560 KiB
Exercices 2026
- Meta
- ENS MP/MPI
- X MP/MPI
- Mines-Ponts PSI 2026
- Mines-Ponts PC 2026
- Centrale MP-MPI 2026
- Centrale PSI 2026
- Centrale PC 2026
- Autres Écoles MP-MPI 2026
- Autres Écoles PSI 2026
- Autres Écoles PC 2026
- De Christophe
- Todoes
Meta noexport
Statistiques
(my-stats-exo)
| ? | ! | todo | unexed | unexed xens |
| 0 | 0 | 5 | 5 | 5 |
Options
All
XENS
XENS MP
Centrale
Mines
Mines Centrale
todoes
autre
autres
ENS MP/MPI xens
Algèbre
Soit $F$ un sous-ensemble fini de $R$. On note $F+F = \{e+f \mid (e,f)\in F^2\}$. Majorer le cardinal de $F+F$ ; montrer qu'il est minoré par $2|F|-1$. Cela reste-t-il vrai dans $R^d$ ?
Soit $f : \{-1,1\}^n\to\R$. Montrer l'existence et l'unicité d'une fonction $c : \mathcal P(\db{1,n})\to\R$ telle que, pour tout $x=(x_1,\ldots,x_n)\in\{-1,1\}^n$, $$f(x)=\sum_{S\subset\{1,2,\ldots,n\}} c(S)\prod_{i\in S}x_i.$$
Soient $E$ un ensemble et $n\in\N$. On note $C(E,n)$ l'ensemble des parties de $E$ de cardinal $n$. Déterminer toutes les parties $\{a_1,\ldots,a_n\}\in C(\Z,n)$, avec $a_1<\cdots<a_n$, telles que l'application qui, à une paire $\{i,j\}$, associe $|a_i-a_j|$, réalise une bijection de $C(\db{1,n},2)$ sur un intervalle d'entiers $\db{1,m}$.
Pour tout réel $x\geq 1$, on note $\pi(x)=\operatorname{card}\{p\in\mathbb{P}\mid p\leq x\}$. Trouver une minoration la plus précise possible de $\pi(x)$.
Pour $K$ un corps et $a\in K$, on note $C(K,a)=\{(x,y)\in K^2\mid x^2+y^2=a\}$.
- Soient $p$ un nombre premier et $a\in\mathbb{F}_p^*$. Dénombrer l'ensemble $C(\mathbb{F}_p,a)$. Indication : on pourra décrire $C(\Q,1)$ et $C(\C,1)$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante sur $p$ pour que $2$ soit un carré modulo $p$.
Pour $n\in\N^*$, on se propose d'établir la propriété $P_n$ : pour toute famille de $2n-1$ entiers relatifs, il existe une sous-famille de $n$ entiers dont la somme est divisible par $n$.
- Traiter les cas $n=1$ et $n=2$.
- On suppose que $n\geq 2$. Montrer qu'il existe une famille de $2n-2$ entiers relatifs dont aucune sous-famille de $n$ entiers n'a une somme divisible par $n$.
- Soient $m,n\in\N^*$. Montrer que, si $P_m$ et $P_n$ sont vraies, il en est de même de $P_{mn}$.
- Soit $p$ un nombre premier. Déterminer la classe modulo $p$ de $\binom{2p-1}{p}$ et, si $s\in\db{1,p}$, de $\binom{2p-1-s}{p-s}$.
- Soient $p$ un nombre premier, $I$ un ensemble de cardinal $2p-1$, $(a_i)_{i\in I}\in\Z^I$. On suppose que, pour toute partie $J$ de $I$ de cardinal $p$, $\sum_{i\in J}a_i$ n'est pas divisible par $p$. Obtenir une contradiction en considérant $$\sum_{\substack{J\subset I\\|J|=p}}\left(\sum_{i\in J}a_i\right)^{p-1}.$$ Conclure.
Soit $G$ un groupe. Une fonction $f:G\to\R$ est un quasi-morphisme quand il existe $C\geq0$ tel que, pour tous $a,b\in G$, $|f(ab)-f(a)-f(b)|\leq C$. Un quasi-morphisme $f$ est dit homogène quand, pour tout $n\in\Z$ et tout $a\in G$, $f(a^n)=nf(a)$.
- Soit $f$ un quasi-morphisme. Montrer que, pour tout $a\in G$, la suite $\left(f(a^{2^k})/2^k\right)$ converge.
- On suppose $G$ abélien. Montrer que tout quasi-morphisme $f$ se décompose de façon unique sous la forme $f=f'+h$, où $f'$ est un quasi-morphisme homogène et $h$ une fonction bornée.
- Montrer que, si $f$ est un quasi-morphisme homogène, alors, pour tous $a,b\in G$, $f(aba^{-1})=f(b)$.
Soit $\phi$ un morphisme de $\Q$-algèbres de $\Q[X]$ dans $\C$. On suppose que le noyau de $\phi$ contient un polynôme de $\Z[X]$ unitaire et irréductible sur $\Q$. On note $K$ le sous-$\R$-espace vectoriel de $\C$ engendré par l'image de $\phi$, et $G$ le sous-groupe de $(\C,+)$ engendré par la famille $(\phi(X^n))_{n\in\N}$. Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $G$ soit dense dans $K$.
- Soit $p\geq2$ un entier. On suppose que le groupe $((\Z/p\Z)^\times,\cdot)$ des inversibles de $\Z/p\Z$ est isomorphe à $(\Z/(p-1)\Z,+)$. Montrer que $p$ est premier. On admet que, si $p$ est premier, le groupe multiplicatif $(\Z/p\Z)^\times$ est cyclique.
-
Soit $N\geq2$. Démontrer que les propositions suivantes sont équivalentes :
- $N$ est non premier et $\forall x\in\Z,\ x^N\equiv x\pmod N$.
- $N$ possède au moins trois facteurs premiers distincts et, pour tout premier $p$ divisant $N$, $p^2\nmid N$ et $p-1\mid N-1$.
Dans ce cas, on dit que $N$ vérifie $(C)$.
-
- Montrer qu'il existe $k\in\N$ tel que $6k+1$, $12k+1$ et $18k+1$
soient premiers.
- Soit $k$ un tel entier. Montrer que
$(6k+1)(12k+1)(18k+1)$ vérifie $(C)$.
- Déterminer les morphismes continus de $(\R,+)$ dans $(\mathbb{U},\times)$.
- Soit $\mathbb{P}$ l'ensemble des nombres premiers. Montrer que, pour $(m,n)\in\Z\times\N^*$ premiers entre eux, il existe $a\in\Z$ et une famille d'entiers $(b_p)_{p\in\mathbb{P}}$ tels que $$\frac mn=a+\sum_{p\in\mathbb{P}}\frac{b_p}{p^{v_p(n)}},\qquad 0\leq b_p<p^{v_p(n)}.$$
- En déduire que tout morphisme de $(\Q,+)$ dans $(\mathbb{U},\times)$ est déterminé par ses valeurs sur les $1/p^k$, pour tout premier $p$ et tout $k\in\N$.
Soit $R$ un anneau commutatif. On note $$\mathrm{SL}_2(R)=\left\{\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\in \mathcal{M}_2(R)\mid ad-bc=1_R\right\}.$$ Soit $p$ un nombre premier et $k\in\N^*$ ; on admet que $\mathrm{SL}_2(\Z/p^k\Z)$ est un groupe pour le produit matriciel.
- Soit $\Pi:\mathrm{SL}_2(\Z/p^2\Z)\to\mathrm{SL}_2(\Z/p\Z)$ la réduction modulo $p$. Montrer qu'il s'agit d'un morphisme de groupes surjectif.
- Soit $X\in\mathcal{M}_2(\Z)$ nilpotente. On suppose à présent $p>3$. Montrer que si $A\equiv I_2+X\pmod p$, alors $A^p\equiv I_2+pX\pmod{p^2}$.
- Soit $H$ un sous-groupe de $\mathrm{SL}_2(\Z/p^2\Z)$ tel que $\Pi(H)=\mathrm{SL}_2(\Z/p\Z)$. Montrer que $H=\mathrm{SL}_2(\Z/p^2\Z)$.
- Montrer le même résultat avec $\mathrm{SL}_2(\Z/p^k\Z)$ à la place de $\mathrm{SL}_2(\Z/p^2\Z)$.
- Montrer que $\Z[X]$ est un sous-anneau de $\R[X]$.
- Soient $A,B\in\Z[X]$ avec $B$ unitaire. Montrer qu'il existe $Q,R\in\Z[X]$ tels que $A=BQ+R$ avec $\deg(R)<\deg(B)$.
- Soient $n\in\N^*$ et $y\in\Z$. Montrer que l'application $\phi:P\in\Z[X]\mapsto P(y)\in\Z/n\Z$ est un morphisme surjectif d'anneaux, de noyau $$\{(X-y)A+nB\mid(A,B)\in\Z[X]^2\}.$$
- Soient $Q\in\Z[X]$ unitaire de degré strictement positif et $R$ un anneau. On suppose qu'il existe un morphisme d'anneaux de $\Z[X]$ dans $R$ de noyau $\{QA+nB\mid(A,B)\in\Z[X]^2\}$. Montrer que $R$ est fini et déterminer son cardinal.
- On suppose désormais que $Q(X)=X^2+bX+c$. Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur $n,b,c$ pour que l'anneau $R$ soit intègre.
Un idéal $I$ d'un anneau commutatif est dit premier si $A\setminus I$ est stable par multiplication ; il est dit maximal si les seuls idéaux qui le contiennent sont $I$ et $A$.
- Montrer que tout idéal premier non nul de $\Z[\sqrt{5}]$ est maximal.
- Montrer que tout idéal maximal de $\Z[\sqrt{5}]$ est premier.
Soit $A$ une $\R$-algèbre commutative unitaire de dimension finie. On note $\mathrm{Nil}(A)=\{x\in A\mid x\text{ est nilpotent}\}$.
- Rappeler la définition d'un idéal et montrer que $\mathrm{Nil}(A)$ est un idéal.
- Montrer que si $x\in\mathrm{Nil}(A)$, alors $1-x$ est inversible.
- Montrer qu'il existe $M\in\N$ tel que, pour tous $x_1,\ldots,x_M\in\mathrm{Nil}(A)$, $x_1\cdots x_M=0$.
- Montrer que $M=\dim A$ convient.
- Soit $L_x:y\in A\mapsto xy\in A$. Montrer que $x\in\mathrm{Nil}(A)$ si et seulement si $\chi_{L_x}=X^{\dim A}$.
- Montrer que, pour tout $x\in A$, $\chi_{L_x}(x)=0$.
- Soit $P\in\R[X]$. Montrer que, pour tout $x\in\R$, $P(x)\geq0$ si et seulement s'il existe $A,B\in\R[X]$ tels que $P=A^2+B^2$. Indication : montrer que l'ensemble $\{A^2+B^2\mid(A,B)\in\R[X]^2\}$ est stable par produit.
- Montrer que, pour tout $x\in\R^+$, $P(x)\geq0$ si et seulement s'il existe $(A,B)\in\R[X]^2$ tels que $P=A^2+XB^2$.
Soit $P\in\R[X]$ de degré au moins $2$. Le polynôme $P$ est dit sympathique s'il est le produit de deux polynômes non constants à coefficients positifs. On suppose qu'il existe $n\geq2$ tel que $P(X^n)$ soit sympathique. Démontrer que $P$ est également sympathique.
