ]0, π]. De plus, pour x]0, π], on a
g(x) =
1
αsin x
αsin x
2cos x
α1.1
2cos x
2
sin2x
2.
Or, quand xtend vers 0,
1
αsin x
αsin x
2cos x
α1.1
2cos x
2= 1
α(x
α+o(x))( x
2+o(x)) − (− x2
2+o(x2)) 1
2(1+o(1))
= − x2
2+x2
2+o(x2) = − x2
2+o(x2)
x2
2,
et donc g(x)x2/(2)
x2/4 = − 1
α2.
lim
x0
x>0
g(x) = − 1
α2.
c) En résumé,
gest de classe C1sur ]0, π]d’après b),
gest de plus continue sur [0, π]d’après a),
ga une limite réelle quand xtend vers 0.
D’après un théorème classique d’analyse,
gest de classe C1sur [0, π].
En particulier, gest dérivable en 0et g(0) = lim
x0
x>0
g
α(x) == − 1
α2.
g(0) = − 1
α2.
II. Etude d’une suite
4) Soit nN.
La fonction get la fonction x72
2n +1cos (2n +1)x
2sont de classe C1sur [0, π]. On peut donc effectuer une
intégration par parties qui fournit
vn=2
2n +1cos (2n +1)x
2g(x)π
0
Zπ
0
2
2n +1cos (2n +1)x
2g(x)dx
=2
2n +1Zπ
0
cos (2n +1)x
2g(x)dx (car g(0) = 0et cos (2n +1)π
2=0).
Par suite,
|vn|2
2n +1Zπ
0cos (2n +1)x
2g(x)dx 2
2n +1Zπ
0
|g(x)|dx.
nN,|vn|A
2n +1A=2Zπ
0
|g(x)|dx.
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5) Soient nNet x]0, π].
fn(x)cos x
α=1
2+1
2gn(x)cos x
α(d’après la question 1))
= 1
2cos x
α+
sin (2n +1)x
2cos x
α
2sin x
2
= 1
2cos x
α+
cos x
α1
2sin x
2sin (2n +1)x
2+
sin (2n +1)x
2
2sin x
2
= 1
2cos x
α+1
2g(x)sin (2n +1)x
2+1
2gn(x).
Ainsi, pour nNet x]0, π],
fn(x)cos x
α= 1
2cos x
α+1
2g(x)sin (2n +1)x
2+1
2gn(x).
Cette dernière égalité reste valable quand x=0par continuité des fonctions fn,gnet gen 0. On peut alors intégrer
sur l’intervalle [0, π]et on obtient
Zπ
0
fn(x)cos x
α= 1
2Zπ
0
cos x
αdx +1
2Zπ
0
g(x)sin (2n +1)x
2dx +1
2Zπ
0
gn(x)dx
= 1
2hαsin x
αiπ
0
+1
2vn+π
2(d’après la question 2)b))
= α
2sin π
α+1
2vn+π
2.
On a montré que
nN, Xn= α
2sin π
α+1
2vn+π
2.
D’après la question 4), vntend vers 0quand ntend vers +. On en déduit que la suite (Xn)converge et que
lim
n+Xn= α
2sin π
α+π
2.
6) Soit nN.
Xn=Zπ
0
fn(x)cos x
αdx =
n
X
k=1Zπ
0
cos(kx)cos x
αdx =1
2
n
X
k=1Zπ
0cos (k+1
α)x) + cos (k1
α)x dx
=1
2
n
X
k=1
1
k+1
αsin (k+1
α)x+1
k1
αsin (k1
α)x
π
0
=α
2
n
X
k=11
+1sin π
α+1
1sin π
α
=α
2
n
X
k=11
+1(−1)ksin π
α1
1(−1)ksin π
α
=α
2sin π
αn
X
k=1
(−1)k1
+11
1
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On a montré que
nN, Xn=α
2sin π
αPn
k=1(−1)k1
+11
1,
et donc aussi
lim
n+ α
2sin π
αn
X
k=1
(−1)k1
+11
1!= α
2sin π
α+π
2.
III. Détermination de la valeur de I(α)
7) a) Puisque α > 1, la fonction t71
1+tαest continue sur [0, +[et donc localement intégrable sur [0, +[. De plus,
quand ttend vers +,1
1+tα1
tα. Maintenant, puisque α > 1, la fonction t71
tαest intégrable sur un voisinage de
+et positive. On en déduit que la fonction t71
1+tαest intégrable sur [0, +[et donc que
I(α)existe.
b) Puisque α > 1, on a 0 < β < 1.
