PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚11 Lyc´ee de L’essouriau
EXERCICE 1 - S´eries num´eriques
Les questions sont toutes ind´ependantes.
1. Questions de cours
(a) La s´erie g´eom´etrique P
n>0
qnconverge si et seulement si |q|<1 et sa somme vaut
+
X
n=0
qn=1
1q.
(b) Une s´erie positive P
n>0
unconverge si et seulement si la suite de ses sommes partielles est major´ee.
(c) La s´erie P
n>1
1
nαconverge si et seulement si α > 1.
2. (a) n>3, on a ln n
n>1
n1
2
.
Or la s´erie P
n>1
1
n1
2
diverge d’apr`es le crit`ere des s´eries de Riemann.
Par comparaison de s´eries positives, on en d´eduit que P
n>1
ln n
ndiverge.
(b) Par croissances compar´ees, on a ln n=o(n) donc ln n
n2=o1
n3
2. Or la s´erie P
n>1
1
n1
2
converge
d’apr`es le crit`ere des s´eries de Riemann.
Par comparaison de s´eries positives, on en d´eduit que P
n>1
ln n
n2converge.
(c) ln n+n
n2+ 3n+ 1 n
n21
n3
2
car ln n=o(n) et 3n+ 1 = o(n2).
Or la s´erie P
n>1
1
n1
2
converge d’apr`es le crit`ere des s´eries de Riemann.
Par ´equivalence de s´eries positives, on en d´eduit que P
n>1
ln n+n
n2+ 3n+ 1 converge.
3. On remarque que n>2, on a 1
n21=1
21
n11
n+ 1.
Donc Sn=
n
X
k=2
1
k21=1
2 n
X
k=2
1
k1
n
X
k=2
1
k+ 1!.
On reconnait une s´erie t´elescopique avec un d´ecalage de deux indices. Un changement d’indice donne :
Sn=1
2 n1
X
k=1
1
k
n+1
X
k=3
1
k!=1
21 + 1
21
n1
n+ 1.
Par passage `a la limite, on trouve Sn3
4donc P
n>2
1
n21converge et
+
X
n=2
1
n21=3
4.
4. VRAI ou FAUX (Si votre r´eponse est «FAUX », vous devez fournir un contre-exemple)
(a) FAUX : un=1
n0 mais P
n>0
1
ndiverge.
(b) FAUX : Il suffit de consid´erer P
n>0
(1)nqui est born´ee puisque p´eriodique de p´eriode 2 (ne prenant
que deux valeurs : 1 et 0) donc n’est pas convergente.
(c) FAUX : un=1
nln n=o(1
n) mais P
n>2
undiverge.
En effet par comparaison avec int´egrale, P
n>0
unest de mˆeme nature que la suite de terme g´en´eral
Zn
2
1
tln t= ln(ln n)ln(ln 2). Celle-ci ´etant divergente, P
n>0
undiverge.
1
PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚11 Lyc´ee de L’essouriau
EXERCICE 2 - Des sous-espaces vectoriels de R4
1. F=
x
y
z
t
R4; 2xyz= 0
=
x
y
2xy
t
R4; (x, y, t)R3
.
Or
x
y
2xy
t
=x
1
0
2
0
+y
0
1
1
0
+t
0
0
0
1
donc F= Vect
1
0
2
0
,
0
1
1
0
,
0
0
0
1
.
D’apr`es l’´ecriture de F, cette famille est g´en´eratrice de F.
On v´erifie facilement que cette famille de 3 vecteurs est libre : les deux premiers vecteurs que l’on
notera f1et f2sont non-colin´eaires tandis que le 3`eme vecteur f3ne peut s’´ecrire comme combinaison
lin´eaire de f1et f2vu que la 4`eme coordonn´ee de f3est non nulle alors que celle de f1et f2le sont.
C’est donc une base de Fet dim F= 3 .
2. De mˆeme G= Vect
1
1
0
2
,
1
1
1
1
,
0
0
1
0
D’apr`es l’´ecriture de G, cette famille est g´en´eratrice de G. On v´erifie facilement que cette famille
(g1, g2, g3) de 3 vecteurs est libre en montrant que λ1g1+λ2g2+λ3g3= 0R4λ1=λ2=λ3= 0 donc
c’est une base de Get dim G= 3 .
3. Cherchons une base de FG(appartenant `a Fet `a G).
On peut remarquer que le vecteur g2appartient `a Gmais aussi `a F(car 2xyz= 0).
Plus g´en´eralement, soit X= (x, y, z, t) appartenant `a Fet G, alors a, b, c Rtels que :
x=a+b
y=a+b
z=b+c
t= 2a+b
2xyz= 0
La derni`ere ligne implique 2(a+b)(a+b)(b+c) = 0 soit a=c.