Soient $K$ un corps de caractéristique nulle et $a\in K$. Soit $(P,Q)\in K[X]^2$ non tous deux nuls en $a$. Soit $n\in\N^*$. Montrer qu'il existe $(\lambda,\mu)\in K^2$ tels que $\lambda P+\mu Q$ soit un polynôme non nul admettant $a$ comme racine de multiplicité $n$ si et seulement si $a$ est racine de $P'Q-PQ'$ de multiplicité $n-1$.
- Montrer que, pour tout $n\in\N^*$, il existe $U_n,V_n\in\Z[X]$ tels que, pour tout $z\in\C$, $(1+iz)^n=U_n(z)+iV_n(z)$. Donner le degré de $V_n$, puis ses racines.
- Soit $p$ un nombre premier tel que $p\equiv3\pmod4$. Montrer que, pour tout $k\in\Z$, $p$ divise $V_{p+1}(k)$.
- Soient $p$ un nombre premier impair, $m,n\in\N^*$ et $d=m\wedge n$. Soit $k\in\Z$. On suppose que $p\mid V_m(k)$ et $p\mid V_n(k)$. Montrer que $p\mid V_d(k)$.
On pose $P=\sum_{i=0}^N a_iX^i\in\C[X]$, avec $a_0\neq0$ et $a_N=1$, et $$H(P)=\sup_{|z|=1}\frac{|P(z)|}{\sqrt{|a_0|}}.$$
- Montrer que $$\frac{1}{|a_0|}\sum_{i=0}^N|a_i|^2\leq H(P)^2\leq \frac{N+1}{|a_0|}\sum_{i=0}^N|a_i|^2$$ et étudier les cas d'égalité.
- On pose $\ln^+(x)=\max(0,\ln x)$. Montrer que $$\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} \ln^+\left(\frac{|P(e^{i\theta})|}{\sqrt{|a_0|}}\right)\,d\theta \leq \ln H(P).$$
Soit $(u,v)$ une famille libre de vecteurs de $\R^2$. On appelle cristal engendré par $(u,v)$ l'ensemble $C=\{au+bv\mid(a,b)\in\Z^2\}$.
- Trouver les $\Phi\in\mathcal L(\R^2)$ tels que $\Phi(C)=C$, pour $C$ le cristal engendré par la base canonique.
- Trouver les rotations $\Phi$ de $\R^2$ telles que $\Phi(C)=C$, pour $C$ le cristal engendré par la base canonique.
- Trouver les rotations $\Phi$ de $\R^2$ telles que $\Phi(C)=C$, pour $C$ un cristal quelconque.
- Soit $C$ une partie de $\R^2$ stable par $+$ et $-$. Montrer que $C$ est un cristal si et seulement si $\operatorname{Vect}(C)=\R^2$ et $C$ est discret.
Soient $A,B\in\mathcal M_{m,n}(\R)$. On dit que $A$ est équivalente à $B$ par rapport aux lignes si, pour tous $k$ et tous $1\leq i_1<\cdots<i_k\leq m$, la famille $(L_{i_1}(A),\ldots,L_{i_k}(A))$ est libre si et seulement si $(L_{i_1}(B),\ldots,L_{i_k}(B))$ est libre, où $L_i(A)$ est la $i$-ème ligne de $A$. On définit de même l'équivalence par rapport aux colonnes. Montrer que $\operatorname{rg}(A)=\operatorname{rg}(B)$ si et seulement s'il existe $C\in\mathcal M_{m,n}(\R)$ équivalente à $A$ par rapport aux lignes et équivalente à $B$ par rapport aux colonnes.
Pour $\sigma\in\mathfrak S_n$, on note $n_k(\sigma)$ le nombre de $k$-cycles de $\sigma$, et $m(\sigma)$ le nombre total de cycles.
- Soit $c$ un $k$-cycle de $\mathfrak S_n$ et $i\in\N^*$. Déterminer l'ordre de $c^i$.
- Montrer que $\sigma$ et $\tau$ sont conjugués si et seulement si, pour tout $k\in\db{1,n}$, $n_k(\sigma)=n_k(\tau)$.
- Trouver le nombre total de cycles dans $c^i$ pour $c$ un $k$-cycle et $i\in\N^*$.
- Calculer $\det\big((i\wedge j)_{1\leq i,j\leq n}\big)$.
- Montrer que $\sigma$ et $\tau$ sont conjugués si et seulement si, pour tout $i\in\N^*$, $m(\sigma^i)=m(\tau^i)$.
Soit $n\in\N^*$. Soient $A_1,\ldots,A_n\in\mathcal M_n(\C)$ et, pour $i\in\db{1,n}$, soit $S_i$ un sous-ensemble de $\C$ de cardinal au moins $n+1$. On suppose que, pour tout $(\lambda_1,\ldots,\lambda_n)\in S_1\times\cdots\times S_n$, la matrice $\lambda_1A_1+\cdots+\lambda_nA_n$ est nilpotente. Montrer que, pour tout $i$, $A_i$ est nilpotente.
Soient $x_1,\ldots,x_n\in\Z$ et $k_1,\ldots,k_n\in\N^*$. Montrer que $\prod_{i=1}^n i!$ divise le déterminant de la matrice $$\left(\binom{x_i}{k_j}\right)_{1\leq i,j\leq n}.$$
Soit $A=(a_{i,j})_{1\leq i\leq m,\,1\leq j\leq n}\in\mathcal M_{m,n}(\R)$. Soient $X=(x_1\ \cdots\ x_n)$ une combinaison convexe des lignes de $A$ et $Y=(y_1\ \cdots\ y_m)^T$ une combinaison convexe des colonnes de $A$.
- Soient $I$ un intervalle de $\R$ contenant tous les $x_j$ et $J$ un intervalle de $\R$ contenant tous les $y_i$. Montrer que $I\cap J\neq\varnothing$.
- On suppose que $X=(\alpha\ \cdots\ \alpha)$ et $Y=(\beta\ \cdots\ \beta)^T$. Montrer que $\alpha=\beta$.
- On note $$\alpha=\min_{(\lambda_1,\ldots,\lambda_m)\in\Delta_m} \max_{1\leq j\leq n}\sum_{k=1}^m\lambda_k a_{k,j},\qquad \beta=\max_{(\mu_1,\ldots,\mu_n)\in\Delta_n} \min_{1\leq i\leq m}\sum_{j=1}^n a_{i,j}\mu_j,$$ où $\Delta_k=\{(\lambda_1,\ldots,\lambda_k)\in(\R_+)^k\mid \lambda_1+\cdots+\lambda_k=1\}$. Montrer que $\alpha\geq\beta$.
Soient $p$ un nombre premier et $n$ un entier strictement positif.
- Dénombrer les bases de l'espace vectoriel $(\mathbb F_p)^n$.
- Soit $E$ un $\mathbb F_p$-espace vectoriel de dimension finie et $u\in\mathcal L(E)$. Montrer qu'il existe un unique couple $(V,W)$ de sous-espaces de $E$ tels que $E=V\oplus W$, $V$ et $W$ soient stables par $u$, l'endomorphisme induit par $u$ sur $V$ soit inversible, et celui induit sur $W$ soit nilpotent.
- En déduire le nombre de matrices nilpotentes de $\mathcal M_n(\mathbb F_p)$.
- Peut-on mener le même calcul dans $\mathcal M_d(\Z/d\Z)$ pour un entier $d$ quelconque ?
Soient $n\geq2$ et $E_n$ l'ensemble des sous-espaces vectoriels de $\R^n$. Soit $\phi:E_n\to\R$ telle que $\phi(\{0\})=0$ et, pour tous $(V,W)\in E_n^2$, $$\phi(V\cap W)+\phi(V+W)\leq\phi(V)+\phi(W).$$ Montrer qu'il existe un unique sous-espace vectoriel $V_0\in E_n$ de dimension maximale tel que $$\min_{V\in E_n\setminus\{0\}}\frac{\phi(V)}{\dim V} =\frac{\phi(V_0)}{\dim V_0}.$$
Soit $n\in\N^*$. Une matrice $Q\in\mathcal M_n(\R)$ est bistochastique si ses coefficients sont positifs et de somme égale à $1$ le long de chaque ligne et de chaque colonne. Montrer que si $Q$ est une matrice bistochastique qui n'est pas une matrice de permutation, il existe $M\in\mathcal M_n(\R)$ non nulle telle que, pour tout $(i,j)\in\db{1,n}^2$ :
- si $Q_{i,j}=0$, alors $M_{i,j}=0$ ;
- $\sum_{k=1}^n M_{i,k}=\sum_{k=1}^n M_{k,j}=0$.
- Montrer que tout endomorphisme de l'anneau $\mathcal M_n(K)$ est injectif.
- Montrer que les endomorphismes de la $K$-algèbre $\mathcal M_n(K)$ sont les applications $M\mapsto PMP^{-1}$ pour $P\in\mathrm{GL}_n(K)$.
Soit $V$ un $\C$-espace vectoriel de dimension $n\in\N^*$. Soient $A,B\in\mathcal L(V)$ nilpotents et commutants. On note $\C[A,B]$ la sous-algèbre de $\mathcal L(V)$ engendrée par $A$ et $B$, et on pose $V_1=\operatorname{Im}(A)+\operatorname{Im}(B)$. Soit $W$ un supplémentaire de $V_1$ dans $V$.
- Montrer que $\dim(\C[A])\leq n$.
- Montrer que $V=\sum_{i,j\in\N}A^iB^jW$.
- Montrer que l'application de restriction à $W$ définit une injection linéaire de $\C[A,B]$ dans $\mathcal L(W,V)$ et en déduire que $\dim(\C[A,B])\leq n\dim(W)$.
- On note $A_1$ (resp. $B_1$) l'endomorphisme induit par $A$ (resp. $B$) sur $V_1$. Montrer que $\dim(A\C[A,B])\leq\dim(\C[A_1,B_1])$.
Soit $n\in\N^*$. On pose $$J_n=\begin{pmatrix}0&I_n\\-I_n&0\end{pmatrix}\in\mathcal M_{2n}(\Z).$$
- Montrer que $J_n$ est inversible et donner son inverse.
- Soit $G_n=\{M\in\mathcal M_{2n}(\Z)\mid M^TJ_nM=J_n\}$. Montrer que $(G_n,\times)$ est un groupe, stable par transposition.
- Soit $M\in G_n$ dont la première ligne est $(1,0,\ldots,0)$. On suppose $n>1$ et on écrit par blocs $$M=\begin{pmatrix}1&0&0&0\\ *&A&X&B\\ *&*&y&*\\ *&C&Z&D\end{pmatrix},$$ avec $A,B,C,D\in\mathcal M_{n-1}(\Z)$, $y\in\Z$ et $X,Z\in\mathcal M_{n-1,1}(\Z)$. Montrer que $y=1$, $X=Z=0$ et $\begin{pmatrix}A&B\\C&D\end{pmatrix}\in G_{n-1}$.
On souhaite déterminer les ordres possibles des éléments $A$ de $\mathrm{GL}_2(\Z)$. Pour cela, on écrit $\chi_A=X^2-tX+d$. Préciser les valeurs de $t$ et $d$, puis discuter les ordres possibles. Fournir des exemples explicites pour les différents ordres possibles.
Soient $A$ et $B$ des matrices de $\mathcal M_n(\C)$ telles que $A^2+B^2=2AB$. Montrer que $\chi_A=\chi_B$.
Soit $G$ un sous-groupe d'ordre $6$ de $\mathrm{GL}_n(\C)$. Étudier les propriétés de réduction simultanée des éléments de $G$.
Soient $K$ un corps et $A\in\mathcal M_2(K)$. On suppose que le polynôme caractéristique $\chi_A$ est irréductible sur $K$. Soit $B\in\mathrm{GL}_2(K)$ telle que $B$ ne commute pas avec $A$. Montrer que $B^2$ est une matrice scalaire.
