Mines Maths MPSI 2009

CONCOURS COMMUN 2009
DES ÉCOLES DES MINES D'ALBI, ALÈS, DOUAI, NANTES
Épreuve Spécifique de Mathématiques
(filière MPSI)

Mardi 19 mai 2009 de 08h00 à 12h00

Instructions générales :
Les candidats doivent vérifier que le sujet comprend 4 pages numérotées 1/4, 
2/4, 3/4, 4/4.
Les candidats sont invités à porter une attention particulière à la rédaction : 
les copies illisibles ou mal
présentées seront pénalisées.
Les candidats colleront sur leur première feuille de composition l'étiquette à 
code à barres
correspondant à l'épreuve spécifique de Mathématiques.

L'emploi d'une calculatrice est interdit.
Remarque importante :
Si au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble 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.

Problème 1.
1
On rappelle que le nombre e = exp(1) | 2,72 ,
| 0.61,
e

2 | 1,41 et ln(3) | 1,10.

I Etude d'une fonction.
Soit f définie sur § par : x·§, f(x) = 3x exp( x ²) 1 3 xe x ² 1 .
1 Etudier les variations de f sur §, ainsi que les limites aux bornes du 
domaine de définition.
Donner le tableau de variations de f. Préciser les branches infinies de la 
courbe
représentative Cf de f.
2 Calculer f cc(x) . Qu'en déduit-on pour le point de Cf d'abscisse 0 ?
Donner l'équation de la tangente en 0. Etudier la position de la courbe Cf par 
rapport à la
tangente au point d'abscisse 0. Quel résultat retrouve-t-on ?
4 Donner l'allure de la courbe Cf de f.
5
a) Pourquoi f admet-elle des développements limités en 0 à n'importe quel ordre 
?
b) Donner le développement limité de f au voisinage de 0 à l'ordre 5.
3

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II Etude d'une équation différentielle.
Soit n un élément de £*. Soit En l'équation différentielle xy'­(n­2x ²)y = n­2x 
². Soit Hn
l'équation homogène (dite aussi sans second membre) associée à En.
6 Résoudre Hn sur ]0, +f[ et sur ]­f, 0[.
7 En déduire les solutions de En sur ]0, +f[ et sur ]­f, 0[.
8

Donner toutes les fonctions f définies, de classe C1 sur § et solutions de En 
sur §. On
distinguera les cas n = 1 et n t 2.
III Etude de deux suites.

On suppose désormais dans toute la suite du problème que l'entier naturel n est 
supérieur ou
égal à 2. Soit fn(x) = 3 x n e x ² ­1 = 3xnexp(­x²)­1.
9 Quel est le signe de fn(0), de fn(1) ?
10 Etudier les variations de fn sur l'intervalle [0, +f[. Donner la limite de 
fn(x) quand x tend
vers +f. En déduire que fn s'annule sur [0,+f[ en deux réels notés un et vn , 
qui vérifient
un< 1  0, gn(x) = ln3+nlnx­x².
Soit t >0. Montrer que gn(t)=0 si et seulement si fn(t) = 0.
On suppose que : l z 1. Trouver une contradiction en utilisant ce qui précède.
Conclusion ?
c) Soit la suite (wn)nt2 définie par : n t 2 wn = un­1. Trouver en utilisant un 
développement
limité de gn(1+wn) = gn(un) un équivalent simple de wn.

b)
c)
d)
13
a)
b)

IV Etude d'une courbe paramètrée.
G G
Soit R = (O, i , j ) un repère orthonormé. Soit M la courbe paramétrée définie 
sur ]0, +f[ tel
que pour tout t strictement positif, M(t) ait pour coordonnées dans le repère 
R, (x(t), y(t)) avec
- x(t ) g 2 (t ) ln 3 2 ln(t ) t ²
°
1 3
®
y (t ) t
t
°
3
14
a) Etudier les variations de x et y ainsi que leurs limites aux bornes du 
domaine de définition.
b) Etudier les branches infinies de la courbe M.
c) Etudier la nature du point M(1). Donner un vecteur directeur de la tangente 
en M(1) à la courbe.
15 Tracer l'allure de la courbe M.
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Problème 2.
On notera ~[X] l'ensemble des polynômes à coefficients complexes et ~n[X] 
l'ensemble des
polynômes de ~[X] de degré inférieur ou égal à n où n est un entier naturel non 
nul. On note
§2[X] l'ensemble des polynômes à coefficients réels de degré inférieur ou égal 
à 2. On
confondra polynôme et fonction polynôme. On notera deg(P(X)) le degré d'un 
polynôme
P(X).
I Etude d'un polynôme.
16 Soit U(X) le polynôme de ~2[X] suivant : U(X) = X 2+(1­2i)X­2i.
a) Donner les racines carrées de ­3+4i.
b) Trouver les racines dans ~ du polynôme U(X).
17 Soit le complexe z, z = x+iy avec x et y réels.
a) Calculer la partie réelle et la partie imaginaire de U(z) en fonction de x 
et de y.
G G
G
G
b) Soit le plan rapporté à un repère orthonormé R = (O, i , j ). (On prendra i 
= j =1 cm. )
i)
ii)

Soit *1 l'ensemble des points M de coordonnées (x, y) tels que U(x+iy) est 
imaginaire
pur. Donner la nature de *1, son centre et son excentricité. Tracer *1.
Soit *2 l'ensemble des points M de coordonnées (x, y) tels que U(x+iy) est réel.
Donner sa nature et son centre. Tracer *2 sur le même dessin que *1.
II Définition d'une application.