Donc X=
a+b
+b
a+b
2a+b
=a
1
1
1
2
+b
1
1
1
1
soit FG= Vect
1
1
1
2
,
1
1
1
1
.
Comme ces deux vecteurs sont non colin´eaires, on en d´eduit que c’est une base de FG.
On a alors dim(FG) = 2 .
4. dim (F+G) = dim F+ dim G- dim (FG) = 3 + 3 2 = 4.
F+Gest un sous-espace vectoriel de R4de mˆeme dimension que R4donc F+G=R4.
5. Tout suppl´ementaire Dde Fdoit ˆetre de dimension 1 (car dim F+ dim D= dim R4= 4) c’est `a dire
qu’il est engendr´e par un seul vecteur Y. On notera alors D= Vect(Y).
On sait aussi que FD={0E}, c’est `a dire que Y /F.
Par exemple Y=
1
0
0
0
ne satisfait pas l’´equation caract´erisant F: 2xyz= 2 6= 0.
Donc Y /Fet on en d´eduit que D= Vect(Y) est un suppl´ementaire de Fdans R4.
2
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EXERCICE 3 - Un espace vectoriel polynˆomial
1. (P, Q)E2,λR, on a :
f(P+λQ)=(X2+X2)(P+λQ)0(X)(2X1)(P+λQ)(X)+(P+λQ)(1)
f(P+λQ)=(X2+X2)(P0(X) + λQ0(X)) (2X1)(P(X) + λQ(X)) + P(1) + λQ(1)
f(P+λQ)=(X2+X2)P0(X)(2X1)P(X)+P(1)+λ((X2+X2)Q0(X)(2X1)Q(X)+Q(1))
f(P+λQ) = f(P) + λf(Q). On en d´eduit que fest lin´eaire.
Si Pest un polynˆome, f(P) est encore un polynˆome mais v´erifions que deg(f(P)) 62.
On pose P=aX2+bX +c, alors :
f(P)=(X2+X2)(2aX +b)(2X1)(aX2+bX +c)+(a+b+c)
f(P)=2aX3+ 2aX24aX +bX2+bX 2b(2aX3+ 2bX2+ 2cX aX2bX c) + (a+b+c)
f(P) = (3ab)X2+ (4a+ 2b2c)X+ (ab+ 2c) soit deg(f(P)) 62.
fest donc bien un endomorphisme de E.
2. (a) Pour a= 0, b = 0, c = 1, f(1) = 2X+ 2.
De mˆeme, f(X) = X2+ 2X1 et f(X2)=3X24X+ 1.
(b) f(1) + f(X2)=3X26X+ 3 = 3f(X), on en d´eduit que la famille f(1), f(X), f (X2) est li´ee.
Or rg(f) = rg(f(1), f(X), f(X2)) car il s’agit de l’image de la base canonique de E.
On a donc rg(f(1), f(X), f (X2)) = rg(f(1), f (X2)) 62.
f(1) et f(X2) ´etant deux polynˆomes de degr´es diff´erents, ils ne sont pas colin´eaires, cette famille
est donc libre et g´en´eratrice de Im(f).
On en d´eduit que c’est une base et donc que dim(Im f) = 2 soit rg f= 2.
fn’est donc pas injective car rg f6= dim E= 3.
3. (a) On pose P=aX2+bX +cKer(f) soit f(P)=0E.
Par identification des coefficients, ceci ´equivaut d’apr`es l’expression du 1. au syst`eme :
3ab= 0
4a+ 2b2c= 0
ab+ 2c= 0
b= 3a
2a2c= 0
2a+ 2c= 0 b= 3a
c=a
On en d´eduit que P=a(X2+ 3X+ 1) soit Ker(f) = Vect(X2+ 3X+ 1).
On sait d´ej`a que rg(f) = 2 et d’apr`es le 2.(b) une base de Im(f) est (f(1), f(X2)).
(b) Vu leur dimension, il suffit de prouver que Ker(f)Im(f) = {0E}.
Soit PKer(f)Im(f).
Il existe αRtel que P=α(X2+ 3X+ 2) et il existe (β, γ)Rtels que P=βf(1) + γf(X).
L’´egalit´e α(X2+ 3X+ 1) = β(2X+ 2) + γ(3X24X+ 1) ´equivaut `a :
α= 3γ
3α=2β4γ
α= 2β+γ
α= 3γ
2β= 5γ
3γ=5γ+γ
soit
α= 0
2β= 0
γ= 0
.
Finalement Ker(f)Im(f) = {0E}et ce sont bien deux s.e.v. suppl´ementaires de E=R2[X].