Soit $G$ un sous-groupe de $\mathrm{GL}_n(\C)$.
- On suppose que $G$ est fini. Montrer que les éléments de $G$ sont diagonalisables. Que peut-on dire de leurs spectres ?
-
On suppose que $G$ est compact. Soit $M\in G$.
- Montrer que $\operatorname{Sp}(M)\subset\mathbb U$.
- Soit $\lambda\in\operatorname{Sp}(M)$. Montrer que $\ker(M-\lambda I_n)=\ker((M-\lambda I_n)^2)$ et en déduire que $M$ est diagonalisable.
- Caractériser les sous-groupes abéliens finis et les sous-groupes abéliens compacts de $\mathrm{GL}_n(\C)$.
Soit $K$ un corps. Une matrice $M\in\mathrm{GL}_2(K)$ est dite super-puissante si, pour tout $n\in\N^*$, il existe $A_n\in\mathcal M_2(K)$ tel que $M=A_n^n$.
- Déterminer les matrices super-puissantes dans le cas où $K=\C$.
- On suppose $K=\R$. Montrer que $M\in\mathrm{GL}_2(\R)$ est super-puissante si et seulement s'il existe $R\in\mathcal M_2(\R)$ tel que $M=R^2$.
- Sur $\Q$, montrer que les matrices super-puissantes sont de déterminant $1$.
- Soit $A\in\mathcal M_2(\C)$ tel que $\det A=1$. Exprimer $\chi_A$ en fonction d'une forme linéaire usuelle de $A$.
- Soient $A,B\in\mathcal M_2(\C)$ telles que $\det A=\det B=1$. Montrer que $\operatorname{Tr}(AB^2)=\operatorname{Tr}(B)\operatorname{Tr}(AB) -\operatorname{Tr}(A)$.
- Soit $S=\{(x,y,z)\in\Z^3\mid x^2+y^2+z^2=xyz\}$. Soient $A,B\in\mathcal M_2(\Z)$ de déterminant $1$. Montrer que $(\operatorname{Tr}(A),\operatorname{Tr}(B),\operatorname{Tr}(AB))\in S$ si et seulement si $\operatorname{Tr}(ABA^{-1}B^{-1})=-2$.
- Montrer que, pour tout $(x,y,z)\in S\setminus\{(0,0,0)\}$, il existe $A,B\in\mathcal M_2(\Z)$ de déterminant $1$ tels que $x=\operatorname{Tr}(A)$, $y=\operatorname{Tr}(B)$ et $z=\operatorname{Tr}(AB)$.
Soit $K$ un sous-corps de $\C$.
- Montrer que, si $M\in\mathcal M_n(K)$, alors $M$ est nilpotente si et seulement si $\chi_M=X^n$.
- Pour $M\in\mathcal M_n(K)$, on pose $\sin(M)=\frac{1}{2i}(e^{iM}-e^{-iM})$. On note $\mathcal N$ l'ensemble des matrices nilpotentes de $\mathcal M_n(K)$. Montrer que $\sin$ induit une bijection de $\mathcal N$ sur elle-même.
- Soit $G=\{P\in\R_n[X]\mid P(0)=0,\ P'(0)\neq0\}$. Pour $P,Q\in G$, on note $P*Q=P(Q(X))\pmod{X^{n+1}}$. Montrer que $(G,*)$ est un groupe.
Pour $X,Y\in\mathcal M_n(\C)$, on pose $[X,Y]=XY-YX$.
- On pose $A=\{X\in\mathcal M_2(\C)\mid\operatorname{Tr}X=0\}$. Montrer que $A$ est un sous-espace vectoriel de $\mathcal M_2(\C)$ stable par crochet.
- On pose $$X=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix},\quad Y=\begin{pmatrix}0&0\\1&0\end{pmatrix},\quad H=\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}.$$ Calculer les différents crochets.
-
Soit $\rho:A\to\mathcal M_n(\C)$ telle que $\rho([A,B])=[\rho(A),\rho(B)]$ pour tous $A,B\in\mathcal M_2(\C)$. On note $E_\lambda=\ker(\rho(H)-\lambda I_n)$. Soit $\alpha$ une valeur propre de $\rho(H)$.
- Montrer que $\rho(X)(E_\alpha)\subset E_{\alpha+2}$ et $\rho(Y)(E_\alpha)\subset E_{\alpha-2}$.
- Soit $V\in E_\alpha$. Montrer que la suite $(\rho(X)^kV)_{k\in\N}$ est nulle à partir d'un certain rang.
- On dit que $\rho$ est irréductible si, pour tout sous-espace vectoriel $V$ de $\C^n$ et tout $A\in A$, la condition $\rho(A)(V)\subset V$ implique $V=\{0\}$ ou $V=\C^n$. Si $\rho$ est irréductible, montrer que $\rho(H)$ est diagonalisable.
- Montrer que $\operatorname{Sp}(\rho(H))=\{-m,-m+2,\ldots,m-2,m\}$ avec $m\in\N$.
Soient $V$ un $\R$-espace vectoriel et $u$ un endomorphisme de $V$. Dans les deux premières questions, on suppose $V$ de dimension finie.
- Montrer que $\lambda\in\R$ est valeur propre de $u$ si et seulement si elle est racine du polynôme caractéristique de $u$.
- On dit que $\lambda\in\C\setminus\R$ est valeur propre imaginaire de $u$ s'il existe $P\in\R[X]$ unitaire de degré $2$ tel que $P(\lambda)=0$ et $P(u)$ n'est pas injectif. Une valeur propre complexe de $u$ est une valeur propre réelle ou imaginaire. Montrer que les racines complexes de $\chi_u$ sont exactement les valeurs propres complexes de $u$.
- On suppose maintenant que $V$ est de dimension quelconque et muni d'une norme, et que $u$ est un homéomorphisme linéaire de $V$ sur lui-même. On munit $\mathcal L_c(V)$ des endomorphismes continus de la norme d'opérateur associée. Montrer que si la suite $(u^n)_{n\in\Z}$ est bornée, alors, pour tout $x\in V\setminus\{0\}$, $0$ n'est pas valeur d'adhérence de la suite $G(x)=(u^n(x))_{n\in\Z}$.
Soit $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien. Soit $(x_1,\ldots,x_n)$ une base orthogonale de $E$. Déterminer, en fonction de $\|x_1\|,\ldots,\|x_n\|$, quels sont les entiers $m\in\N$ avec $0<m<n$ tels qu'il existe un sous-espace vectoriel $F\subset E$ de dimension $m$ pour lequel les projetés orthogonaux $y_1,\ldots,y_n$ des $x_i$ sur $F$ ont tous la même norme.
Soit $M\in\mathrm O_n(\R)$. Montrer qu'il existe deux symétries orthogonales $A,B$ telles que $M=AB$.
Soient $n\in\N^*$, $1\leq k,\ell\leq n$, et $M\in\mathcal M_n(\R)$ une matrice dont les $k$ premières lignes et les $\ell$ premières colonnes sont orthonormées. Montrer qu'il existe une matrice orthogonale ayant les mêmes $k$ premières lignes et $\ell$ premières colonnes que $M$.
- Pour $a\in\C$, montrer que $|a|<1$ si et seulement si, pour tout $v\in\C$ non nul, il existe un unique $\rho>0$ tel que $|a+\rho v|=1$.
- On identifie $\C$ au $\R$-espace vectoriel $\R^2$ muni de sa structure euclidienne canonique. Soient $T$ un automorphisme de $\C$ et $a\in\C$. On définit $$T_a:z\in\mathbb U\longmapsto \frac{a+T(z)}{|a+T(z)|}\in\mathbb U.$$ Montrer que $T_a$ est bien définie, continue et bijective si et seulement si $|T^{-1}(a)|<1$.
- On suppose la condition précédente vérifiée. Montrer que $T_a$ est une involution si et seulement si $T$ est autoadjoint, $a$ est un vecteur propre de $T$ associé à une valeur propre $\lambda<0$, et l'autre valeur propre $\mu$ vérifie $\lambda^2=|a|^2+\mu^2$.
Soit $S\in\mathcal S_n(\R)$ à valeurs propres simples et $V\in\R^n$ unitaire. Pour $t\in\R$, on pose $G(t)=S+tVV^T$.
- À quelle condition $G(t)$ et $S$ n'ont-elles pas de valeurs propres communes ?
- Étudier les valeurs propres de $G(t)$ lorsque $t$ tend vers $+\infty$.
Soient les matrices de $\mathcal M_2(\C)$ suivantes : $$E=I_2=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix},\quad I=\begin{pmatrix}i&0\\0&-i\end{pmatrix},\quad J=\begin{pmatrix}0&1\\-1&0\end{pmatrix},\quad K=IJ.$$ Soit $H$ le $\R$-espace vectoriel engendré par $\{E,I,J,K\}$.
- Montrer que $H$ est une $\R$-algèbre de dimension $4$.
- On pose $A^*=A^T$ pour $A\in\mathcal M_2(\C)$. Vérifier que $A\mapsto A^*$ est un endomorphisme de $H$. Montrer que $(AB)^*=B^*A^*$ et $A^{**}=A$, puis donner la matrice de $A\mapsto A^*$ dans la base $(E,I,J,K)$.
- Soit $H_1=\{X\in H\mid XX^*=E\}$. Montrer que $H_1$ est un groupe. En identifiant $H_1$ à $\R^4$, donner une description géométrique de $H_1$.
- Soit $H_2$ le sous-espace de $H$ engendré par $\{I,J,K\}$. Pour $X\in H_1$, on définit $\alpha(X):Y\in H_2\mapsto XYX^*\in H_2$. En identifiant $\alpha(X)$ à sa matrice dans la base $(I,J,K)$, montrer que $\alpha$ définit un morphisme surjectif de $H_1$ dans $\mathrm{SO}_3(\R)$ dont le noyau est $\{E,-E\}$.
Une matrice $M=(m_{i,j})\in\mathcal M_n(\R)$ est dite centro-symétrique lorsque $m_{n+1-i,n+1-j}=m_{i,j}$ pour tous $(i,j)\in\db{1,n}^2$, et elle est dite bisymétrique lorsqu'elle est à la fois symétrique et centro-symétrique. Un vecteur $X=(x_i)_{i}\in\R^n$ est dit symétrique si $x_{n+1-i}=x_i$ pour tout $i$, et antisymétrique si $x_{n+1-i}=-x_i$.
- On suppose $n=2k$ pour $k\in\N^*$, et on note $J_k=(\delta_{i+j,k+1})_{1\leq i,j\leq k}$. Montrer qu'une matrice $M\in\mathcal M_n(\R)$ est centro-symétrique si et seulement s'il existe deux matrices symétriques $A,E\in\mathcal M_k(\R)$ telles que $$M=\begin{pmatrix}A&EJ_k\\J_kE&J_kAJ_k\end{pmatrix}.$$
- Soit $M\in\mathcal M_n(\R)$ bisymétrique. Montrer qu'il existe une base orthonormée de $\R^n$ formée de vecteurs propres de $M$, chacun symétrique ou antisymétrique.
Soit $n\geq2$. On munit $\R^n$ de sa structure euclidienne canonique et $\mathcal M_n(\R)$ de la norme d'opérateur associée. On rappelle que toute matrice $A\in\mathcal S_n^{++}(\R)$ a une unique racine carrée dans $\mathcal S_n^{++}(\R)$, notée $\sqrt A$. Pour $A,B\in\mathcal S_n(\R)$, on note $A\leq B$ si $B-A\in\mathcal S_n^+(\R)$, et $A<B$ si $B-A\in\mathcal S_n^{++}(\R)$.
