A. P. M. E. P.
CAPES épreuve 2 session 2012
DEUXIÈME COMPOSITION
Problème 1 : anneau (Z/nZ,+,×)
Notations :
Pour un ensemble fini F, on note card(F) son cardinal.
Pour nNtel que n>1, on note Inl’ensemble des éléments inversibles de
l’anneau (Z/nZ,+,×)et Nnl’ensemble des éléments non inversibles.
Pour aet bZ, « adivise b» est noté a|b, ce qui équivaut à : kZ,b=ka.
Pour aet bZ, le plus grand commun diviseur dans Nde aet best noté
ab.
Pour aZet nN, on désigne par ala classe de adans l’ensemble quo-
tient (Z/nZ,+,×).
Rappels : on considère (G, .) un groupe fini d’élément neutre 1G.
Soit aG. On appelle ordre de a, que l’on note ω(a), le plus petit élément
de l’ensemble ©kN/ak=1Gª.
On a alors : 0 <ω(a)6card(G) et aω(a)=1G.
Le groupe Gest cyclique si et seulement si il existe aGtel que
card(G)=ω(a).
Éléments inversibles de l’anneau (Z/nZ,+,×)
1. Soient aZet nNtels que n>1. Démontrer que aest inversible dans
(Z/nZ,+,×)si et seulement si an=1.
2. Soit nNtel que n>1. Montrer que (In,×)est un groupe commutatif.
3. Sans justification, énumérer, dans un tableau ayant deux rangées, les éléments
de I10 avec leurs ordres. Ce groupe (I10,×)est-il cyclique ?
4. Sans justification, énumérer, dans un tableau ayant deux rangées, les éléments
de I12 avec leurs ordres. Ce groupe (I12,×)est-il cyclique ?
5. Pour les algorithmes demandés, on utilisera uniquement les opérations ×, +,
et la fonction de deux variables reste reste(a,b) donne le reste de la
division euclidienne de apar bpour aNet bN.
On pourra également utiliser des boucles de type
for
while
et la construction if ... then ... else ....
On précisera le logiciel de calcul formel ou le modèle de calculatrice utilisé.
a. Écrire une procédure Test ( , ) ayant comme arguments deux entiers
naturels ket navec n>1 affichant « 1 » si kInet « 0 » sinon.
b. Écrire une procédure Card( ) ayant comme argument un entier navec
n>1 affichant le cardinal de In.
c. Écrire une procédure Ord( , ) ayant comme arguments deux entiers na-
turels ket navec n>1 affichant la valeur de ω(k), l’ordre de kdans
(In,×), si kInet « Erreur » sinon.
A. P. M. E. P.
Éléments non inversibles de l’anneau (Z/nZ,+,×)
Soit nN. On dit que nest primaire lorsqu’il existe un nombre premier pet αN
tels que n=pα.
6. Soit nNtel que n>1 et nne soit pas primaire.
a. Établir qu’il existe deux entiers, que l’on notera n1et n2, tels que
n=n1n2, 1 <n1<net n1n2=1.
On pourra utiliser la décomposition en produit de facteurs premiers de
n.
b. Montrer alors que (n1+n2)n=1.
c. Établir également que : n1Inet n2In.
1. On considère pun nombre premier et αN.
Soit kZ. Prouver que : kNpαp|k.
2. Soit nNtel que n>1.
Démontrer que Nnest un sous-groupe de (Z/nZ,+)si et seulement si nest
primaire.
Problème 2 : isométries du plan et de l’espace
On considère E=Rn(avec n{2 ; 3}) muni de sa structure canonique d’espace
vectoriel euclidien.
Rappels et notations :
Pour un ensemble fini F, on note card(F) son cardinal.
Eest muni canoniquement d’une structure affine.
Une application affine de Eest une application f:EEtelle qu’il existe
une application linéaire ϕ:EEvérifiant : pour tout (A,B)E2,
f(A)f(B)=ϕ³
AB ´.
fétant donnée, l’application ϕest unique, elle est appelée partie linéaire de
fet on la note
f.
Une isométrie de Eest une application f:EEvérifiant :
pour tout (A,B)E2,f(A)f(B)=AB.
Une isométrie de Eest une application affine de E.
Si fest une isométrie de E, on dit que fest un déplacement de Elorsque
det ³
f´>0.
On note I s(E) l’ensemble des isométries de E,I s+(E) l’ensemble des dépla-
cements et I s(E)=I s(E)\I s+(E).
L’image d’une droite (resp. d’un plan) de Epar une isométrie de Eest une
droite (resp. un plan).
