Mines Maths 1 PSI 2011

A 2011 MATH I PSI
ÉCOLE DES PONTS PARISTECH.
SUPAERO (ISAE), ENSTA PARISTECH,
TELECOM PARISTECH, MINES PARISTECH
MINES DE SAINT ÉTIENNE, MINES DE NANCY,
TÉLÉCOM BRETAGNE, ENSAE PARISTECH (Filière PSI).
ÉCOLE POLYTECHNIQUE (Filière TSI).
CONCOURS 2011
PREMIÈRE ÉPREUVE DE MATHÉMATIQUES
Filière PSI
(Durée de l'épreuve : trois heures)
L'usage de l'ordinateur ou de la calculatrice est interdit.

Sujet mis à la disposition des concours :
Cycle international, ENSTIM, TELECOM INT, TPE-EIVP.
Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente
sur la première page de la copie :
MATHÉMATIQUES I - PSI
L'énoncé de cette épreuve comporte 5 pages de texte.

Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur 
d'énoncé, il
le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons 
des initiatives
qu'il est amené à prendre.

1

Inégalité de Prékopa et Leindler.
Notations.
On notera R l'ensemble des nombres réels, R+ l'ensemble des nombres réels 
positifs
et R+ l'ensemble des nombres réels strictement positifs. On désignera par N 
l'ensemble
des entiers naturels et par N l'ensemble des entiers naturels strictement 
positifs.
Soit n  N . On notera C 0 (Rn , R+ ) (resp. C 0 (Rn , R+ )) l'ensemble des 
fonctions
continues de Rn dans R+ (resp. dans R+ ).
Soient A et B deux parties non vides de Rn . Pour tous réels a et b on notera 
aA+bB
la partie de Rn définie par
aA + bB = {ax + by, x  A, y  B} .
En particulier pour a = -1, on écrit -A = {-x, x  A}.
Si f désigne une fonction f : R  R bornée sur R alors on pose kf k = sup |f 
(x)|.
xR

Soit I un intervalle non vide de R.
On rappelle qu'une fonction g : I  R est dite convexe si:
x, y  I,   [0, 1], g(x + (1 - )y)  g(x) + (1 - )g(y) .
L'opposée d'une fonction convexe est une fonction concave. On rappelle que si g 
est
de classe C 1 sur I, alors g est convexe si et seulement sa dérivée g  est 
croissante (au
sens large) sur I.
Pour toute fonction f : I  R+ , tous x  I et  ]0, 1[, on écrira f (x) pour
(f (x)) .
Partie I. Une inégalité de Prékopa et Leindler.

1) Soient  un réel dans l'intervalle ]0, 1[, et a et b deux réels positifs. 
Montrer que
a + (1 - )b  a b1- ,
(on pourra introduire une certaine fonction auxiliaire dont on justifiera la 
concavité).
Montrer en outre que pour tout réel u > 1,
(a + (1 - )b)u  au + (1 - )bu .

2) Soient a et b deux réels positifs et  un réel dans ]0, 1[. Montrer que
(a + b)  a + b .
Dans toute cette partie  est un réel appartenant à l'intervalle ]0, 1[ et f, g, 
h sont des
fonctions de C 0 (R, R+ ) intégrables qui satisfont l'inégalité suivante
x  R, y  R,

h(x + (1 - )y)  f (x) g(y)1- .

Le but de cette partie est de montrer l'inégalité suivante, à laquelle on fera 
référence
par "inégalité de Prékopa et Leindler", ou en abrégé "P-L":
Z +
 Z +
1-
Z +
h(x)dx 
f (x)dx
g(x)dx
.
(1)
-

-

-

2

Dans les questions 3), 4) et 5) on supposera de plus que f et g sont strictement
positives, c'est-à-dire pour tout réel x, f (x) > 0 et g(x) > 0.
R +
R +
3) On note F = - f (x)dx et G = - g(x)dx. Montrer que pour tout t dans
l'intervalle ]0, 1[ il existe un unique réel noté u(t) et un unique réel noté 
v(t) tels que
Z
Z
1 v(t)
1 u(t)
f (x)dx = t,
g(x)dx = t .
F -
G -
Ru
(On pourra étudier les variations de la fonction : u 7 F1 - f (x)dx).

4) Montrer que les applications u et v sont de classe C 1 sur l'intervalle ]0, 
1[ et, calculer
pour chaque t ]0, 1[ les nombres dérivés u (t) et v  (t).
5) Prouver que l'ensemble image de l'application w définie sur ]0, 1[ par
t ]0, 1[,

w(t) = u(t) + (1 - )v(t) ,

est égal à R. Puis montrer
R +que w définit un changement de variable de ]0, 1[ sur R. En
utilisant ce dernier et - h(w)dw, montrer que f , g et h satisfont l'inégalité 
"P-L"
(1).
On pose (u) = exp(-u2 ) pour tout réel u.
A partir de maintenant, on suppose que f, g et h sont seulement à valeurs 
positives
ou nulles.
6) Prouver que pour tous x, y  R,
(x + (1 - )y)  (x) (y)1- .
Soit M un réel strictement positif. On suppose dans les questions 7), 8) et 9) 
que
f et g sont nulles en dehors de l'intervalle [-M, M ]. On note  = min(, 1 - ),
c = M max(, 1 - ) . Pour chaque réel u on pose:
 = max(, 1 - ) et, M
(
c
c)2 ), si |u| > M
exp(- 12 (|u| - M
M (u) =
c
1,
si |u|  M
7) Soit x, y  R. On pose z = x + (1 - )y. Prouver que si |y|  M alors
(x)  M (z). De même, prouver que si |x|  M alors (y)  M (z).