- Soit $A\in\mathcal M_n(\R)$. Montrer que $\|A\|^2=\max(\operatorname{Sp}(A^TA))$. En déduire que, pour $A\in\mathcal S_n^+(\R)$, $$\|A\|=\max_{X\in\R^n\setminus\{0\}} \frac{\langle AX,X\rangle}{\|X\|^2}=\max(\operatorname{Sp}(A)).$$
- Soient $C,D\in\mathcal M_n(\R)$ telles que $CD\in\mathcal S_n^+(\R)$. Montrer que $\|CD\|\leq\|DC\|$.
- Montrer que $\sqrt{\cdot}$ est croissante sur $\mathcal S_n^{++}(\R)$.
- Soit $A\in\mathcal S_n^{++}(\R)$. Montrer qu'il existe $B\in\mathcal M_n(\R)$ tel que $e^B=A$.
- Montrer que ce $B$ est unique si on impose $B\in\mathcal S_n(\R)$ ; on le note alors $\ln(A)$.
- Montrer que $\ln$ est croissante sur $\mathcal S_n^{++}(\R)$. Indication : utiliser la question 3.
- Est-ce que $A\mapsto A^2$ est croissante sur $\mathcal S_n(\R)$ ?
Soient $n\in\N^*$ et $x=(x_1,\ldots,x_n)\in\R^n$. Pour $k\in\db{1,n}$, on note $s_k(x)$ la somme des $k$ plus grandes composantes de $x$. Pour $\sigma\in\mathfrak S_n$, on pose $\sigma(x)=(x_{\sigma(1)},\ldots,x_{\sigma(n)})$.
- Montrer que $s_k$ est convexe. On pose $$K(x)=\left\{\sum_{\sigma\in\mathfrak S_n}\lambda_\sigma\sigma(x) \;\middle|\; (\lambda_\sigma)\in[0,1]^{\mathfrak S_n},\quad \sum_{\sigma\in\mathfrak S_n}\lambda_\sigma=1\right\}$$ et $$L(x)=\{y\in\R^n\mid \forall k\in\db{1,n-1}, s_k(y)\leq s_k(x)\text{ et }s_n(y)=s_n(x)\}.$$
- Montrer que $K(x)\subset L(x)$.
- On note $D(x)$ l'ensemble des vecteurs dont les composantes sont les coefficients diagonaux d'une matrice $M\in\mathcal S_n(\R)$ dont les valeurs propres sont les composantes de $x$. Montrer que $K(x)\subset D(x)$.
On note $A_+$ l'ensemble des matrices diagonales de la forme $\operatorname{Diag}(a_1,\ldots,a_n)$ avec $a_1\geq\cdots\geq a_n>0$.
- Soit $M\in\mathrm{GL}_n(\R)$. Montrer qu'il existe $P\in\mathrm O_n(\R)$ et un unique $\sigma(M)\in A_+$ tels que $M^TM=P\sigma(M)P^T$. Discuter l'unicité de $P$.
- On note $\sigma(M)=\operatorname{Diag}(\sigma_1(M),\ldots,\sigma_n(M))$. On munit $\R^n$ de sa norme euclidienne canonique et $\mathcal M_n(\R)$ de la norme d'opérateur associée. Montrer que $\|M\|_{\mathrm{op}}^2=\sigma_1(M)$.
- On munit $\mathcal A_n(\R)$ du produit scalaire défini par $\langle X,Y\rangle=-\operatorname{Tr}(XY)$. Trouver une base orthonormée $B$ de $\mathcal A_n(\R)$.
- Soit $\phi_M$ définie par $\phi_M(X)=MXM^T$ pour $X\in\mathcal A_n(\R)$, et soit $F_M$ la matrice de $\phi_M$ dans la base $B$. Montrer que $\sigma_1(F_M)=\sigma_1(M)\sigma_2(M)$.
On munit $\R^n$ et $\mathcal S_n(\R)$ de leur structure euclidienne canonique. Pour toute matrice $A\in\mathcal S_n(\R)$, on note $\lambda_{\max}(A)$ sa plus grande valeur propre.
- Montrer que $\lambda_{\max}(A)=\max_{x\in\R^n,\,\|x\|=1}x^TAx$.
- Montrer que la fonction $\lambda_{\max}:\mathcal S_n(\R)\to\R$ est convexe.
- Soient $X$ un espace euclidien et $f:X\to\R$ une fonction convexe. Pour tout $x\in X$, on pose $$\partial f(x)=\{d\in X\mid\forall y\in X,\ f(y)\geq f(x)+\langle d,y-x\rangle\}.$$ Déterminer $\partial f$ pour une fonction convexe $f\in C^1(\R,\R)$ et pour $f:x\in\R\mapsto|x|$.
- Soit $A\in\mathcal S_n(\R)$ telle que $\lambda_{\max}(A)$ soit une valeur propre simple. Soit $v$ un vecteur propre unitaire associé à $\lambda_{\max}(A)$. Montrer que $\partial\lambda_{\max}(A)=\{vv^T\}$. Indication : montrer, pour $H\in\mathcal S_n(\R)$ et $t\in\R$, $$\lambda_{\max}(A)+v^T(tH)v\leq\lambda_{\max}(A+tH) \leq\lambda_{\max}(A)+v^T(tH)v+ \frac{2t^2\|H\|^2}{\lambda_{\max}(A)-\lambda_2},$$ où $\lambda_2$ est la deuxième plus grande valeur propre de $A$.
Soit $E$ un espace euclidien. Pour $f\in\mathcal S(E)$, on pose $\operatorname{Sp}_a(f)=\{|\lambda|\mid\lambda\in\operatorname{Sp}(f)\}$. Soit $j\in\mathcal S(E)$ tel que $j^2=\operatorname{id}$. Un vecteur $x$ est dit $j$-symétrique (resp. $j$-antisymétrique) lorsque $j(x)=x$ (resp. $j(x)=-x$).
- Dans cette question, $E=\R^2$. Déterminer $\operatorname{Sp}_a(j)$ et les vecteurs $j$-symétriques et $j$-antisymétriques possibles pour $j$.
- Donner un exemple d'un couple $(j,f)\in\mathcal S(E)^2$ tel que $j^2=\operatorname{id}$ et que $j\circ f$ ne soit pas diagonalisable.
- Soient $f\in\mathcal S(E)$ et $v$ un vecteur propre de $f$ associé à une valeur propre $\mu$ telle que $|\mu|=\max\operatorname{Sp}_a(f)=\max\operatorname{Sp}_a(j\circ f)$. Montrer qu'il existe un unique couple $(e,h)$ de vecteurs propres de $f$ tel que $v=e+h$, avec $e$ $j$-symétrique et $h$ $j$-antisymétrique.
Soient $S=(s_{i,j})_{1\leq i,j\leq n}\in\mathcal S_n^{++}(\R)$, $T=S^{-1}=(t_{i,j})_{1\leq i,j\leq n}$ et $\Phi(S)=(s_{i,j}t_{i,j})_{1\leq i,j\leq n}$. Montrer que $\Phi(S)$ est dans $\mathcal S_n^{++}(\R)$ et que sa plus petite valeur propre est $1$.
Soit $E$ un espace euclidien orienté et soit $b$ une application bilinéaire de $E\times E$ dans $E$ telle que, pour tout $f\in\mathrm{SO}(E)$, $f(b(u,v))=b(f(u),f(v))$. Que dire de $b$ ?
On munit $\R^2$ d'une norme $\|\cdot\|$, on note $B$ la boule unité fermée et l'on pose $$\Delta=\sup_{(x,y,z)\in B^3} \min(\|x-y\|,\|y-z\|,\|z-x\|).$$
- Montrer que $\Delta$ est atteint.
- Montrer que $\Delta\leq2$.
- Calculer $\Delta$ pour la norme euclidienne canonique.
- Calculer $\Delta$ pour la norme infinie.
- Montrer que $\Delta\geq1$.
Soit $D=\{z\in\C\mid |z|\leq1\}$.
- Soit $f$ une fonction continue de $[0,1]$ dans $[0,1]$. Montrer que $f$ admet un point fixe.
- On admet que, pour toute fonction continue $g:D\to\mathbb U$, il existe une fonction continue $\theta:D\to\R$ telle que $g=\exp(i\theta)$. Montrer qu'il n'existe pas de fonction continue $r:D\to\mathbb U$ dont la restriction à $\mathbb U$ soit l'identité de $\mathbb U$.
- Déduire de la question précédente que toute fonction continue de $D$ dans $D$ admet un point fixe.
- Soit $C$ un convexe fermé de $\R^2$. Est-il vrai que toute fonction continue de $C$ dans $C$ admet un point fixe ?
Soit $A$ l'ensemble des fonctions $f:[0,1]^2\to[0,1]$ telles que $$\forall(u,v)\in[0,1]^2,\quad f(0,v)=f(u,0)=0\text{ et }f(u,1)=u,$$ et, pour tous $0\leq u_1\leq u_2\leq1$ et $0\leq v_1\leq v_2\leq1$, $$f(u_1,v_2)-f(u_1,v_1)\leq f(u_2,v_2)-f(u_2,v_1).$$ Déterminer $h_0,h_1\in A$ tels que, pour tout $f\in A$ et tout $(u,v)\in[0,1]^2$, $h_0(u,v)\leq f(u,v)\leq h_1(u,v)$.
On appelle groupe réel tout ensemble $G$ qui est un sous-groupe de $\mathrm{GL}_n(\R)$ pour un certain $n\in\N^*$. Un groupe réel $G$ est discret si, pour tout $x\in G$, il existe $\varepsilon>0$ tel que $B(x,\varepsilon)\cap G=\{x\}$.
- Soit $G$ un groupe réel connexe par arcs. Montrer que, si $H$ est un sous-groupe de $G$ d'intérieur relatif non vide, alors $H=G$.
- Montrer qu'un groupe réel discret est fermé dans $\mathrm{GL}_n(\R)$.
Soient $d,p\in\N^*$. Soit $f:\R^d\to\R^p$. On munit $\R^d$ et $\R^p$ de leur structure euclidienne canonique. On suppose que, pour tout $x\in\R^d$ et tout $\delta>0$, il existe $\varepsilon>0$ tel que, pour tous $y,z\in B(x,\varepsilon)$, $$\left|\|f(y)-f(z)\|-\|y-z\|\right|\leq\delta\|y-z\|.$$
- Montrer que $f$ est continue.
- Montrer que, pour tous $x,y\in\R^d$, $\|f(x)-f(y)\|\leq\|x-y\|$.
- On suppose $d=p=1$. Montrer que, pour tous $x,y\in\R$, $|f(x)-f(y)|=|x-y|$.
Soit $E=C^0([0,1],\R)$. Une forme linéaire $\phi\in E^*$ est dite positive si, pour tout $f\in E$ à valeurs dans $\R_+$, $\phi(f)\in\R_+$.
- Montrer que toute forme linéaire positive sur $E$ est continue pour $\|\cdot\|_\infty$.
- Soit $\phi$ une forme linéaire sur $E$ continue pour $\|\cdot\|_\infty$. Montrer que $\phi$ est différence de deux formes linéaires positives sur $E$.
Soient $n\geq2$ et $\|\cdot\|$ une norme sur $\mathcal M_n(\C)$. Pour $\varepsilon>0$, on pose $S_\varepsilon=\{g\in\mathrm{GL}_n(\C)\mid\|g-I_n\|\leq\varepsilon\}$.