Une isométrie de Eest une bijection de Esur E.
(I s(E), ) est un groupe et I s+(E) est un sous-groupe de (I s(E), ).
Si fI s(E) et gI s(E), alors fgI s+(E).
Si fI s+(E) et gI s(E), alors fgI s(E).
Pour une isométrie fde E, on note f0=IdEl’application identité de E,
f1=f,f2=ffet f1la bijection réciproque de f.
On considère Fune partie non vide de E. On note G(F) (respectivement
G+(F)) l’ensemble des isométries (respectivement déplacements) de Elais-
sant globalement invariant l’ensemble F.
Ainsi pour tout fI s(E) on a : fG(F)f(F)=F.
De plus, on a : G+(F)=G(F)I s+(E).
On définit enfin G(F)=G(F)\G+(F).
CAPES externe 217 novembre 2011
A. P. M. E. P.
Partie A : généralités
1. Soit fI s(E).
Établir que fG(F) si et seulement si pour tout MF, on a ½f(M)F
f1(M)F
2. Montrer que G(F) et G+(F) sont des sous-groupes de (I s(E), ).
3. Soit sI s(E) telle que ssoit une symétrie.
Établir que sG(F) si et seulement si pour tout MF, on a s(M)F.
On rappelle qu’une symétrie σde E est une application affine telle que σσ=
IdE.
4. On suppose qu’il existe ϕG(F). On note Φ:½G+(F)G(F)
f7−ϕf..
a. Justifier que ϕest une application bien définie.
b. Montrer que ϕest une bijection. Démontrer que si G(F) est fini alors
card(G(F)) =card(G+(F)) ou card(G(F)) =2card(G+(F)).
Partie B : exemples dans le plan euclidien
Dans cette partie, on se place dans le cas où n=2 et on désigne par Ple plan R2
orienté.
On rappelle que I s+(P)est constitué des rotations et des translations et que les -
flexions (symétries orthogonales par rapport à des droites) sont des éléments de I s(P).
Un singleton
Soit un point du plan P.
1. On considère une application fI s(P) telle que f()=.
a. Justifier qu’il existe IPtel que f(I)6= I. On appelle rla réflexion ayant
pour axe la médiatrice de [I,f(I)].
b. Montrer que r()=puis que rf=IdP.
c. En déduire que fest une réflexion.
2. Démontrer que les éléments de G({}) sont les rotations de centre et les
réflexions d’axe passant par .
Une paire
On considère une paire de points du plan, U={P1,P2} où P16=P2.
On note Ile milieu du segment [P1,P2].
3. Soit fG(U). Montrer que f(I)=I.
4. Soit fG+(U) tel que f6= IdP. Prouver que fest la symétrie centrale de
centre I.
5. Montrer alors que G(U) est formé de quatre éléments : IdP, la symétrie cen-
trale de centre Iet deux réflexions.
Une ellipse
On munit le plan Pd’un repère orthonormé direct ³O,
ı,
´. Les axes de
coordonnées sont notés : (Ox) et (Oy).
On considère l’ellipse Γd’équation : x2
a2+y2
b2=1 avec 0 <b<a.
On note A(a; 0) et A(a; 0) les sommets principaux de l’ellipse Γ. On note
sla symétrie centrale de centre O, r1la réflexion d’axe (Ox) et r2la réflexion
d’axe (Oy), de sorte que, d’après ce qui précède :
G¡©A, Aª¢={IdP,s,r1,r2}
CAPES externe 317 novembre 2011
A. P. M. E. P.
6. Soit MPde coordonnées (x;y). Donner les coordonnées des points s(M),r1(M)
et r2(M).
7. Montrer alors que G¡©A,Aª¢G(Γ).
On note ={MP/OM6a} le disque fermé de centre O et de rayon aet Λ
le cercle de centre O et de rayon a.
8. Pour a=p3 et b=1, représenter sur un même graphique l’ellipse Γet le cercle
Λ.
9. Établir que Γ.
10. Montrer que ΓΛ=©A,Aª.
11. Soient Pet Pdeux points de Γ.
a. Montrer que : PP62a.
b. Établir de plus que : PP=2a©P,Pª=©A,Aª.
12. En déduire que : G(Γ)=G¡©A,Aª¢.
Partie C : étude d’isométries de l’espace
Pour la fin du problème, on se place dans le cas où n=3. On désigne par El’espace
R3orienté muni d’un repère orthonormé direct : R=³O,
ı,
,
k´. Les axes de
coordonnées sont notés (Ox), (Oy) et (Oz).