ϕest continue sur ]0, 1], positive et équivalente en 0àtβ1qui est intégrable sur un voisinage de 0car β1 > 1.
Donc, ϕest intégrable sur ]0, 1].
ψest continue sur ]0, 1], positive et équivalente en 0àtβqui est intégrable sur un voisinage de 0car β > 1.
Donc, ψest intégrable sur ]0, 1].
ϕet ψsont intégrables sur ]0, 1].
8) a) Soit a]0, 1[. On pose t=xαet donc x=t1/α =tβpuis dx =βtβ1dt. On obtient
Z1
a
1
1+xαdx =Z1
aα
1
1+tβtβ1dt =βZ1
aα
ϕ(t)dt.
Quand atend vers 0,aαtend vers 0et donc, les fonctions ϕet t71
1+tαétant intégrables sur ]0, 1], quand atend vers
0, on obtient
Z1
0
1
1+xαdx =βJ(β).
b) Soit A > 1. On pose t=xαet donc x=t1/α =tβpuis dx = −βtβ1dt. On obtient
ZA
1
1
1+xαdx =ZAα
1
1
1+t1(−βtβ1)dt =βZ1
Aα
tβ
1+tdt =βZ1
Aα
ψ(t)dt.
Quand Atend vers +,Aαtend vers 0et donc, la fonction ψétant intégrable sur ]0, 1]et la fonction t71
1+tαétant
intégrable sur [1, +[, quand Atend vers +, on obtient
Z+
1
1
1+xαdx =βK(β).
Par la relation de Chasles, on a encore
I(α) = β(J(β) + K(β)).
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9) a) Soient nNet t[0, 1].
σn(t) − 1
1+t
=
1− (−t)n+1
1− (−t)1
1+t
=|(−1)ntn+1|
1+t=tn+1
1+ttn+1.
b) Soient nNet t]0, 1]. On a
|σn(t)|=
1− (−t)n+1
1+t
=|1− (−t)n+1|
1+t1+|(−t)n+1|
1+t=1+tn+1
1+t2
1+t,
et donc
|ϕn(t)|=tβ1|σn(t)|2tβ1
1+t=(t),
et
|ψn(t)|=tβ|σn(t)|2tβ
1+t=(t).
nN,t]0, 1],|ϕn(t)|(t)et |ψn(t)|(t).
c) Soit nN. Les fonctions ϕnet ψnsont continues sur ]0, 1]. De plus, d’après la question précédente, |ϕn|et
|ψn|. Les fonctions et étant intégrables sur ]0, 1]d’après la question 7)b), on en déduit que
nN, ϕnet ψnsont intégrables sur ]0, 1].
10) a) Soit nN. D’après la question 9)a), on a
|Jn(β) − J(β)|=Z1
0
σn(t) − 1
1+t
tβ1dt Z1
0
tn+1tβ1dt =Z1
0
tn+βdt =1
n+β+1.
et de même
|Kn(β) − K(β)|=Z1
0
σn1(t) − 1
1+t
tβdt Z1
0
tntβdt =Z1
0
tnβdt =1
nβ+1(0 < β < 1 fournit 0 < 1 β < 1).
Quand ntend vers +,1
n+β+1et 1
nβ+1tendent vers 0et on a donc montré que
lim
n+Jn(β) = J(β)et lim
n+Kn(β) = K(β).
b) Soit nN.
Jn(β) + Kn(β) = Z1
0 n
X
k=0
(−1)ktk!tβ1dt +Z1
0 n1
X
k=0
(−1)ktk!tβdt
=
n
X
k=0
(−1)kZ1
0
tk+β1dt +
n1
X
k=0
(−1)kZ1
0
tkβdt =
n
X
k=0
(−1)k1
k+β+
n1
X
k=0
(−1)k1
kβ+1
=
n
X
k=0
(−1)k1
k+1
α
+
n1
X
k=0
(−1)k1
k1
α+1
=α
n
X
k=0
(−1)k1
1+α
n1
X
k=0
(−1)k1
1α(k+1)
=α
n
X
k=0
(−1)k1
1+α
n
X
k=1
(−1)k11
1αk =α+α
n
X
k=1
(−1)k1
1++1
1αk
=α+2
sin π
αXn(d’après la question 6)).
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