- Montrer qu'il existe $\varepsilon>0$ tel que $S_\varepsilon$ soit compact et, si l'on note $U$ son intérieur, que le groupe engendré par $U$ soit à la fois ouvert et fermé dans $\mathrm{GL}_n(\C)$.
- On note $S=S_\varepsilon$ pour le $\varepsilon>0$ trouvé en 1 et $\langle S\rangle$ le sous-groupe engendré par $S$. Pour $g\in\langle S\rangle$, on note $$\ell_S(g)=\min\{k\in\N\mid g=g_1^{s_1}\cdots g_k^{s_k},\quad g_i\in S,\ s_i=\pm1\}.$$ Trouver tous les $g\in\langle S\rangle$ tels que $(\ell_S(g^n))_{n\in\N}$ soit bornée.
Soit $n\in\N^*$. On munit $\mathcal M_{n,1}(\R)$ d'une norme $N$. Soit $A\in\mathcal M_n(\R)$. On dit que $A$ est stable si la suite $(A^k)_{k\in\N}$ converge vers la matrice nulle, et contractante pour $N$ s'il existe $c\in]0,1[$ tel que $N(Ax)\leq cN(x)$ pour tout $x\in\mathcal M_{n,1}(\R)$.
- Montrer que si $A$ est contractante pour $N$, alors elle est stable.
- On suppose $A$ stable. Montrer que la série $\sum_{k=0}^{+\infty}(A^k)^TA^k$ converge et que sa somme est dans $\mathcal S_n^{++}(\R)$.
- Montrer que si $A$ est stable, alors $A$ est contractante pour une norme euclidienne bien choisie.
Soit $d$ un entier supérieur ou égal à $2$.
- Existe-t-il $M\in\mathcal M_d(\R)$ telle que $\operatorname{Sp}_{\C}(M)\subset\R$ et que $\{\operatorname{tr}(M^n)\mid n\in\N\}$ soit dense dans $\R$ ?
- Même question lorsque $M$ a exactement deux valeurs propres non réelles. Indication : considérer une énumération des rationnels.
Soit $E$ un espace vectoriel normé de dimension finie. On note $d$ la distance associée à la norme. Soit $f:E\to E$ une application s'annulant en $0$.
- On suppose que $f$ est continue et que, pour tous $(x,y)\in E^2$, $$f\left(\frac{x+y}{2}\right)=\frac{f(x)+f(y)}{2}.$$ Que dire de $f$ ?
-
On suppose dans la suite que $f$ préserve la distance $d$ et est surjective. Montrer que $f$ est linéaire dans les deux cas suivants :
- $E=\R^n$ muni de la norme euclidienne canonique ;
- $E=\R^2$ muni de la norme infinie.
- On revient au cas général. Soient $p,q\in E$ avec $q=-p$. Soit $(X_n)_{n\in\N}$ la suite de parties de $E$ définie par $$X_0=\{e\in E\mid d(e,p)=d(e,q)=d(p,q)/2\},$$ $$X_n=\{e\in X_{n-1}\mid\forall x\in X_{n-1},\ d(e,x) \leq\operatorname{diam}(X_{n-1})/2\},\quad n\in\N^*.$$ Montrer que $0\in X_n$ pour tout $n\in\N$, puis caractériser $\bigcap_{n\in\N}X_n$. Conclure que $f$ est linéaire.
Soit $E$ un espace euclidien de dimension $n\geq2$.
- Montrer que $B(0,1)\setminus\{0\}$ est connexe par arcs.
- Soient $U$ un ouvert connexe par arcs de $E$ et $V$ une partie finie de $E$. Montrer que $U\setminus V$ est connexe par arcs.
- Soient $U$ un ouvert connexe par arcs de $E$ et $V$ une union dénombrable de sous-espaces affines de $E$ de dimension au plus $n-2$. Montrer que $U\setminus V$ est connexe par arcs.
On considère l'espace vectoriel normé des suites réelles sommables, noté $E$, muni de la norme $\|u\|=\sum_{k=0}^{+\infty}|u_k|$.
- Rappeler la définition d'une partie compacte de $E$.
- Montrer que la boule unité fermée $B(0,1)=\{u\in E\mid\|u\|\leq1\}$ n'est pas compacte dans $E$. Une partie $K\subset E$ est dite équisommable si, pour tout $\varepsilon>0$, il existe $n_0\in\N$ tel que, pour tout $u\in K$, $$\sum_{k=n_0}^{+\infty}|u_k|<\varepsilon.$$
Montrer qu'il existe un unique couple $(\alpha,\theta)\in(\R_+^*)^2$ tel que $$\sin\left(\frac{\theta}{n^\alpha}\right) =\frac{\theta}{(n+1)^\alpha}+O\left(\frac{1}{n^{\alpha+2}}\right) \qquad(n\to+\infty).$$
Soient $(c_n)_{n\in\N^*}$ une suite de réels strictement positifs et $p\in\N\setminus\{0,1\}$. Pour $n\in\N^*$, on pose $$x_n=\sqrt[p]{c_1+\sqrt[p]{c_2+\sqrt[p]{\cdots+\sqrt[p]{c_n}}}}.$$ Montrer que la suite $(x_n)_{n\in\N^*}$ converge si et seulement si la suite $\left(\frac{\ln(c_n)}{p^n}\right)_{n\in\N^*}$ est majorée.
Soient $N$ un entier supérieur ou égal à $2$ et $\alpha$ un réel strictement positif. On pose $$S_N=\sum_{m\in\N^*}\frac{1}{m^\alpha} \sin^2\left(\frac{m\pi}{N}\right).$$
- Pour quelles valeurs de $\alpha$ la série définissant $S_N$ est-elle convergente ?
- Déterminer la limite de $S_N$ lorsque $N\to+\infty$.
- Déterminer un équivalent de $S_N$ lorsque $N\to+\infty$ dans le cas où $1<\alpha\leq2$.
- Soient $\alpha\geq0$ et $(d_n)_{n\geq0}$ une suite positive. On suppose que $\sum d_n$ converge. Montrer que $\sum\frac{d_n}{1+n^\alpha d_n}$ converge.
- Soient $\alpha>1$ et $(d_n)_{n\geq0}$ une suite positive. Montrer que $\sum\frac{d_n}{1+n^\alpha d_n}$ converge.
- Soit $(d_n)_{n\geq0}$ une suite positive telle que $\sum d_n$ diverge. Montrer que $\sum\frac{d_n}{1+d_n}$ diverge.
-
Soit $\alpha\in]0,1]$. Montrer l'existence de deux suites positives $(e_n)_{n\geq0}$ et $(f_n)_{n\geq0}$ telles que :
- $\sum e_n$ diverge et $\sum\frac{e_n}{1+n^\alpha e_n}$ diverge ;
- $\sum f_n$ diverge et $\sum\frac{f_n}{1+n^\alpha f_n}$ converge.
Soit $\sigma$ une permutation de $\N^*$.
- Montrer que $$\sum_{n=2}^{+\infty}\frac{1}{\sqrt{n}(\ln n)^{\sigma(n)}}<+\infty$$ et expliciter un majorant de la somme.
- Soit $\alpha\leq2$. Montrer que $$\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{\sigma(n)}{n^\alpha}=+\infty.$$
- Déterminer le nombre de solutions de $ye^y=x$ selon la valeur de $x$.
- Soit $f$ qui à $x\in[-1/e,+\infty[$ renvoie l'unique solution $y\geq-1$ de $ye^y=x$. Montrer que $f$ est de classe $C^1$ sur $]-1/e,+\infty[$.
- Montrer que $f'(x)=\frac{1}{x+e^{f(x)}}$ et en déduire que $f$ est solution de $x(1+y)y'=y$.
- Trouver un développement asymptotique de $f$ en $+\infty$, à deux termes, et montrer que le troisième terme est un $o(1)$.
- Montrer que $f$ est développable en série entière au voisinage de $0$, et trouver son rayon de convergence.
Soit $\beta\geq1$. On considère l'équation $y^\beta=\frac13e^y$. Montrer qu'il existe une unique solution sur $[1,+\infty[$, que l'on note $y(\beta)$, puis déterminer un développement asymptotique de $y(\beta)$ lorsque $\beta$ tend vers $+\infty$.
Soit $f:x\in\R\mapsto x^3$. Soit $T_x$ la fonction polynomiale de degré inférieur ou égal à $2$ définie sur $\R$ telle que $T_x(x)=f(x)$, $T_x'(x)=f'(x)$ et $T_x''(x)=f''(x)$. Que dire de l'ensemble $$\{(y,T_x(y))\mid(x,y)\in\R^2\}?$$
- Montrer que, pour tout $k\in\N$, il existe une fonction $f$ non nulle, de classe $C^k$, à support compact et telle que $f(\Q)\subset\Q$.
- Montrer qu'il existe une fonction $f$ non nulle, de classe $C^\infty$ et à support compact.
- Montrer qu'il existe une fonction $f$ non nulle, de classe $C^\infty$, à support compact et telle que $f(\Q)\subset\Q$.
Soient $a,b\in\R_+^*$. Soit $$E=\{f\in C^2([0,1],\R)\mid f(0)=f(1)=0,\quad \|f'\|_\infty\leq a,\quad\|f''\|_\infty\leq b\}.$$ Calculer $\sup_{f\in E}\|f\|_\infty$.
Soit $f$ une fonction de classe $C^\infty$ de $\R$ dans $\R$.
- Soit $S$ un segment non trivial de $\R$ sur lequel $f$ n'est pas polynomiale. Montrer qu'il existe un sous-segment non trivial $S'$ de $S$ sur lequel $f$ n'est pas polynomiale et ne s'annule pas.
- On suppose que, pour tout $x\in\R$, il existe $n\in\N$ tel que $f^{(n)}(x)=0$. Montrer que $f$ est polynomiale.
- Soit $f\in C^0([0,\pi],\R)$. Montrer que $$\int_0^\pi f(t)\cos(nt)\,dt\xrightarrow[n\to+\infty]{}0.$$
- Déterminer $(a,b)\in\R^2$ tel que, pour tout $n\in\N^*$, $$\int_0^\pi(at^2+bt)\cos(nt)\,dt=\frac{1}{n^2}.$$
- Calculer $\sum_{n=1}^{+\infty}\frac1{n^2}$ et $\sum_{n=1}^{+\infty}\frac1{(2n-1)^2}$.
Soient $a,b\in\R_+^*$ et $k\in\Z$. Calculer $$\int_0^{+\infty}x^{k+\frac12}e^{-ax-\frac bx}\,dx.$$
Soit $f\in C^2(\R,\R)$ telle que $f$ et $f''$ soient de carré intégrable.
- Montrer que $\int_{-\infty}^{+\infty}(f')^2$ converge.
- Montrer que $f$ et $f'$ tendent vers $0$ en $\pm\infty$.
- Montrer que $$\int_{-\infty}^{+\infty}(f')^2\leq \sqrt{\int_{-\infty}^{+\infty}f^2\int_{-\infty}^{+\infty}(f'')^2}.$$
Soit $\alpha>0$. On note $E$ l'ensemble des fonctions $f$ de classe $C^2$ de $\R_+$ dans $\R$ telles que $$J(f)=\int_0^{+\infty}\big((f')^2+\alpha f^2\big)<+\infty.$$
- Montrer que $E$ est un sous-espace vectoriel de $\mathcal F(\R_+,\R)$.
- Montrer que, pour tout $v\in\R$, il existe $x\in E$ tel que $x(0)=v$.
- On fixe $v\in\R$. Déterminer la borne inférieure de $J$ sur l'ensemble des $x\in E$ tels que $x(0)=v$.
