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Centrale-Supélec 2025 Maths 1MP, MPI

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ÉcoleCentrale-Supélec
Année2025
ÉpreuveMaths 1
OptionMP, MPI
Thème principalAlgèbre, Analyse
ChapitresStructures algébriques usuelles, Intégration sur un intervalle quelconque, Séries numériques et vectorielles, Arithmétique dans Z, Calculs algébriques, Nombres réels, Polynômes
Commentaire

Une démonstration complète de l'irrationalité de ζ(2) à la Beukers : encadrement de la fonction π de comptage des nombres premiers par les coefficients binomiaux et les valuations p-adiques, majoration du PPCM de 1, …, n, critère d'irrationalité, puis intégrales doubles calculées par intégration terme à terme.

Un beau sujet où arithmétique et analyse se répondent ; la partie A demande beaucoup de soin dans les inégalités.

Irrationalité de \(\zeta(2)\)

Durée : 4 heures. Calculatrice autorisée.

Sujet du concours Centrale-Supélec 2025.

Notations

  • Si \(x\in\mathbb{R}\), on note \(\lfloor x\rfloor\) sa partie entière.

  • Si \(p\) est un nombre premier et si \(n\in\mathbb{N}^\ast\), on note \(v_p(n)\) la valuation \(p\)-adique de \(n\), c’est-à-dire le plus grand entier naturel \(k\) tel que \(p^k\) divise \(n\).

  • Si \(x\) est un réel supérieur ou égal à 1, on note \(\pi(x)\) le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux à \(x\). En d’autres termes, \[\pi(x)=\mathrm{card}\left(\{p\text{ premier},\ p\leqslant x\}\right)=\sum_{\substack{p\leqslant x\\ p\text{ premier}}}1\] où \(\mathrm{card}(A)\) désigne le cardinal de l’ensemble fini \(A\).

Partie A - Un encadrement de la fonction \(\pi\)

Le but de cette partie est d’établir l’encadrement suivant de la fonction \(\pi\) : \[\forall x\in\left[3,+\infty\right[\qquad \frac{\ln(2)}{6}\,\frac{x}{\ln(x)}\leqslant\pi(x)\leqslant4\,\frac{x}{\ln(x)}\]

I - Calculs préliminaires

  1. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Montrer que \[\prod_{\substack{n+2\leqslant p\leqslant2n+1\\ p\text{ premier}}}p\leqslant\binom{2n+1}{n}\leqslant4^n\]

  2. Montrer que, pour tout \(n\in\mathbb{N}^\ast\), \[\prod_{\substack{p\leqslant n\\ p\text{ premier}}}p<4^n\]

    On pourra procéder par récurrence et effectuer l’hérédité en discutant suivant la parité de \(n\).

  3. En déduire que, pour tout réel \(x\geqslant1\), \[\prod_{\substack{p\leqslant x\\ p\text{ premier}}}p<4^x\]

  4. Montrer que, pour tout \(n\in\mathbb{N}^\ast\), \[\frac{4^n}{2n}\leqslant\binom{2n}{n}<4^n\]

  5. Soit \(p\) un nombre premier. Montrer que, pour tout \(n\in\mathbb{N}\), \[v_p(n!)=\sum_{k=1}^{+\infty}\left\lfloor\frac{n}{p^k}\right\rfloor\]

  6. En déduire que, pour tous \(n\in\mathbb{N}^\ast\), \(k\in\mathbb{N}\) et \(p\) nombre premier : si \(p^k\) divise \(\dbinom{2n}{n}\), alors \(p^k\leqslant2n\).

II - Majoration de \(\pi(x)\)

  1. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Justifier que \[\prod_{\substack{p\leqslant n\\ p\text{ premier}}}p\geqslant\prod_{\substack{\sqrt{n}<p\leqslant n\\ p\text{ premier}}}p\]

  2. En déduire que, pour tout \(n\in\mathbb{N}^\ast\), \[n^{\left(\pi(n)-\pi(\sqrt{n})\right)/2}<4^n\]

  3. Soit \(n\in\mathbb{N}\), \(n\geqslant2\). Justifier que \[\pi(\sqrt{n})\leqslant\sqrt{n}<\frac{n}{\ln(n)}\] puis en déduire que \[\pi(n)\leqslant4\,\frac{\ln(n)}{n}\]

    On pourra remarquer que \(2>\ln(4)\).

  4. Soit \(x\geqslant3\). En utilisant la croissance de la fonction \(t\mapsto\frac{t}{\ln(t)}\) sur l’intervalle \(\left[\mathrm{e},+\infty\right[\), montrer que \[\pi(x)\leqslant4\,\frac{x}{\ln(x)}\]

III - Minoration de \(\pi(x)\)

  1. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Montrer que \[\binom{2n}{n}\leqslant(2n)^{\pi(2n)}\]

  2. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Vérifier que \[\frac{2n\ln(2)}{\ln(2n)}-1\geqslant\frac{n\ln(2)}{\ln(2n)}\] puis en déduire que \[\pi(2n)\geqslant n\,\frac{\ln(2)}{\ln(2n)}\]

  3. Soit \(x\geqslant3\). Montrer que \[\pi(x)\geqslant\frac{\ln(2)}{6}\,\frac{x}{\ln(x)}\]

    On pourra poser \(n=\lfloor x/2\rfloor\) et utiliser Q12.