Soit n un entier naturel non nul fixé pour toute la suite du problème. Soit 
T(X) un
polynôme fixé de ~[X] de degré n. Soit f l'application définie sur ~[X] qui à 
tout P(X) de
~[X] associe Q(X)+XR(X) où Q(X) et R(X) sont respectivement le quotient et le 
reste de la
division euclidienne de P(X 2) par T(X). ( On a donc P(X 2) = Q(X)T(X)+R(X) avec
deg(R(X)) < deg(T(X))). On notera fn la restriction de f à ~n[X]. 18 Montrer que f est une application linéaire. 19 20 a) b) Montrer que fn est un endomorphisme de l'espace vectoriel (~n[X], +, .). Dans cette question uniquement n = 2 et T(X) = X 2. Donner la matrice A de f2 sur la base canonique (1, X, X 2). Calculer A 2. En déduire que f2 est bijective et donner son application réciproque. En déduire la nature de f2. 21 Dans cette question uniquement n = 2 et T(X) = (X­1­i)(X+i). Donner l'image du polynôme U(X) = X 2+(1­2i)X­2i par l'application f. III Etude d'un cas particulier. Soit a un complexe fixé. Dans cette partie uniquement, n = 3 et T(X) = X 3+X 2+a. 22 Montrer que f3 a pour matrice sur la base canonique (1, X, X 2, X 3) de ~3[X] : 1 a 1 · §0 0 ¨ ¸ ¨ 1 0 a 1 1 a a² ¸ . B= ¨ 0 0 a a 1 ¸ ¸ ¨ ¸ ¨0 1 1 2 2 a © ¹ CONCOURS COMMUN SUP 2009 DES ÉCOLES DES MINES D'ALBI, ALÈS, DOUAI, NANTES Épreuve Spécifique de Mathématiques (filière MPSI) Page 3/4 23 24 25 a) b) c) Calculer le déterminant de f3. Donner les valeurs de a pour lesquelles f3 n'est pas bijective. Dans cette question a = ­1. Donner une base de ker f3 , le noyau de f3. Donner une base de Im f3 , l'image de f3. Le noyau et l'image de f3 sont-ils supplémentaires ? IV Etude du noyau. 26 Soit P(X) un polynôme non nul de degré p tel que : 2p < n. Montrer que f(P(X)) est non nul. 27 Soit P(X) un polynôme. Montrer qu'il appartient au noyau de f si et seulement si il existe un polynôme R(X) de degré strictement inférieur à n tel que : P(X 2) = R(X)(1­XT(X)). 28 En déduire que si P(X) est un élément du noyau de f alors il appartient à ~n[X]. 29 Déduire de la question 27 que pour tout élément P du noyau de f et que pour tout k de £ tel que deg (P(X))+k d n alors X k P (X) appartient au noyau de f. 30 On suppose dans cette question que le noyau de f n'est pas réduit au polynôme nul. Soit I l'ensemble des entiers naturels k tel qu'il existe un polynôme du noyau de f qui a pour degré k. a) Montrer que I possède un plus petit élément d. b) Soit P0(X) un polynôme du noyau ayant pour degré d. Soit P1(X) un autre polynôme du noyau ayant pour degré d. Montrer qu'il existe c de ~ tel que P1(X) = cP0(X). c) Montrer qu'un polynôme P(X) appartient au noyau de f si et seulement s'il existe un polynôme S(X) de degré inférieur ou égal à n-d tel que P(X) = S(X)P0(X). 31 On suppose dans cette question que T(X) = X 3+X 2­1. Donner le noyau de f. V Etude d'un produit scalaire. Dans cette partie on prendra T(X) = X 2 et on considérera g = f2 la restriction de f à §2[X]. 32 Montrer que g est bien un endomorphisme de l'espace vectoriel réel (§2[X], +, .). Donner sa matrice A sur la base canonique de §2[X]. 33 Soit < . , .> définie sur §2[X] ² à valeurs dans § par :
(U(X), V(X))·§2[X]²,  = U(1)uV(1)+ U c (1)u V c (1)+ U cc (1)u V cc 
(1).
(Où U c (X) et V c (X) sont les fonctions polynômes dérivées de U(X) et V(X) et 
U cc (X) et
V cc (X) sont les fonctions polynômes dérivées secondes de U et V. )
Montrer que < . , . > est un produit scalaire sur (§2[X], +, .).
34 Montrer que la matrice A de g sur la base canonique est une matrice 
orthogonale. (C'est-àdire AutA=I3 où tA est la matrice transposée de A et I3 la 
matrice identité. )
35 L'application g est-elle une isométrie vectorielle pour le produit scalaire 
< . , . > ?
On pourra calculer < 1, 1> et .

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