Soit $E$ l'ensemble des fonctions $f:\R_+\to[0,1]$ continues par morceaux et telles que $\int_0^{+\infty}f(x)\,dx\leq1$. Pour $f\in E$, on pose $$F(f)=-\int_0^{+\infty}f(x)\ln(x)\,dx.$$
- Montrer que $F(E)=[-\infty,1]$.
- Soit $\varepsilon\in]0,1[$. Caractériser $$G_\varepsilon=\sup\left\{\int_1^{+\infty}f(x)\,dx\mid f\in E\text{ et }F(f)\geq1-\varepsilon\right\}.$$
Trouver une constante $C>0$ telle que, pour toute fonction $f$ continue à support compact de $\R$ dans $\R$, on ait, pour tout $x\in\R$, $$\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{|f(y)|}{\sqrt{|y-x|}}\,dy \leq C\sqrt{\|f\|_\infty\|f\|_1}.$$
- Soit $(f_n)_{n\in\N}$ une suite de fonctions croissantes de $\R$ dans $[0,1]$, tendant toutes vers $0$ en $-\infty$ et vers $1$ en $+\infty$. Montrer que cette suite admet une suite extraite qui converge simplement sur $\R$.
- Soit $(X_n)_{n\in\N}$ une suite de variables aléatoires réelles discrètes. Montrer qu'il existe une extraction $\phi$ telle que $(\E(g(X_{\phi(n)})))_{n\in\N}$ converge pour toute fonction $g:\R\to\R$ continue et nulle en dehors d'un segment.
On note $f$ la fonction indicatrice de l'ensemble $\Q$ des rationnels.
- La fonction $f$ est-elle limite simple sur $\R$ d'une suite de fonctions continues ?
- Existe-t-il une famille $(f_{n,m})_{(n,m)\in\N^2}$ de fonctions continues de $\R$ dans $\R$ telle que, pour tout $x\in\R$, $f(x)=\lim_{n\to+\infty}\lim_{m\to+\infty}f_{n,m}(x)$ ?
Soient $q,n\in\N^*$ et $x_1,\ldots,x_n\in\R$.
- Montrer qu'il existe $p\in\{1,\ldots,q^n\}$ tel que, pour tout $i\in\{1,\ldots,n\}$, $d(px_i,\Z)\leq\frac1q$.
- Soit $(a_n)_{n\geq1}$ une suite de réels positifs. On suppose qu'il existe $x_0\in\R$ tel que la série $\sum a_n/n^x$ converge si et seulement si $x>x_0$. Soit $T>0$. Pour $z\in\C$ vérifiant $\operatorname{Re}(z)>x_0$, on pose $$f(z)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{a_n}{n^z}.$$ On considère $F=\{z\in\C\mid\operatorname{Re}(z)>x_0, \operatorname{Im}(z)\geq T\}$. Montrer que $f$ est bien définie sur $F$ et qu'elle n'y est pas bornée.
Soient $(a_n)_{n\geq0}\in\C^\N$ et $f:x\mapsto\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n$. On pose $$E_c(f)=\left\{z\in\C\mid |z|=1\text{ et } \sum a_nz^n\text{ converge}\right\}.$$
- Montrer que $E_c(f)$ peut être vide, le cercle unité $\mathbb U$ tout entier, ou $\mathbb U\setminus S$ avec $S$ une partie finie. Montrer en revanche que $E_c(f)$ ne peut pas être n'importe quel sous-ensemble de $\mathbb U$.
- On suppose que $a_n\to0$. Montrer qu'il est possible que $E_c(f)=\varnothing$ ou que $E_c(f)=\{1\}$.
Si $n$ est un entier supérieur ou égal à $2$, un élément $\sigma$ de $\mathfrak S_n$ est dit en zigzags si, pour tout $i\in\{2,\ldots,n-1\}$, $\sigma(i)$ n'est pas compris entre $\sigma(i-1)$ et $\sigma(i+1)$. Une permutation en zigzags est dite ascendante si $\sigma(2)>\sigma(1)$, descendante dans le cas contraire.
- Montrer que, si $n\geq2$, il y a autant de permutations en zigzags ascendantes que descendantes.
- Pour $n\geq2$, soit $A_n$ le nombre de permutations de $\{1,\ldots,n\}$ en zigzags et ascendantes. On convient que $A_0=A_1=1$. Pour $n\geq1$, vérifier que $$2A_{n+1}=\sum_{k=0}^n\binom nk A_kA_{n-k}.$$ Soit $f:x\mapsto\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{A_n}{n!}x^n$.
- Montrer que le rayon de convergence de $f$ est supérieur ou égal à $1$.
- En utilisant une équation différentielle, déterminer une expression de $f(x)$.
Soit $E=C^2([0,1],\R)$. Soit $\phi:E\to E$ l'application qui à $f\in E$ associe $$\phi(f):x\in[0,1]\longmapsto\int_0^x sf(s)\,ds +x\int_x^1f(s)\,ds.$$
- Déterminer $\ker(\phi)$ et l'ensemble des valeurs propres de $\phi$, ainsi que les espaces propres associés.
- On pose $P_0=1$ et, pour $n\in\N$, $P_{n+1}=\phi(P_n)$. Déterminer, pour tout $x\in[0,1]$, le rayon de convergence de la série entière $\sum P_n(x)z^n$.
- Déterminer le domaine de définition de $f:x\mapsto\int_0^{+\infty}\frac{dt}{1+t^x}$.
- Déterminer la limite en $+\infty$ et un développement asymptotique à deux termes de $f$ en $+\infty$.
Soient $r>0$ et $G=\{z\in\C\mid |z|=r\}$. Pour $f:G\to\C$ continue, on note $$I(f)=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}f(re^{i\theta})re^{i\theta}\,d\theta.$$
- Calculer $I(z\mapsto z^k)$ et $I\left(z\mapsto\frac1{z-a}\right)$ si $k\in\N$ et $a\in\C\setminus G$.
- Soit $f:\C\to\C$ la somme d'une série entière de rayon de convergence infini. Soit $a\in\C$ avec $|a|<r$. Montrer que $$I\left(z\mapsto\frac{f(z)}{z-a}\right)=f(a).$$
- Soit $M\in\mathcal M_n(\C)$. Montrer que, si $r$ est assez grand, $$e^M=I\left(z\mapsto e^z(zI_n-M)^{-1}\right),$$ où la fonction $I$ est appliquée coefficient par coefficient.
Déterminer un équivalent, quand $\delta\to0$, de $$\exp\left(\sum_{n=1}^{+\infty}(-1)^n \int_\delta^{+\infty}\frac{e^{-n^2t}}{t}\,dt\right).$$
Pour $u:\R\to\R$, on note $(E_u)$ l'équation différentielle $y''+u(t)y=0$.
- Soient $b>a>0$ réels. Montrer qu'il existe une fonction continue $u:\R\to[a,b]$ telle que $(E_u)$ possède une solution non bornée sur $\R$.
- Montrer qu'il existe une fonction continue $u:\R\to\R$, tendant vers $1$ en $+\infty$, telle que $(E_u)$ possède une solution non bornée sur $\R_+$.
Soit $f\in C^0([0,1],\R)$. On considère une solution $y\in C^2([0,1],\R)$ du problème aux limites $$y''-y=f,\qquad y(0)=y(1)=0.$$
- Montrer que la solution $y$ est unique.
- Montrer que $$\int_0^1y^2\leq\frac{1}{(1+\pi^2)^2}\int_0^1f^2.$$
Soient $n\in\N^*$ et $S\in\mathcal S_{2n}^{++}(\R)$. On pose $$J=\begin{pmatrix}0&-I_n\\I_n&0\end{pmatrix}.$$
- Montrer que les solutions sur $\R$ du système différentiel $X'=JSX$ sont bornées.
- Montrer qu'il existe des réels $\lambda_1,\ldots,\lambda_n$ tels que $JS$ soit semblable sur $\C$ à la matrice diagonale de coefficients diagonaux $i\lambda_1,-i\lambda_1,\ldots,i\lambda_n,-i\lambda_n$.
Soient $N:\R_+\to\R_+$ continue et strictement croissante, et $a>0$.
- Montrer que l'application $$L:v\in\R_+^*\longmapsto\int_v^a\frac{dw}{N(w)}$$ est bien définie, de classe $C^1$, injective et possède une limite (finie ou infinie) en $0$. On note cette limite $L(0)$.
-
Soient $T>0$, $u\in C^1([0,T[,\R_+)$, $A\in\R_+$ et $B:[0,T[\to\R_+$ continue et intégrable tels que, pour tout $t\in[0,T[$, $$u(t)\leq A+\int_0^tB(s)N(u(s))\,ds.$$
- On suppose $A>0$. Montrer que, pour tout $t\in[0,T[$, $$-L(u(t))\leq-L(A)+\int_0^tB(s)\,ds.$$
- Expliciter l'inégalité précédente quand $B$ est constante et $N$ est l'identité.
- On suppose $A=0$ et $L(0)=+\infty$. Montrer que $u(t)=0$ pour tout $t\in[0,T[$.
- Étendre ce qui précède au cas où $u$ est seulement continue.
Soient $x,y\in C^1(\R_+,\R)$ telles que $$\begin{cases} x'(t)=-y(t)(1+x(t)y(t))-x^3(t),\\ y'(t)=x(t)(1-x(t)y(t))-y^3(t). \end{cases}$$
- Étudier le comportement asymptotique de $x$ et $y$.
- En posant $X(t)=(x(t),y(t))$, décrire le mouvement.
Soient $m,n\in\N^*$. On munit $\R^m$ de sa structure euclidienne canonique. Soient $A\in\mathcal M_{n,m}(\R)$ et $B\in\R^n$. On pose $S=\{X\in\R^m\mid AX=B\}$ et on suppose $S$ non vide.
- Montrer que $S$ admet un élément de norme minimale et le caractériser géométriquement.
-
Soient $t>0$, $q>1$ et $$f_t:X\in\R^m\longmapsto\frac12\|X\|^2+ \frac tq\|AX-B\|^q.$$
- Montrer que $f_t$ atteint son minimum en un unique point $X_0$.
- Soit $(u_k)_{k\geq1}$ une suite d'éléments de $\R^m$ telle que $f_t(u_k)\to\min f_t$. Que dire de la suite $(u_k)$ ?
On se place dans un $\C$-espace vectoriel $E$ de dimension finie. Soit $f\in\mathcal L(E)$. On pose $\rho=\max\{|\lambda|\mid\lambda\in \operatorname{Sp}(f)\}$.
- Montrer que $f$ est trigonalisable puis que, pour tout $\varepsilon>0$, il existe une base $B_\varepsilon$ de $E$ telle que la matrice $M=\operatorname{Mat}_{B_\varepsilon}(f)$ vérifie $M_{i,j}=0$ si $j<i$ et $|M_{i,j}|<\varepsilon$ si $j>i$.
- En déduire qu'il existe une norme $N_\varepsilon$ sur $E$ telle que $N_\varepsilon(f(x))\leq(\rho+\varepsilon)N_\varepsilon(x)$ pour tout $x\in E$.
- Montrer que le résultat persiste sur $\R$.
- Soient $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien et $f\in\mathrm{GL}(E)$. Montrer que $\phi:x\in E\setminus\{0\}\mapsto f(x)/\|f(x)\|$ est de classe $C^1$ et calculer sa différentielle.
- Quels sont les points fixes de $\phi$ ?