8) Soit  ]0, 1[, f = f +  et g = g + . Montrer que
x, y  R,

1-
f (x) g (y)1-  h(z) +  (kf k + kgk
) (M (z)) + (z),

où z = x + (1 - )y. On commencera par appliquer l'inégalité de la question 2, 
puis
les deux questions précédentes. On rappelle que f (x) = 0 si |x| > M et que 
g(y) = 0
si |y| > M ).
9) En déduire que si f et g sont nulles en dehors d'un intervalle borné alors 
l'inégalité
"P-L" est satisfaite.

3

Soit n  N. On désigne par n : R  R la fonction continue qui vaut 1 sur [-n, n],
qui vaut 0 sur ] - , -n - 1]  [n + 1, +[ et qui est affine sur chacun des deux
intervalles [-n - 1, -n] et [n, n + 1].
10) Soit n  N . Montrer que
x, y  R, n (x) n (y)1-  n+1 (x + (1 - )y) .
11) Montrer que l'inégalité "P-L" (1) est satisfaite (si on choisit d'utiliser 
le théorème
de convergence dominée alors on vérifiera soigneusement que ses conditions de 
validité
sont remplies).
Partie II. Fonctions log-concaves.
Soit n un entier strictement positif. On dira qu'une fonction f de Rn dans R+ 
est
log-concave si pour tout  dans l'intervalle ]0, 1[
x  Rn , y  Rn ,

f (x + (1 - )y)  f (x) f (y)1- .

12) On note h· ; ·i le produit scalaire euclidien canonique de l'espace 
vectoriel Rn .
Soit S  End Rn un endomorphisme symétrique de l'espace euclidien (Rn , h· ; ·i) 
. On
suppose que x  Rn , hS(x); xi  0. Prouver alors que l'application définie par
x  Rn ,

f (x) = exp (-hS(x); xi) ,

est continue et log-concave sur Rn .
Partie III. Quelques applications géométriques.
Dans cette partie on admettra que l'inégalité "P-L" démontrée dans la partie I 
reste
vraie dans l'espace des fonctions de R dans R+ continues par morceaux et 
intégrables.
C'est-à-dire que pour toutes fonctions f, g, h de R dans R+ , continues par 
morceaux
et intégrables sur R, et pour tout  dans l'intervalle ]0, 1[ tels que
x  R, y  R, h(x + (1 - )y)  f (x) g(y)1- ,
l'inégalité suivante est vérifiée
Z
Z +
h(x)dx 
-

+

f (x)dx
-

 Z

+

g(x)dx
-

1-

.

Soit f une fonction continue de R2 dans R. On dit que f est à support borné si 
il
existe un réel M > 0 tel que f est nulle en dehors du carré [-M, M ]2 , c'est à 
dire que
f (x, y) = 0 si |x| > M ou |y| > M .
On admettra que
Z M Z
-M

M

f (x, y)dy dx =
-M

Z

M

-M

Z

M

-M

f (x, y)dx dy ,

et que cette
du choix de M . On définit alors l'intégrale
R R valeur commune ne dépend pas
2
double
comme
la valeur commune des deux intéf
(x,
y)dxdy
de
f
(x,
y)
sur
R
R2
grales itérées écrites dans l'égalité précédente.

4

13) Soit  ]0, 1[ et f, g, h des fonctions de R2 dans R+ continues à support 
borné et
telles que
X  R2 , Y  R2 ,
Montrer que
Z Z

R2

h(x, y)dxdy 

h(X + (1 - )Y )  f (X) g(Y )1- .

Z Z

f (x, y)dxdy
R2

 Z Z

g(x, y)dxdy
R2

1-

.

Dans la suite on munit R2 de la norme euclidienne canonique.
14) Soit A une partie ouverte bornée non vide de R2 . On désigne par C(A) 
l'ensemble
des fonctions continues f de R2 dans [0, 1] telles que (x, y)  R2 \ A, f (x, y) 
= 0 (en
d'autres termes f est nulle hors de A). Montrer alors que la borne supérieure
Z Z
f (x, y)dxdy
sup
f C(A)

R2

existe et définit un réel strictement positif noté V (A).
15) On considère un rectangle ]a, b[×]c, d[ du plan R2 , avec a < b et c < d. On désigne par D(O, R) le disque ouvert de centre l'origine O et de rayon R > 0 du plan 
euclidien
R2 . Calculer alors les deux réels V (]a, b[×]c, d[) et V (D(O, R)). Que 
représentent-ils
respectivement? (Dans le calcul de V (]a, b[×]c, d[) on pourra utiliser des 
fonctions du
type (x, y) 7 f (x, y) = (x)(y), où  et  sont des fonctions continues et 
affines par
morceaux bien choisies).
16) Soient A et B deux parties ouvertes bornées non vides de R2 et  ]0, 1[. 
Vérifier
que A + (1 - )B est un ouvert borné de R2 . Puis montrer que
V (A + (1 - )B)  V (A) V (B)1- .
Pour démontrer cette inégalité, on utilisera le résultat admis suivant. Pour 
tout
f  C(A) et g  C(B), la fonction h déterminée par:
Z  R2 , h(Z) = sup{f (X) g(Y )1- / X, Y  R2 , Z = X + (1 - )Y }
définit une fonction continue sur R2 .
17) Soit u : R2 ]0, +[ une fonction continue et log-concave au sens de la partie
II. Prouver que l'inégalité précédente reste vraie si on remplace l'application 
V par
l'application  définie pour toute partie ouverte bornée (non vide) A de R2 par
Z Z
(A) = sup
f (x, y)u(x, y)dxdy .
f C(A)

R2

Fin du Problème.