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E3A 2026 MathsMP

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ÉcoleE3A
Année2026
ÉpreuveMaths
OptionMP
Thème principalAlgèbre, Analyse, Probabilités
ChapitresIntégration sur un intervalle quelconque, Réduction des endomorphismes et des matrices carrées, Suites et séries de fonctions, Séries entières, Familles sommables, Polynômes, Développements limités, Variables aléatoires sur un univers fini
Commentaire

Un sujet très proche du cours, en trois exercices indépendants : l'endomorphisme P ↦ P(X + 1) (réduction, nilpotence, Cayley-Hamilton), un exercice d'analyse qui enchaîne intégration terme à terme, série de fonctions et développement en série entière jusqu'à ∫₀¹ ln t/(t − 1) dt = π²/6, puis les développements limités appliqués à t ↦ ln(E(eᵗˣ))/t.

La vérification soignée des hypothèses des théorèmes d'inversion fait la différence.

Durée de l’épreuve : 4 heures. Les calculatrices sont interdites.

Sujet du concours e3a-Polytech 2026.

N.B. : le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d’énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre.

Le sujet est composé de trois exercices indépendants.

EXERCICE 1

Soit \(n\) un entier naturel supérieur ou égal à \(5\).

On rappelle que \(\mathbb{C}_{n-1}[X]\) est le \(\mathbb{C}\)-espace vectoriel des polynômes de degré inférieur ou égal à \(n-1\), à coefficients complexes.

Dans tout l’exercice, on confondra un polynôme et sa fonction polynomiale associée.

Pour tout endomorphisme \(v\) de \(\mathbb{C}_{n-1}[X]\) et tout entier naturel \(m\), on rappelle que : \(v^0=\operatorname{Id}\) où \(\operatorname{Id}\) est l’endomorphisme identité de \(\mathbb{C}_{n-1}[X]\) et lorsque \(m\) est non nul, \(v^m=v\circ v^{m-1}\).

On considère l’application \(u\) définie par : \[\forall P\in\mathbb{C}_{n-1}[X],\ u(P)=Q\quad\text{où}\quad Q(X)=P(X+1)\]

  1. Étude de \(u\)

    1. Vérifier que \(u\) est un endomorphisme de \(\mathbb{C}_{n-1}[X]\).

    2. Soit \(\mathscr{B}=(P_0,P_1,\dots,P_{n-1})\) la base canonique ordonnée de \(\mathbb{C}_{n-1}[X]\), c’est à dire : \[\forall j\in\left[\kern-0.15em\left[ {0,n-1} \right]\kern-0.15em\right],\ P_j(X)=X^j\] Pour tout \(j\in\left[\kern-0.15em\left[ {0,n-1} \right]\kern-0.15em\right]\), déterminer l’expression de \(u(P_j)\) dans la base \(\mathscr{B}\).

    3. Déterminer alors la matrice \(M\) de \(u\) dans la base \(\mathscr{B}\).

      On fera clairement apparaître sur la copie les deux premières colonnes ainsi que la \(k\)-ième colonne de la matrice \(M\) pour un entier naturel \(k\in\left[\kern-0.15em\left[ {3,n-2} \right]\kern-0.15em\right]\).

    4. Déterminer le polynôme caractéristique \(\chi_u\) de l’endomorphisme \(u\).

    5. L’endomorphisme \(u\) est-il diagonalisable ?

    6. Justifier que l’endomorphisme \(u\) est un automorphisme de \(\mathbb{C}_{n-1}[X]\) et préciser \(u^{-1}\).

    7. Déterminer \(M^{-1}\).

    8. Soit \(k\in\mathbb{N}\). Déterminer \(u^k\).

  2. On note \(\Delta=u-\operatorname{Id}\).

    1. Montrer que \(\Delta\) est nilpotent avec : \(\Delta^n=0\).

    2. L’endomorphisme \(\Delta\) est-il diagonalisable ?

  3. Démontrer qu’il existe des entiers relatifs \((a_k)_{k\in\left[\kern-0.15em\left[ {0,n-1} \right]\kern-0.15em\right]}\in\mathbb{Z}^n\), que l’on déterminera, tels que : \[\forall P\in\mathbb{C}_{n-1}[X],\ \ P(X+n)+\sum_{k=0}^{n-1}a_k\,P(X+k)=0\]

EXERCICE 2

Dans tout l’exercice, \(a\) désigne un nombre réel.

Pour tout réel \(s>1\), on appelle \(\zeta(s)=\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n^s}\) et l’on rappelle que : \(\zeta(2)=\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6}\).

  1. Justifier la convergence de la série de terme général \(u_n=\dfrac{1}{n^2+a^2}\).

  2. Justifier l’existence de l’intégrale \(\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\sin(at)}{\mathrm{e}^t-1}\,\mathrm{d}t\).

  3. Prouver que, pour tout \(t>0\), \(\dfrac{1}{\mathrm{e}^t-1}=\displaystyle\sum_{k=1}^{+\infty}\mathrm{e}^{-kt}\).

  4. Prouver que : \(\forall k\in\mathbb{N}^\ast\), \(\displaystyle\int_0^{+\infty}\big(\sin(at)\big)\,\mathrm{e}^{-kt}\,\mathrm{d}t=\frac{a}{a^2+k^2}\).

  5. Démontrer que : \(\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\sin(at)}{\mathrm{e}^t-1}\,\mathrm{d}t=a\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{1}{a^2+k^2}\).

    On pourra utiliser, en la démontrant, l’inégalité valable pour tout \(x\in\mathbb{R}\) : \(\left| \sin(x) \right|\leqslant\left| x \right|\).