Soient $f:\R^2\to\R$ de classe $C^1$ et $(x_0,y_0)\in\R^2$. On définit, pour $(x,y)\in\R^2$, $$A(x,y)=\int_0^1\frac{\partial f}{\partial x} (x_0+t(x-x_0),y)\,dt,$$ $$B(x,y)=\int_0^1\frac{\partial f}{\partial y} (x_0,y_0+t(y-y_0))\,dt.$$
- Après avoir rappelé les hypothèses de continuité sous le signe intégral, montrer que $A$ et $B$ sont continues.
- Montrer que, pour tout $(x,y)\in\R^2$, $$f(x,y)=f(x_0,y_0)+(x-x_0)A(x,y)+(y-y_0)B(x,y).$$
-
Montrer que si $\phi:\R\to\R$ vérifie les hypothèses suivantes :
- $\phi$ est continue ;
- $f(x,\phi(x))=0$ pour tout $x\in\R$ ;
- $\frac{\partial f}{\partial y}(x,\phi(x))\neq0$ pour tout $x\in\R$ ;
alors $\phi$ est de classe $C^1$.
Soit $\|\cdot\|$ une norme sur $\R^n$. On note $\|\cdot\|_{\mathrm{op}}$ la norme subordonnée sur $\mathcal L(\R^n)$.
- Soient $f:\R^n\to\R^n$ de classe $C^1$ et $U$ un ouvert convexe tels que $\|df(x)\|_{\mathrm{op}}\leq M$ pour tout $x\in U$. Montrer que, pour tous $(x,y)\in U^2$, $\|f(x)-f(y)\|\leq M\|x-y\|$.
- Dans la suite, $f$ est de classe $C^2$ et $U$ n'est plus supposé convexe. On suppose qu'il existe $a\in U$ tel que $f(a)=0$ et $df(a)$ soit inversible. Montrer qu'il existe un ouvert $V\subset U$ contenant $a$ tel que, pour tout $x\in V$, $df(x)$ soit inversible.
- On définit $F:V\to\R^n$ par $F(x)=x-(df(x))^{-1}(f(x))$. Montrer qu'il existe un ouvert non vide $W\subset V$ tel que $F(W)\subset W$ et que, pour toute suite définie par $x_0\in W$ et $x_{k+1}=F(x_k)$, la suite $(x_k)$ converge vers $a$.
- Soit $P\in\R[X]$. On suppose qu'il existe une matrice $A$ telle que $P(A)=0$ et $P'(A)$ soit inversible. On définit au voisinage de $A$ l'application $F:M\mapsto M-(P'(M))^{-1}P(M)$. Montrer qu'il existe un ouvert non vide $W$ tel que, pour toute suite définie par $M_0=M\in W$ avec $AM=MA$ et $M_{k+1}=F(M_k)$, la suite $(M_k)$ converge vers $A$.
On munit $\R^2$ de sa structure euclidienne orientée canonique. On note $S$ la sphère unité, $B$ la boule unité fermée et $r$ la rotation d'angle $\pi/2$. Soient $u:\R^2\to\R^2$ de classe $C^1$ et $x:\R_+\to\R^2$ de classe $C^1$ telles que :
- $x'(t)=u(x(t))$ pour tout $t\in\R_+$ ;
- $\langle u(y),y\rangle<0$ pour tout $y\in\R^2\setminus B$ ;
- $\langle u(y),r(y)\rangle=\|y\|^2$ pour tout $y\in S$ ;
- il existe $e\in S$ tel que $\langle u(e),e\rangle<0$.
Montrer qu'il existe $T\in\R_+$ tel que, pour tout $t\in[T,+\infty[$, $\|x(t)\|<1$.
On munit $\R^n$ de sa structure euclidienne canonique. Soit $f\in C^1(\R^n,\R)$ une fonction minorée. On note $f^*=\inf_{\R^n}f$, $S=\{x\in\R^n\mid\nabla f(x)=0\}$ et $E=\{x\in\R^n\mid f(x)=f^*\}$. On note $(PL)$ la propriété $$\exists\mu>0,\ \forall x\in\R^n,\quad f(x)-f^*\leq\frac{1}{2\mu}\|\nabla f(x)\|^2.$$
- Quel lien y a-t-il entre $S$ et $E$ lorsque $f$ vérifie $(PL)$ ?
- Soit $E'\subset\R^n$ un sous-espace affine. Existe-t-il une fonction $f$ vérifiant $(PL)$ pour laquelle $E=E'$ ? Même question lorsque $E'$ est la sphère unité de $\R^n$.
- On suppose que $f$ vérifie $(PL)$. Montrer que $E$ est connexe par arcs.
Soient $d\in\N^*$, $u:\R^d\to\R^d$ et $\phi:\R\times\R^d\to\R^d$ telles que, pour tout $(t,x)\in\R\times\R^d$, $$\frac{\partial\phi}{\partial t}(t,x)=u(\phi(t,x)),\qquad \phi(0,x)=x.$$ Pour $t\in\R$, on note $\phi_t=\phi(t,\cdot)$. On suppose que $\operatorname{tr}(du(x))=0$ pour tout $x\in\R^d$. Montrer que, pour tout $(t,x)\in\R\times\R^d$, $\det d\phi_t(x)=1$.
Géométrie
On appelle similitude directe de $\C$ une application de $\C$ dans $\C$ de la forme $z\mapsto az+b$ avec $(a,b)\in\C^*\times\C$.
- Montrer que l'ensemble des similitudes directes est un groupe pour la composition.
- Rappeler l'écriture complexe d'une rotation.
- Soient $A_1,A_2,A_3$ des points du plan d'affixes $z_1,z_2,z_3$. Montrer que $A_1A_2A_3$ est un triangle équilatéral direct si et seulement si $z_1+jz_2+j^2z_3=0$.
- Peut-on généraliser pour caractériser un polygone régulier à $n$ côtés ?
On munit $\R^2$ de sa structure affine euclidienne canonique. Pour $v\in\R^2$, soit $t_v$ la translation de vecteur $v$.
- Soit $G$ l'ensemble des bijections de $\R^2$ dans lui-même de la forme $t_v\circ u$ où $u\in\mathrm{GL}_2(\R)$ et $v\in\R^2$. Montrer que $G$ est un sous-groupe du groupe des bijections de $\R^2$ sur lui-même et que, si $(a_1,b_1,c_1)$ et $(a_2,b_2,c_2)$ sont deux triplets de points non alignés de $\R^2$, il existe un unique $g\in G$ tel que $g(a_1)=a_2$, $g(b_1)=b_2$, $g(c_1)=c_2$.
- On appelle ellipse toute image d'un cercle de rayon strictement positif de $\R^2$ par un élément de $G$. Montrer que, pour tout triangle non aplati $T=(a,b,c)$ de $\R^2$, il existe une ellipse tangente aux côtés de $T$ en leurs milieux.
Soit $M\subset\R^2$ une partie du plan contenant au moins deux points. On dit que $M$ vérifie la propriété $(P)$ si, pour tous $P,Q\in M$ avec $P\neq Q$, la droite $(PQ)$ n'intersecte $M$ qu'en $P$ et $Q$. On dit que $M$ est maximale si, pour tout $X\notin M$, $M\cup\{X\}$ ne vérifie plus $(P)$.
- Trouver tous les sous-groupes additifs de $\R^2$ vérifiant $(P)$.
- Montrer qu'il existe une partie dense de $\R^2$ vérifiant $(P)$.
- Montrer que le cercle unité est maximal.
- Soit $\Omega$ un ouvert borné de $\R^2$ tel que la frontière de $\Omega$ vérifie $(P)$. Que dire de $\Omega$ ?
On munit $\R^2$ de sa structure euclidienne standard. Une ellipse est définie comme l'image directe du disque unité fermé par un certain endomorphisme $f$ de $\R^2$, et l'on définit son aire comme $\pi|\det(f)|$. Soit $K$ une partie compacte non vide de $\R^2$.
- Montrer que, parmi les disques fermés contenant $K$, il en existe un et un seul de rayon minimal (éventuellement nul).
- Montrer que, parmi les ellipses contenant $K$, il en existe une d'aire minimale.
Soit $C\subset\R^2$ une partie convexe compacte dont la frontière est une courbe de classe $C^1$. On définit un billard commençant par un point $M$ de la frontière et un vecteur $\vec v$ comme le chemin obtenu en faisant des rebonds chaque fois que la trajectoire touche la frontière, de sorte que les rebonds soient symétriques par rapport à la normale au point de réflexion. Montrer qu'il existe une trajectoire triangulaire périodique. Indication : prendre un triangle dont la somme des longueurs des côtés est maximale.
Probabilités
- On considère trois dés équilibrés dont les faces sont numérotées respectivement par les ensembles $\{18,9,8,7,6,5\}$, $\{17,16,15,4,3,2\}$ et $\{14,13,12,11,10,1\}$, et l'on note $A,B,C$ les résultats de chaque lancer. Calculer $\mathbb P(A>B)$, $\mathbb P(B>C)$ et $\mathbb P(C>A)$. Commenter le résultat.
- On numérote les faces de trois dés à $n$ faces avec les entiers de $1$ à $3n$ et l'on note $A,B,C$ les résultats de chaque lancer. Montrer que l'une des trois probabilités $\mathbb P(A>B)$, $\mathbb P(B>C)$ ou $\mathbb P(C>A)$ est inférieure ou égale à $2/3$.
On considère un tableau de taille $n\times n$, dont on révèle les cases une par une aléatoirement.
- Soient $m\in\N^*$ et $i\in\db{1,n}$. Calculer la probabilité qu'après $m$ étapes, la ligne $i$ n'ait aucune case révélée. La majorer par $(1-1/n)^m$.
- On note $H_n$ le nombre d'étapes nécessaires pour que toute ligne et toute colonne contienne au moins une case révélée. Soit $\varepsilon>0$. Montrer que $\mathbb P(H_n>\lfloor(1+\varepsilon)n\ln n\rfloor)\to0$ lorsque $n\to+\infty$. Déterminer la vitesse de convergence.
- Soit $\varepsilon\in]0,1[$. On note $X_n$ le nombre de lignes ne contenant pas de case révélée à l'instant $\tau=\lfloor(1-\varepsilon)n\ln n\rfloor$. Montrer que $\mathbb E(X_n)\to+\infty$ lorsque $n\to+\infty$.
- Montrer que $\mathbb P(X_n=0)\to0$.
Que dire de deux variables aléatoires réelles discrètes indépendantes $X$ et $Y$ telles que $X+Y$ et $Y$ soient indépendantes ?
Soit, pour $n\in\N^*$, $M_n$ une matrice aléatoire dont les coefficients sont des variables aléatoires i.i.d. suivant la loi de Bernoulli de paramètre $1/2$. Montrer qu'il existe une constante absolue $c>0$ telle que, pour tout $n\in\N^*$, $$\mathbb P(M_n\in\mathrm{GL}_n(\R))\geq c.$$
Soit $R>0$. On choisit aléatoirement un polynôme $P_n\in\C_n[X]$ unitaire de degré $n$, à coefficients indépendants suivant la loi uniforme sur $B(0,R)\cap\Z[i]$. Où se situent les racines de $P_n$ quand $n$ tend vers $+\infty$ ?
On définit, pour une suite de réels $u=(u_i)_{i\geq0}$, la suite de matrices $H(u)$ telle que $H_n(u)=(u_{i+j-2})_{1\leq i,j\leq n}$.
- On suppose que, pour tout $n\in\N$, $u_n=\E(X^n)$, avec $X$ une variable aléatoire réelle discrète admettant un moment de tout ordre. Montrer que toutes les matrices $H_n(u)$ sont symétriques positives. Quel est leur rang ?