4. Soit la famille B= (P0, P1, P2) o`u P0=X2+X2, P1=X2+ 3X+ 1 et P2=X22X+ 1
(a) Il suffit de prouver que la famille est libre, ce qui est trivial en r´esolvant un syst`eme. Comme elle
est maximale, on en d´eduit que c’est une base de E.
(b) Pour a= 1, b = 1, c =2, f(X2+X2) = 2X2+ 2X4=2P0.
Pour a= 1, b = 3, c = 1, f(X2+ 3X+ 1) = 0 (logique vu que ce polynˆome appartient `a Ker(f) !).
Pour a= 1, b =2, c = 1, f(X22X+ 1) = 5X210X+ 5 = 5P2.
(c) Soit (a0, a1, a2)R3et Q=a0P0+a1P1+a2P2un ´el´ement de E.
Par lin´earit´e de f:f(Q) = a0f(P0) + a1f(P1) + a2f(P2)=2a0P0+ 5a2P2.
(d) Pour tout entier nN, on prouve trivialement par r´ecurrence que fn(Q)=2na0P0+ 5na2P2.
Soit pour Q= 2X2+X+ 2, fn(Q) = 2.2nP0+ 2.5nP2= 2.2n(X2+X2) + 2.5n(X22X+ 1).
fn(Q) = (2.2n+ 2.5n)X2+ (2.2n4.5n)X+ (4.2n+ 2.5n).
On remarque 1 est racine de P0et P2donc de fn(Q) car fn(Q)(1) = 2.2nP0(1) + 2.5nP2(1) = 0.
L’autre racine αv´erifie 1 ×α=α=(4.2n+2.5n)
2.2n+2.5nsoit α=(5n2n+1)
2n+5n.
3
PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚11 Lyc´ee de L’essouriau
PROBL`
EME 1 - Autour des endomorphismes nilpotents
Partie I - Des noyaux et des images imbriqu´ees
1. uu= 0 signifie que pour tout xde E,u(u(x)) = 0E.
Soit yIm u, alors il existe xEtel que y=u(x). On a alors u(y) = u(u(x)) = 0Esoit yKer(u).
On en d´eduit l’inclusion : Im(u)Ker(u).
2. Le th´eor`eme du rang appliqu´e `a l’endomorphisme vprouve directement que r+p=n.
De plus l’inclusion : Im(u)Ker(u) prouve en terme de dimension que r6p.
On en d´eduit que r6nrsoit 2r6net np6psoit n62p. Finalement r6n
26p.
3. On suppose n= 2 : alors la double in´egalit´e prouve que p= 1 ou 2.
Comme un’est pas l’endomorphisme nul, Ker(u)6=Edonc p6= 2 soit p= 1 et alors r= 2 1 = 1.
On a alors Im(u)Ker(u) et dim Im(u) = dim Ker(u) soit l’´egalit´e Im(u) = Ker(u).
4. On suppose n= 3 : : alors la double in´egalit´e prouve encore que p= 2 ou 3.
Comme un’est pas l’endomorphisme nul, Ker(u)6=Edonc p6= 3 soit p= 2 et alors r= 3 2 = 1.
Les sous-espaces Im(u) et Ker(u) ne peuvent ˆetre suppl´ementaires dans Ecar Im(u)Ker(u) et
Im(u)6={0E}donc Im(u)Ker(u)6={0E}.
Partie II - ´
Etude d’un endomorphisme particulier
5. Soit X=
x
y
z
Ker(v)
x+y+z= 0
2x+ 2y+ 2z= 0
xyz= 0 x=y+z.
On en d´eduit que X=
y+z
y
z
=y
1
1
0
+z
1
0
1
soit Ker f= Vect
1
1
0
,
1
0
1
.
Ces deux vecteurs ´etant non colin´eaires, on en d´eduit que cette famille est libre (et g´en´eratrice) donc
il s’agit d’une base de Ker(v) et donc dim(Ker(v)) = 2.
6. Le th´eor`eme du rang appliqu´e `a vprouve que dim(Im(v)) = 3 2 = 1 donc Im(v) est engendr´e par
un unique vecteur.
On calcule v
1
0
0
=
1
2
1
. Ce vecteur constitue une base de Im(v).
7. On remarque que
1
2
1
=2
1
1
0
+
1
0
1
donc Im(v)Ker(v).
Pour tout vecteur Xde R3, on a vv(X) = v(v(X)).
Or v(X)Im(v) et Im(v)Ker(v) donc v(v(X)) = 0R3. On en d´eduit que vv= 0L(E).
8. On veut que v(~a)=0R3, v(~
b)=0R3et v(~c) = ~a soit ~a Ker(v), ~
bKer(v) et ~a Im(v).
On propose alors ~a =
1
2
1
Im(v)Ker(v) et ~
b=
1
1
0
Ker(v).
