Mines-Ponts 2011. Option MP. Math´ematiques II.
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A. Pr´emilinaire.
1) j4+j2+ 1 = j+j2+ 1 = 0
2) En d´evelopant le polynˆome caract´eristique par rapport `a la premi`ere colonne par exemple, il vient imm´ediatement
que χA(X) = X4+X2+ 1 qui admet jpour racine d’apr`es la question 1) donc ´egalement −jpar parit´e et aussi
j=j2ainsi que −j=−j2par conjugaison.
Ainsi χA(X) = (X−j)(X−j2)(X+j)(X+j2) de sorte que Aest bien C-diagonalisable.
Il vient que (1, j, j2,1) est vecteur propre relatif `a jdonc par conjugaison, puisque la matrice Aest r´eelle, (1, j2, j, 1)
est vecteur propre relatif `a j2.
De mˆeme (1,−j, j2,−1) est vecteur propre relatif `a −jdonc (1,−j2, j, −1) est vecteur propre relatif `a −j2.
Il en d´ecoule que U−1AU =Davec U=
1 1 1 1
j j2−j−j2
j2j j2j
1 1 −1−1
et D= Diag(j, j2,−j, −j2)
3) Il en d´ecoule qu’un syst`eme fondamental de solutions de l’´equation X′=AX est ejtV1, ej2tV2, e−jtV3, e−j2tV4
en notant Vila colonne n◦ide la matrice U.
4) En introduisant la fonction Yde l’´enonc´e, il vient que l’´equation (2) est ´equivalente au syst`eme (1).
Il en r´esulte qu’un syst`eme fondamental de solutions complexes est ejt, ej2t, e−jt, e−j2t.
En remarquant que la premi`ere et la seconde fonction (resp. la troisi`eme et la quatri`eme) sont conjugu´ees, il vient
que e−t/2cos(√3
2t), e−t/2sin(√3
2t), et/2cos( √3
2t), et/2sin(√3
2t)constitue un syst`eme fondamental de solutions
r´eelles de (2).
B. Un lemme de du Bois-Reymond.
5) Par parit´e il suffit de v´erifier que hest C2(R+). Or hest clairement continue sur R+et de classe C∞sur R+\ {1}
et lim
t→1−h(t) = lim
t→1+h(t) = 0 donc, par le th´eor`eme de prolongement C1,hest de classe C1sur R+.
De mˆeme lim
t→1−h′(t) = lim
t→1+h′(t) = 0 donc, par le mˆeme th´eor`eme appliqu´e `a h′,hest de classe C2.
Par contre lim
t→1−h(3)(t) = −48 alors que lim
t→1+h(3)(t) = 0 donc hn’est pas de classe C3.
6) :t7−→ 2t−(x0+x1)
x1−x0
est un C∞diff´eomorphisme croissant de Rsur lui-mˆeme transformant [x0, x1] en [−1,1] donc
g=h◦ur´epond `a la question.
7) Supposons Fnon identiquement nulle sur [0,1]. Il existe alors, puisque Fest continue, un segment [x0, x1]⊂]0,1[
non r´eduit `a un point tel que Fsoit d’un signe strictement fixe sur ce segment. La fonction hd´efinie `a la question
pr´ec´edente est ´el´ement de E2
0,0: en effet 0 < x0< x1<1 donc h(0) = h(1) = 0 et hest de classe C2sur Rdonc a
fortiori sur [0,1].
Il en r´esulte par hypoth`ese que Z1
0
F(x)g(x) d x= 0. Cette derni`ere int´egrale vaut ´egalement Zx1
x0
F(x)g(x) d x
puisque gest nulle en dehors de [x0, x1]. Or x7−→ f(x)g(x) est continue et d’un signe fixe sur [x0, x1] (puisque g
y est positive) donc, par le th´eor`eme de positivit´e “am´elior´e”, F(x)g(x) est identiquement nulle sur [x0, x1].
Donc F(x) est nulle sur ]x0, x1[ puisque qu’alors g(x)>0. Contradiction.
C. Une condition n´ecesaire d’Euler-Lagrange.
8) Soit rle maximum des degr´es de Pet de Q. La formule de Taylor pour les polynˆomes fournit :
Pf0(x) + tu(x)=
r
P
k=0
1
k!P(k)f0(x)tku(x)ket Qf′
0(x) + tu′(x)=
r
P
k=0
1
k!Q(k)f′
0(x)tku′(x)k.
Donc q(t) =
r
P
k=0
akttavec ak=1
k!Z1
0P(k)f0(x)u(x)k+Q(k)f′
0(x)u′(x)kdx
En particulier a1=Z1
0P′f0(x)u(x) + Q′f′
0(x)u′(x)dx
9) En remarquant que f0+tu ∈E2
a,b pour tout r´eel t, il vient que qest un polynˆome qui atteint en 0 son minimum
donc a1=q′(0) = 0.
∼Mines-Ponts-2011-maths2-corrige.T
E
X∼