    Le théorème utilisé sera cité avec précision et on s’assurera que ses hypothèses sont bien vérifiées.

  6. Déterminer : \(\displaystyle\lim_{a\to0}\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{1}{a^2+k^2}\).

    Le théorème utilisé sera cité avec précision et on s’assurera que ses hypothèses sont bien vérifiées.

  7. Développement en série entière de la fonction \(H : a\longmapsto\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\sin(at)}{\mathrm{e}^t-1}\,\mathrm{d}t\)

    1. Prouver que : \[\forall a\in\left]-1,1\right[,\ \forall k\geqslant1,\ \frac{1}{a^2+k^2}=\frac{1}{k^2}\sum_{n=0}^{+\infty}(-1)^n\left(\frac{a}{k}\right)^{2n}\]

    2. Démontrer alors que : \[\forall a\in\left]-1,1\right[,\ H(a)=\sum_{n=0}^{+\infty}(-1)^n\,\zeta(2n+2)\,a^{2n+1}\]

    3. Montrer que \(H\) est de classe \(\mathcal{C}^\infty\) sur \(\left]-1,1\right[\).

    4. Déterminer \(H^{(p)}(0)\) pour tout \(p\in\mathbb{N}\).

  8. Montrer que l’intégrale \(\displaystyle\int_0^1\frac{\ln(t)}{t-1}\,\mathrm{d}t\) est convergente.

  9. Montrer que : \(\forall p\in\mathbb{N}\), l’intégrale \(I_p=\displaystyle\int_0^1 t^p\,\ln(t)\,\mathrm{d}t\) converge.

  10. Soit \(p\in\mathbb{N}\). Calculer \(I_p\).

  11. Prouver que : \[\int_0^1\frac{\ln(t)}{t-1}\,\mathrm{d}t=\sum_{p=1}^{+\infty}\frac{1}{p^2}\] Le théorème utilisé sera cité avec précision et on s’assurera que ses hypothèses sont bien vérifiées.

  12. Déterminer enfin la valeur de \(\displaystyle\int_0^1\frac{\ln(t)}{t-1}\,\mathrm{d}t\).

EXERCICE 3

Question de cours

  1. Soient \(a\) un réel non nul et \(n\) un entier naturel non nul, écrire le développement limité en \(0\) des fonctions :

    • \(t\mapsto\mathrm{e}^{at}\) à l’ordre \(n\),

    • \(t\mapsto\ln(1+at)\) à l’ordre \(2\).

\(\ast\) \(\ast\) \(\ast\) \(\ast\) \(\ast\)

Pour \(X\) une variable aléatoire discrète finie, à valeurs dans \(\mathbb{R}_+\), définie sur un espace probabilisé \((\Omega,\mathscr{A},\mathbb{P})\), on note \((x_i)_{i\in\left[\kern-0.15em\left[ {1,k} \right]\kern-0.15em\right]}\) avec \(0\leqslant x_1<\cdots<x_k\), où \(k\) est un entier naturel supérieur ou égal à \(1\), les valeurs prises par la variable aléatoire \(X\) avec une probabilité non nulle. On pose : \[\forall i\in\left[\kern-0.15em\left[ {1,k} \right]\kern-0.15em\right],\ \ \mathbb{P}(X=x_i)=p_i>0\]

On définit alors l’application \(\Phi_X\) de \(\mathbb{R}^\ast\) dans \(\mathbb{R}\) par : \[\forall t\in\mathbb{R}^\ast,\ \ \Phi_X(t)=\frac{1}{t}\,\ln\!\left(\sum_{i=1}^k p_i\,\mathrm{e}^{x_it}\right)\]

  1. Étude d’exemples

    1. Déterminer \(\Phi_X\) si \(X\) est une variable aléatoire certaine à valeur dans \(\mathbb{R}_+\).

    2. Soit \(Z\) une variable aléatoire telle que : \[\mathbb{P}(Z=0)=\mathbb{P}(Z=1)=\frac{1}{2}\]

      1. Déterminer, pour tout \(t\in\mathbb{R}^\ast\), \(\Phi_Z(t)\).

      2. Montrer que \(\Phi_Z\) peut être prolongée en une fonction \(\tilde{\Phi}_Z\) dérivable sur \(\mathbb{R}\).

  2. Étude générale. On suppose pour la suite que \(k\geqslant2\).

    1. Déterminer un développement limité de \(\Phi_X\) à l’ordre \(1\) en \(0\).

    2. En déduire que \(\Phi_X\) peut être prolongée en une fonction \(\tilde{\Phi}_X\) dérivable sur \(\mathbb{R}\).

    3. Montrer que \(\tilde{\Phi}_X(0)\) est égal à \(\mathbb{E}(X)\), l’espérance de la variable aléatoire \(X\).

    4. Reconnaître \(\tilde{\Phi}_X'(0)\).

    5. Déterminer les limites de \(\tilde{\Phi}_X\) en \(+\infty\) et \(-\infty\).

    6. La fonction \(\tilde{\Phi}_X\) peut-elle être impaire ? On justifiera soigneusement la réponse proposée.

  3. Soit \(t\in\mathbb{R}^\ast\). Déterminer une relation entre \(\Phi_X(t)\) et \(\mathbb{E}\!\left(\mathrm{e}^{tX}\right)\), espérance de la variable aléatoire \(\mathrm{e}^{tX}\).

  4. Soient \(X\) et \(Y\) deux variables aléatoires discrètes finies, à valeurs dans \(\mathbb{R}_+\) et indépendantes.

    Trouver une relation entre \(\Phi_{X+Y}\), \(\Phi_X\) et \(\Phi_Y\).

Fin

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