~c est un ant´ec´edent de ~a par v. Proposons ~c =
1
0
0
d’apr`es le 6..
Trivialement ~
bet ~c ne sont pas colin´eaires et ~a n’est pas combinaison lin´eaire de ~
bet ~c (sa troisi`eme
coordonn´ee ´etant non nulle alors que celles de ~
bet ~c le sont).
On a bien prouv´e l’existence d’une base B= (~a,~
b,~c) de R3telle que v(~a)=0R3, v(~
b)=0R3, v(~c) = ~a.
9. Soit f=Id vo`u Id est l’identit´e de R3.
Calculer f2= (Id v)2=v22vId +Id2=2v+Id =2(Id f) + Id =Id + 2f.
On en d´eduit que f22f=Id soit f(f2Id) = Id et donc fest inversible et f1=f+ 2Id.
4
PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚11 Lyc´ee de L’essouriau
PROBL`
EME 2 : Une ´equation matricielle
Extrait sujet «Petites Mines »2010
PR´
ELIMINAIRES
1. dim(Mn(R)) = n2et la base canonique est (Eij )16i,j6no`u les Eij sont les matrices ´el´ementaires.
PARTIE I
2. Sans aucun calcul, on remarque que tA=Adonc tA.A =A2 = A.tAdonc Av´erifie la relation (1).
De mˆeme on remarque que tC=Cdonc tC.C =C2=C.tCdonc Cerifie la relation (1).
3. Trivialement A2=Iet donc nN,An=Asi nest pair et An=Isi nest impair.
Aet Iv´erifiant la relation (1), on en d´eduit que Anv´erifie la relation (1).
4. A2=Iprouve que Aest inversible et que A1=A.
5. Uv´erifie la relation (1) car comme pour la matrice Aelle est sym´etrique.
Montrons : nN,Un= 2n1Upar r´ecurrence :
Pour n= 1 le r´esultat donne U= 20.U donc est vrai.
Supposons que pour un entier non a Un= 2n1Uet montrons la relation au rang n+ 1 : Un+1 =
U.Un= 2n1.U2par hypoth`ese de r´ecurrence ; Or U2= 2Ud’o`u Un+1 = 2n12.U = 2n.U.
Les puissances Un, v´erifient (1) puisque ce sont les mˆemes que U`a une constante multiplicative pr`es.
6. A+C=0 0
2 0 donc t(A+C).(A+C) = 4 0
0 0 et (A+C).t(A+C) = 0 0
0 4 .
Ceci prouve que A+Cne commute pas avec sa transpos´ee donc n’appartient pas `a E2alors Aet C
sont dans E2.E2n’est pas un sous-espace vectoriel de M2(R) car il n’est pas stable par somme.
7. tMM =a c
b d .a b
c d =a2+c2ab +dc
ab +dc b2+d2De mˆeme on obtient : MtM=a2+b2ac +bd
ac +bd c2+d2.
Donc ME2
ac +bd =ab +dc
a2+b2=a2+c2
b2+d2=c2+d2b=c
ac +cd =ac +dc ou bien b=c
ac cd =ac +dc
Soit b=cou bien b=cet d=aet donc M=a c
c d ou bien M=ac
c a .
8. Donc MVect 1 0
0 0 ,0 0
0 1 ,0 1
1 0 ou bien MVect 1 0
0 1 ,01
1 0 .
E2est donc bien la r´eunion de deux espaces vectoriels.
9. Calculons U.C =11
11. Montrons qu’alors U.C /E2car ne commute pas avec sa transpos´ee :
11
11.1 1
11=2 2
2 2 et 1 1
11.11
11=22
2 2 .
On n’a donc pas la propri´et´e propos´ee puisque Uet Cen donnent un contre-exemple.
PARTIE II
10. S2=
0 0 1
100
01 0
. On a ´egalement tS.S =I3et S.tS=I3donc SE3.
Scommute donc avec sa transpos´ee, donc S2´egalement :
t(S2).S2=tS.tS.S.S =tS.S.StS=S.S.tStS=S2.t(S2) soit S2E3.
11. tR.R = (aI3+btS+ct(S2)).(aI3+bS +cS2)
tR.R = (a2+b2+c2)I3+a.b(S+tS) + a.c(t(S2) + S2) + b.c(S.t(S2) + S2.tS)
tR.R = (a2+b2+c2)I3+a.b(S+tS) + a.c(t(S2) + S2) + b.c(S+tS)
et R.tR= (aI3+bS +cS2).(aI3+btS+ct(S2))
R.tR= (a2+b2+c2)I3+a.b(S+tS) + a.c(t(S2) + S2) + b.c(S.t(S2) + S2.tS) = tR.R donc RE3.
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