L’inégalité précédente a été asymptotiquement améliorée en 1896, ainsi on admettra dans la suite du problème le (difficile) résultat suivant, appelé théorème des nombres premiers, \[\pi(x)\underset{x\to+\infty}{\sim}\frac{x}{\ln(x)}\]

Partie B - Une majoration d’un PPCM

I - Une première majoration

  1. Soit \(r\in\mathbb{N}^\ast\). Soient \(a_1,\dots,a_r\) des entiers naturels non nuls. Justifier qu’il existe un unique entier naturel \(d(a_1,\dots,a_r)\) tel que \[a_1\mathbb{Z}\cap a_2\mathbb{Z}\cap\cdots\cap a_r\mathbb{Z}=d(a_1,\dots,a_r)\mathbb{Z}\]

  2. Soit \(r\in\mathbb{N}^\ast\). Soient \(a_1,\dots,a_r\) des entiers naturels non nuls. Montrer que \(d(a_1,\dots,a_r)\) est le plus petit entier naturel non nul qui est divisible par \(a_1,\dots,a_r\).

Soit \(r\in\mathbb{N}^\ast\). Si \(a_1,\dots,a_r\) sont des entiers naturels non nuls, \(d(a_1,\dots,a_r)\) s’appelle le plus petit commun multiple de \(a_1,\dots,a_r\) et on le notera dans la suite \(\mathrm{PPCM}(a_1,\dots,a_r)\).

Pour tout \(n\in\mathbb{N}^\ast\), on note \(d_n\) le PPCM des entiers naturels compris entre 1 et \(n\), autrement dit : \(d_n=\mathrm{PPCM}(1,2,\dots,n)\).

  1. Calculer \(d_2\), \(d_3\) et \(d_4\), puis montrer que \(d_n\leqslant n!\) pour tout entier naturel \(n\in\mathbb{N}^\ast\).

II - Une majoration plus fine

Le but de cette sous-partie est d’améliorer la majoration de \(d_n\).

Dans les deux questions suivantes, on fixe un entier naturel non nul \(n\) et, pour tout nombre premier \(p\), on note \(k_p\) le plus grand entier naturel tel que \(p^{k_p}\leqslant n\).

  1. Montrer que \(d_n=\displaystyle\prod_{\substack{p\leqslant n\\ p\text{ premier}}}p^{k_p}\).

  2. Pour tout nombre premier \(p\), montrer que \(k_p=\left\lfloor\dfrac{\ln(n)}{\ln(p)}\right\rfloor\). En déduire que \(d_n\leqslant n^{\pi(n)}\).

  3. En déduire qu’il existe un entier naturel \(N\) non nul tel que, pour tout \(n\geqslant N\), \(d_n\leqslant3^n\).

    On pourra utiliser le théorème des nombres premiers mentionné ci-dessus.

Partie C - Un critère d’irrationalité

Soit \(\alpha\in\mathbb{R}_+\). On suppose qu’il existe deux suites d’entiers naturels non nuls \((p_n)_{n\in\mathbb{N}}\) et \((q_n)_{n\in\mathbb{N}}\) telles que \[\lim_{n\to+\infty}\frac{p_n}{q_n}=\alpha\qquad\text{et}\qquad\left| \alpha-\frac{p_n}{q_n} \right|\underset{n\to+\infty}{=}\circ\!\left(\frac{1}{q_n}\right)\] On suppose en outre que pour tout \(n\in\mathbb{N}\), \(\frac{p_n}{q_n}\neq\alpha\).

  1. Montrer que \(\alpha\) est un nombre irrationnel.

Soit \(\beta=\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{10^{n!}}\).

  1. Justifier que \(\beta\) est bien défini, puis montrer que \(\beta\) est un nombre irrationnel.

  2. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Justifier que \(\zeta(2)=\displaystyle\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{1}{k^2}\) est bien défini, puis montrer que l’on peut écrire \[\sum_{k=1}^n\frac{1}{k^2}=\frac{p_n}{q_n}\] avec \(p_n\in\mathbb{N}^\ast\) et \(q_n=d_n^2\).

  3. Peut-on appliquer le résultat de Q20 à ces suites \((p_k)_{k\in\mathbb{N}^\ast}\) et \((q_k)_{k\in\mathbb{N}^\ast}\) pour conclure sur l’irrationalité de \(\zeta(2)\) ?

Partie D - Calcul d’une intégrale double

I - Une intégrale double

Soient \(r\) et \(s\) deux entiers naturels strictement positifs tels que \(r\geqslant s\).

  1. Soit \(y\in\left]0,1\right[\). Justifier que la fonction \[x\mapsto\frac{x^ry^s}{1-xy}\] est intégrable sur \([0,1]\).

On pose, pour \(y\in\left]0,1\right[\), \[f_{r,s}(y)=\int_0^1\frac{x^ry^s}{1-xy}\,\mathrm{d}x\]

  1. Montrer que \(f_{r,s}\) est continue et intégrable sur \(\left]0,1\right[\).

On pose \[J_{r,s}=\int_0^1f_{r,s}(y)\,\mathrm{d}y=\int_0^1\int_0^1\frac{x^ry^s}{1-xy}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\]

  1. Montrer que \[J_{r,s}=\sum_{k=0}^{+\infty}\frac{1}{(r+k+1)(s+k+1)}\]

II - Une écriture sous forme de quotients

Dans cette sous-partie, on suppose \(r>s\).

  1. Justifier que \[\frac{1}{(r+k+1)(s+k+1)}=\frac{1}{r-s}\left(\frac{1}{s+k+1}-\frac{1}{r+k+1}\right)\]

  2. En déduire que \[J_{r,s}=\frac{1}{r-s}\sum_{k=0}^{+\infty}\left(\frac{1}{s+k+1}-\frac{1}{r+k+1}\right)\]

  3. En déduire que \[J_{r,s}=\frac{1}{r-s}\sum_{k=s+1}^r\frac{1}{k}\]

  4. En déduire que l’on peut écrire \[J_{r,s}=\frac{p_{r,s}}{q_{r,s}}\] avec \(p_{r,s}\) et \(q_{r,s}\) des entiers naturels et \(q_{r,s}\) divisant \(d_r^2\).

On admettra que \(J_{r,r}=\zeta(2)-\displaystyle\sum_{k=1}^r\frac{1}{k^2}\).

Partie E - Une démonstration de l’irrationalité de \(\zeta(2)\)

On définit sur \([0,1]\) la fonction \(P_n\) par : \[\forall x\in[0,1],\qquad P_n(x)=\frac{1}{n!}\,\frac{\mathrm{d}^n\left(x^n(1-x)^n\right)}{\mathrm{d}x^n}\]

  1. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Justifier que \(P_n\) est une fonction polynomiale sur \([0,1]\) de degré \(n\) à coefficients dans \(\mathbb{Z}\).

On pose dans la suite \begin{align*} P_n(x) &= \sum_{k=0}^na_kx^k\\ (1-y)^n &= \sum_{k=0}^nb_ky^k \end{align*} avec pour tout \(k\in\left[\kern-0.15em\left[ {0,n} \right]\kern-0.15em\right]\), \(a_k\in\mathbb{Z}\) et \(b_k\in\mathbb{Z}\).

  1. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Justifier l’existence de \[I_n=\int_0^1\int_0^1\frac{(1-y)^nP_n(x)}{1-xy}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\] et montrer que \[I_n=\sum_{\substack{r,s=0\\ r\neq s}}^na_rb_sJ_{r,s}+\sum_{r=0}^na_rb_rJ_{r,r}\]

  2. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). En déduire qu’il existe deux entiers relatifs \(p_n\) et \(q_n\) tels que \[I_n=\frac{p_n+\zeta(2)q_n}{d_n^2}\]

On admettra dans toute la suite que \(p_n\) et \(q_n\) sont non nuls pour tout \(n\in\mathbb{N}^\ast\).

  1. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). Montrer que pour tout \(y\in\left]0,1\right[\), \[\int_0^1\frac{P_n(x)}{1-xy}\,\mathrm{d}x=(-y)^n\int_0^1\frac{x^n(1-x)^n}{(1-xy)^{n+1}}\,\mathrm{d}x\]

  2. En déduire que \[I_n=(-1)^n\int_0^1\int_0^1\frac{x^n(1-x)^ny^n(1-y)^n}{(1-xy)^{n+1}}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\]

  3. Montrer que \[\forall(x,y)\in\left]0,1\right[^2,\qquad\frac{x(1-x)y(1-y)}{1-xy}\leqslant\frac{5\sqrt{5}-11}{2}\]

  4. Soit \(n\in\mathbb{N}^\ast\). En déduire que \[\left| I_n \right|\leqslant\zeta(2)\left(\frac{5\sqrt{5}-11}{2}\right)^n\]

  5. Montrer qu’il existe \(N\in\mathbb{N}^\ast\) tel que pour tout \(n\geqslant N\), \[0<\left| p_n+\zeta(2)q_n \right|\leqslant\zeta(2)\left(\frac{5}{6}\right)^n\]

    On pourra utiliser, sans la prouver, l’inégalité \(9\,\dfrac{5\sqrt{5}-11}{2}\leqslant\dfrac{5}{6}\).

  6. Montrer que \(\zeta(2)\) est un nombre irrationnel.

  7. On admet, uniquement dans cette question, que \(\zeta(2)=\dfrac{\pi^2}{6}\). Montrer que \(\pi\) est un nombre irrationnel.

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