On rappelle qu’un automorphisme ude Eest orthogonal si et seulement si pour
tout
xE:°
°
°
u³
x´°
°
°=°
°
°
x°
°
°k.kdésigne la norme euclidienne de E.
O(E) désigne l’ensemble des automorphismes orthogonaux de E.
On rappelle qu’une matrice AM3(R) est orthogonale si et seulement si tA A =I3=
AtAtAdésigne la transposée de la matrice A.
L’ensemble des matrices orthogonales (resp. orthogonales de déterminant 1) est
noté O3(R) (resp. SO3(R)).
1. Soit fI s(E).
a. Montrer que
fO(E).
On note alors Ala matrice de
fdans la base orthonormale directe ³
ı,
,
k´,
X,Xet Bles matrices colonnes respectives des coordonnées des points
M(x;y;z), M(x;y;z) et f(O)(α,β,γ) dans le repère R.
b. Montrer que : f(M)=MX=AX +B.
(C’est l’expression analytique de frelativement au repère R.)
c. Montrer que : AO3(R) puis que : fI s+(E) si et seulement si A
SO3(R).
Pour i{0 ; 1 ; 2 ; 3} on considère les matrices carrées :
A0=
1 0 0
0 1 0
0 0 1
,A1=
100
01 0
0 0 1
,A2=
1 0 0
01 0
0 0 1
etA3=
1 0 0
0 1 0
0 0 1
2. Justifier que pour i{0 ; 1 ; 2 ; 3}, on a AiO3(R).
3. Pour quelles valeurs de i{0 ; 1 ; 2 ; 3}, a t-on AiSO3(R) ?
Soit λR. On considère la matrice colonne Bλ=
0
0
λ
et on définit les applica-
tions tλ,vλ,set rde Edans Epar leur expression analytique :
CAPES externe 417 novembre 2011
A. P. M. E. P.
tλ:X=X+Bλ,vλ:X=A1X+Bλ,s:X=A2X,r:X=A3X
De plus, on note v=v0.
On rappelle que I s+(E) est constitué des translations, des rotations axiales
et des vissages. Les réflexions de E(symétries orthogonales par rapport à un
plan) sont des éléments de I s(E).
4. Sans justification, donner la nature des transformations tλ,v,set rainsi que
leur(s) élément(s) caractéristique(s).
5. Montrer que vλ=vtλ=tλvet reconnaître cette transformation en précisant
ses éléments caractéristiques.
On pourra utiliser un calcul matriciel.
6. Soient γet δR. Montrer que vγvδ=tγ+δet que tγvδ=voy+oγ+δ.
Partie D : un cylindre à base elliptique
On considère deux réels strictement positifs aet btels que a>b. On considère le
cylindre C d’équation : x2
a2+y2
b2=1.
On considère Πle plan d’équation z=0 et Γl’intersection du cylindre Cet du plan
Π.
On remarque que la courbe Γest l’ellipse d’équation : x2
a2+y2
b2=1 dans ³O,
ı,
´
repère orthonormé du plan Π.
Pour θRfixé, on considère la droite dθde Ed’équations : ½x=acos(θ)
y=bsin(θ).
On va montrer que les éléments de G(C) peuvent s’écrire en composant certaines
isométries de la partie précédente.
1. Soit λR. Montrer que tλ,vλ,set rsont des éléments de G(C).
2. Montrer que C=[
θR
dθ.
3. Soit Dune droite non parallèle à d0.
a. Établir que Dadmet un vecteur directeur
u(α;β;γ) tel que αet βne
sont pas simultanément nuls.
On pourra commencer par donner un vecteur directeur dθpour θR.
b. On note M0¡x0;y0;z0¢un point de D.
Donner une équation paramétrique de la droite Dobtenue à l’aide de
u
et de M0.
c. Montrer alors que Dcoupe Cen au plus deux points.
4. Soit fG(C). Déduire de la question précédente que f(dθ)est parallèle à la
droite (dθ).
5. Soit fG(C). Montrer que
kest un vecteur propre de
f.
6. Soit ϕO(E) admettant
kcomme vecteur propre.
a. Établir que ϕadmet dans la base ³
ı,
,
k´une matrice de O3(R), don-
née par blocs, de la forme
M0
0
0 0 ǫ
MO2(R) et ǫ{1 ; 1}.
b. Vérifier que ǫ=det(ϕ)det(M).
CAPES externe 517 novembre 2011
1 / 7 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !