En partenariat avec
▶
Annale

CCMP 2023 Maths 2MP, MPI

Connectez-vous pour consulter le corrigé.

Accès complet à tous les corrigés avec un abonnement.
Essai gratuit 48h — accès immédiat, sans CB.

ÉcoleCCMP
Année2023
ÉpreuveMaths 2
OptionMP, MPI
Thème principalAnalyse
ChapitresSuites et séries de fonctions, Intégration sur un intervalle quelconque, Séries entières, Dérivabilité et convexité
Commentaire

Un sujet d'analyse classique et riche autour de la fonction de Wallis : séries de Fourier faites à la main, intégrales à paramètre, développement en série entière, puis caractérisation par la log-convexité dans l'esprit du théorème de Bohr-Mollerup.

Fonction de Wallis

Durée de l’épreuve : 4 heures. L’usage de la calculatrice ou de tout dispositif électronique est interdit.

Sujet du Concours commun Mines-Ponts 2023, propriété du GIP CCMP, reproduit avec son autorisation.

Préliminaires

Dans tout le sujet, l’intervalle \(\left]-1,+\infty\right[\) de \(\mathbb{R}\) est appelé \(I\) et \(\sigma\) et \(f\) sont les fonctions, de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\), définies par : \[\sigma(x)=\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{x^k}{k^2}\] et \[f(x)=\int_0^{\pi/2}(\sin(t))^x\ \mathrm{d}t\]

On se propose, dans cette épreuve, d’étudier \(f\) (domaine de définition, régularité, variations, convexité, développement éventuel en série entière,...) puis, dans la dernière partie, de montrer qu’elle est la seule fonction numérique à vérifier certaines propriétés.

1 Calcul de \(\sigma(1)\)

  1. Déterminer le domaine de définition de \(\sigma\) puis justifier que \(\sigma\) est continue sur celui-ci.

  2. Exhiber deux nombres réels \(\alpha\) et \(\beta\) tels que : \[\forall n\in\mathbb{N}^\ast,\ \int_0^\pi(\alpha t^2+\beta t)\cos(nt)\ \mathrm{d}t=\frac{1}{n^2}\] puis vérifier que si \(t\in\left]0,\pi\right]\), alors : \[\forall n\in\mathbb{N}^\ast,\ \sum_{k=1}^n\cos(kt)=\frac{\sin\left(\frac{(2n+1)t}{2}\right)}{2\sin\left(\frac{t}{2}\right)}-\frac{1}{2}\]

  3. Justifier que, si \(\varphi\) est une application de classe \(\mathcal{C}^1\) de \([0,\pi]\) dans \(\mathbb{R}\), alors \[\lim_{x\to+\infty}\int_0^\pi\varphi(t)\sin(xt)\ \mathrm{d}t=0\] et en conclure que \[\sigma(1)=\frac{\pi^2}{6}\]

2 Équivalents

  1. Déterminer le domaine de définition de \(f\) puis vérifier que \[\forall x\in I,\ (x+1)f(x)=(x+2)f(x+2)\tag{1}\]

  2. Justifier que \(f\) est de classe \(\mathcal{C}^2\), décroissante et convexe sur \(I\).

  3. Donner un équivalent simple de \(f(x)\) lorsque \(x\) tend vers \(-1\).

  4. Montrer que pour tout entier naturel \(n\), \[f(n)f(n+1)=\frac{\pi}{2(n+1)}\] puis que : \[f(x)\underset{x\to+\infty}{\sim}\sqrt{\frac{\pi}{2x}}\]

  5. Représenter graphiquement \(f\) en exploitant au mieux les résultats précédents.

3 Développement en série entière

Si \(n\in\mathbb{N}\), on note \(D_n\) l’intégrale généralisée \(\displaystyle\int_0^{\pi/2}(\ln(\sin(t)))^n\ \mathrm{d}t\).

  1. Justifier que, si \(n\in\mathbb{N}\), l’intégrale généralisée \(D_n\) est convergente, puis montrer que \[D_1=\int_0^{\pi/2}\ln(\cos(t))\ \mathrm{d}t\]

  2. Calculer \(f'(0)\) et \(f'(1)\).

  3. Vérifier que si \(n\in\mathbb{N}^\ast\), alors \[(-1)^nD_n=\int_0^{+\infty}\frac{u^n}{\sqrt{\mathrm{e}^{2u}-1}}\ \mathrm{d}u\] puis que \[D_n\underset{n\to+\infty}{\sim}(-1)^nn!\]

  4. Démontrer que \(f\) est développable en série entière sur \(\left]-1,1\right[\).

4 Convergence de suite de fonctions

On se propose dans cette partie de calculer \(f''(0)\). Dans ce but, on considère deux nombres réels strictement positifs \(a\) et \(b\), et on pose \[\rho=\frac{b-a}{b+a}\]

On appelle \(\Psi\) l’application de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) définie par : \[\forall x\in\mathbb{R},\ \Psi(x)=\ln(a^2\cos^2x+b^2\sin^2x)\]

  1. Montrer que \(\Psi\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \(\mathbb{R}\), puis que pour tout \(x\in\mathbb{R}\), \[\Psi'(x)=4\sum_{k=1}^{+\infty}\rho^k\sin(2kx)\]

  2. En déduire que pour tout \(x\in\mathbb{R}\), \[\Psi(x)=2\ln\left(\frac{a+b}{2}\right)-2\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{\cos(2kx)}{k}\,\rho^k\]

  3. En conclure que \[\int_0^\pi\Psi(x)^2dx=4\pi\left(\ln\left(\frac{a+b}{2}\right)\right)^2+2\pi\sigma(\rho^2)\]

On définit les suites réelles \((a_n)_{n\in\mathbb{N}^\ast}\) et \((b_n)_{n\in\mathbb{N}^\ast}\) par \[\forall n\in\mathbb{N}^\ast,\ a_n=\frac{1}{n+1}\ \text{et}\ b_n=\frac{n}{n+1}\]

  1. Établir la convergence simple de la suite d’applications \((\Psi_n)_{n\in\mathbb{N}^\ast}\), de \(\left]0,\pi\right]\) dans \(\mathbb{R}\), définie par : \[\forall n\in\mathbb{N}^\ast,\ \forall t\in\left]0,\pi\right],\ \Psi_n(t)=\ln(a_n^2\cos^2t+b_n^2\sin^2t)\] En déduire \(f''(0)\).

5 Convexité logarithmique

Une application \(h\) d’un intervalle non trivial \(J\) de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) est dite ln-convexe si, et seulement si, elle est à valeurs dans \(\mathbb{R}_+^\ast\) et \(\ln\circ h\) est convexe sur \(J\).

  1. Vérifier que \(f\) est une application de \(I\) dans \(\mathbb{R}\) ln-convexe.

On souhaite désormais déterminer toutes les applications de \(I\) dans \(\mathbb{R}\) qui sont ln-convexes et qui vérifient la propriété (1), voir question 4.

On appelle \(\tilde{f}\) l’application de \(\mathbb{R}_+\) dans \(\mathbb{R}\), définie par : \[\forall x\in\mathbb{R}^+,\ \tilde{f}(x)=\ln(f(2x))\]

  1. Montrer que \[\forall p\in\mathbb{N}^\ast,\forall x\in\mathbb{R}_+,\ \tilde{f}(x+p)=\tilde{f}(x)+\sum_{k=0}^{p-1}\ln\left(\frac{2x+2k+1}{2x+2k+2}\right)\]

  2. On suppose ici que \(x\in\mathbb{R}_+^\ast\), \((n,p)\in(\mathbb{N}^\ast)^2\) et \(x\leqslant p\). Vérifier que \[\tilde{f}(n)-\tilde{f}(n-1)\leqslant\frac{\tilde{f}(n+x)-\tilde{f}(n)}{x}\leqslant\frac{\tilde{f}(n+p)-\tilde{f}(n)}{p}\] et que \((\tilde{f}(n+x)-\tilde{f}(n))\) admet une limite lorsque \(n\) tend vers \(+\infty\).

  3. En conclure que \(f\) est la seule application de \(I\) dans \(\mathbb{R}\), qui soit ln-convexe, qui vérifie (1) et telle que \[f(0)=\frac{\pi}{2}\]

  4. Plus généralement, déterminer, si \(T\in\mathbb{R}_+^\ast\), toutes les applications \(g\) de \(\left]-T,+\infty\right[\) dans \(\mathbb{R}\), ln-convexes et vérifiant \[\forall t\in\left]-T,+\infty\right[,\ (t+T)g(t)=(t+2T)g(t+2T)\]

  5. Existe-t-il une application \(h\), de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) et ln-convexe, vérifiant \[\forall t\in\mathbb{R},\ (t+T)h(t)=(t+2T)h(t+2T)\ ?\]

Tu veux le corrigé détaillé ?

Le corrigé pas à pas, les aides et les explications sont disponibles dans la plateforme.

error: Ce contenu est protégé !