- On suppose que $u_0,\ldots,u_{2M-2}$ vérifient $H_M(u)\in\mathcal S_M^{++}(\R)$. Montrer que la suite $u$ peut être prolongée à partir du rang $2M-1$ en une suite infinie telle que, pour tout $n\geq M$, $\operatorname{rg}(H_n(u))=M$.
- On suppose que $H_n(u)\in\mathcal S_n^+(\R)$ pour tout $n\in\N$. Montrer que les seules natures possibles pour la suite $(\operatorname{rg}(H_n(u)))_{n\geq0}$ sont : soit $\operatorname{rg}(H_n(u))=n$ pour tout $n\in\N$ ; soit il existe $M$ tel que $\operatorname{rg}(H_n(u))=n$ pour $n\leq M$, puis cette suite est stationnaire égale à $M$.
Soit $\sigma$ une variable aléatoire suivant la loi uniforme sur $\mathfrak S_m$. Quelle est la loi de la longueur du cycle de $\sigma$ contenant $1$ ?
Soit $p\geq5$ un nombre premier. On admet que le polynôme $X^3-1$ a pour unique racine $1$ dans $\mathbb F_p$ si et seulement si $p\equiv2\pmod3$. On tire une matrice $M$ dans $\mathrm{GL}_3(\mathbb F_p)$ avec la probabilité uniforme. Calculer $\mathbb P(M^3=I_3)$.
Soit $n\in\N^*$. On dit que la matrice $A\in\mathcal M_2(\Z)$ est inversible modulo $n$ s'il existe $B\in\mathcal M_2(\Z)$ telle que, pour tous $(i,j)\in\db{1,2}^2$, $(AB)_{i,j}\equiv\delta_{i,j}\pmod n$.
- Montrer que $A$ est inversible modulo $n$ si et seulement si $\det(A)\wedge n=1$.
- Soient $a,b,c,d$ des variables aléatoires i.i.d. suivant la loi uniforme sur $\db{0,n-1}$, et $M=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}$. Calculer la probabilité que $M$ soit inversible modulo $n$ pour $n=p^k$, avec $p$ premier et $k\in\N^*$.
Soient $n\in\N^*$ et $(a_1,b_1),\ldots,(a_k,b_k),\ldots$ une suite i.i.d. de variables aléatoires suivant la loi uniforme sur $\db{1,n}$. Pour $m\in\N^*$, soit $\sigma_m$ la permutation aléatoire $\sigma_m=(a_1\ b_1)\circ\cdots\circ(a_m\ b_m)$, et soit $\mu_m$ la loi de $\sigma_m$.
- Pour $m\in\N^*$, exprimer $\mu_{m+1}$ en fonction de $\mu_m$.
- À quelle condition sur $m$ a-t-on $\mu_m(\{\sigma\})>0$ pour tout $\sigma\in\mathfrak S_n$ ?
Soient $(X_n)_{n\geq1}$ une suite i.i.d. de variables aléatoires suivant la loi de Poisson de paramètre $\lambda$. Pour $N\in\N^*$, on pose $$S_N=\sum_{i=1}^N\frac{X_i}{i^\alpha},\qquad F_N:x\in\R\longmapsto\mathbb P(S_N\leq x).$$ Montrer que la suite $(F_N)$ converge ; on note $F$ sa limite. Pour quelles valeurs de $\alpha>0$, $\lambda>0$ et $x\geq0$ a-t-on $F(x)>0$ ?
- Soient $a\in]0,1[$ et $b\in\R_+^*$. Montrer qu'il existe $c_{a,b}>0$ tel que, pour toute variable aléatoire $Z$ à valeurs dans $\R_+$ vérifiant $\E(Z)=1$ et $\E(Z^2)\leq b$, on ait $\mathbb P(Z\geq a)\geq c_{a,b}$.
-
Soient $(X_k)_{k\geq1}$ une suite de variables aléatoires i.i.d. suivant la loi de Rademacher et, pour $n\in\N^*$, $S_n=X_1+\cdots+X_n$.
- Montrer que, pour tout $a>0$, il existe $\phi(a)>0$ tel que, pour tout $n$ assez grand, $\mathbb P(S_n/\sqrt n\geq a)\geq\phi(a)$.
- Montrer que $$\mathbb P\left(\left(\frac{S_n}{\sqrt n}\right)_{n\geq1} \text{ est bornée}\right)=0.$$
- Montrer que la fonction $\tau$ qui associe à un entier naturel non nul son nombre de diviseurs positifs vérifie $\tau(mn)=\tau(m)\tau(n)$ pour tous $m,n\in\N^*$ premiers entre eux.
- Trouver un équivalent de $\E(\tau(T_N))$ quand $N\to+\infty$, où $T_N\sim\mathcal U(\db{1,N})$.
- Montrer que $\mathbb P(\tau(T_N)>\ln^3(N))=O(1/\ln^3(N))$ quand $N\to+\infty$.
Soient $p\in\N^*$, $N\in\N$ avec $N\geq2$, et $X_0,X_1,\ldots,X_N$ des variables aléatoires complexes telles que, pour tous $i,j\in\{0,\ldots,N\}$, $$\E(|X_i-X_j|^p)\leq\left(\frac{|i-j|}{N}\right)^2.$$
- Soit $\eta>0$. Donner une majoration de $\mathbb P\left(\max_{1\leq i\leq N}|X_i-X_0|\geq\eta\right)$.
- À partir de quel $p$ cette majoration est-elle pertinente ?
Soit $(p_n)_{n\in\N}\in[0,1]^\N$. Soit $(X_n)_{n\in\N}$ une suite de variables aléatoires indépendantes telle que, pour tout $n\in\N$, $X_n\sim\mathcal B(p_n)$. Montrer l'équivalence entre :
- pour toute distribution de probabilités $(q_i)_{i\geq0}$ sur $\N$, il existe une suite $(g_n)$ de fonctions de $\{0,1\}^{n+1}$ dans $\N$ telle que $(g_n(X_0,\ldots,X_n))$ converge presque sûrement vers une variable aléatoire suivant la loi associée à $(q_i)$ ;
- $\sum_{n=1}^{+\infty}p_n(1-p_n)=+\infty$.
- Soit $p\in]0,1[$. Soit $(X_i)_{i\in\N^*}$ une suite de variables aléatoires i.i.d. suivant la loi géométrique de paramètre $p$. Pour $n\in\N^*$, on note $M_n=\max(X_1,\ldots,X_n)$. Donner un équivalent simple de $\E(M_n)$ quand $n\to+\infty$.
- Soit $(Y_i)_{i\in\N}$ une suite de variables aléatoires i.i.d. suivant la loi de Poisson de paramètre $\lambda>0$. Pour $n\in\N^*$, on note $P_n=\max(Y_1,\ldots,Y_n)$. Montrer que $\E(P_n)=o(\E(M_n))$, puis trouver un équivalent de $\E(P_n)$.
Soient $\beta\in]2,+\infty[$ et $(X_k)_{k\geq1}$ une suite i.i.d. de variables aléatoires telles que, pour tout $m\in\N^*$, $$\mathbb P(X_1=m)=\frac{1}{\zeta(\beta)}\frac{1}{m^\beta}.$$ Pour $n\in\N^*$, soit $M_n=\max(X_1,\ldots,X_n)$. Déterminer un équivalent simple de $\E(M_n)$.
Soient $(p_k)_{k\geq0}\in]0,1[^{\N}$ et $(X_k)_{k\geq0}$ une suite de variables de Bernoulli indépendantes telle que $p_k=\mathbb P(X_k=1)$ pour tout $k\in\N$. Soit $(a_k)_{k\geq0}$ une suite de réels positifs.
- On suppose que $\sum_{k\in\N}a_kp_k<+\infty$. Montrer que, pour tout $A\in\R_+^*$, $$\lim_{n\to+\infty}\mathbb P\left(\sum_{k=0}^na_kX_k\leq A\right)>0.$$
- On suppose que $\sum_{k\in\N}a_kp_k=+\infty$ et que $(a_k)$ est bornée. Montrer que, pour tout $A\in\R_+^*$, $$\lim_{n\to+\infty}\mathbb P\left(\sum_{k=0}^na_kX_k\leq A\right)=0.$$
Soient $X_1,\ldots,X_n$ des variables aléatoires discrètes réelles indépendantes. On suppose que, pour tout $k\in\db{1,n}$, $\E(|X_k|)<+\infty$ et $\E(X_k)\geq0$. On note $S_k=\sum_{i=1}^kX_i$.
- Montrer que, pour tout $C>0$, $$\mathbb P\left(\max(S_1,\ldots,S_n)\geq C\right) \leq\frac{\E(\max(S_n,0))}{C}.$$
- On suppose de plus que, pour tout $k\in\db{1,n}$, $\E(X_k)=0$ et $\E(X_k^2)<+\infty$. Montrer que, pour tout $C>0$, $$\mathbb P\left(\max(|S_1|,\ldots,|S_n|)\geq C\right) \leq\frac{\E(S_n^2)}{C^2}.$$
Soient $X$ et $Y$ deux variables aléatoires à valeurs dans $\N$. On note $X\leq_{\mathrm{st}}Y$ la condition $\forall m\in\N,\ \mathbb P(X\geq m)\leq\mathbb P(Y\geq m)$. Soient $0<p<q<1$ et $n\in\N^*$.
- On suppose que $X\sim\mathcal B(n,p)$ et $Y\sim\mathcal B(n,q)$. Montrer que $X\leq_{\mathrm{st}}Y$.
- Montrer que si $X$ et $Y$ sont à valeurs dans $\N$ et que $k\mapsto\frac{\mathbb P(X=k)}{\mathbb P(Y=k)}$ est décroissante, alors $X\leq_{\mathrm{st}}Y$.
- Soient $X',Y'$ deux variables aléatoires telles que $X'\sim\mathcal B(n,p)$ et $Y'\sim\mathcal B(n,q)$. Soient $X,Y$ des variables aléatoires telles que, pour $k\in\db{1,n}$, $$\mathbb P(X=k)=\frac{\mathbb P(X'=k)}{1-\mathbb P(X'=0)},\qquad \mathbb P(Y=k)=\frac{\mathbb P(Y'=k)}{1-\mathbb P(Y'=0)}.$$ Justifier que de telles variables aléatoires existent. Montrer que $X\leq_{\mathrm{st}}Y$.
Soit $X$ une variable aléatoire à valeurs dans $\N$, et $(X_k)_{k\geq1}$ une suite de variables aléatoires i.i.d. suivant la loi de $X$. Pour $n\in\N$ et $x\in\R_+$, soient $$S_n=\sum_{k=1}^nX_k,\qquad u_n(x)=\mathbb P(S_n\leq nx).$$
- On admet que, si $(a_n)_{n\geq1}$ est une suite réelle sous-additive, alors $(a_n/n)_{n\geq1}$ converge dans $\R\cup\{-\infty\}$. Montrer que, pour tout $x\in\R_+$, la suite $(\sqrt[n]{u_n(x)})_{n\geq1}$ converge vers un élément $v(x)$ de $[0,1]$.
- À quelle condition sur $X$ la fonction $v$ est-elle constante égale à $1$ ?
- On suppose qu'il existe $t\in\R_+^*$ tel que $\E(e^{tX})<+\infty$. Résoudre l'équation $v(x)=1$.
- Soit $h:u\in\R_+\mapsto(1+u)\ln(1+u)-u$. Montrer que $h$ est positive, convexe et en donner un équivalent en $0$.
- Soit $X$ une variable de Poisson de paramètre $\lambda>0$. Montrer que, pour tout $u>0$, $$\mathbb P(X\geq\lambda(1+u))\leq e^{-\lambda h(u)}.$$
Soit $d\in\N^*$. Pour $x=(x_1,\ldots,x_d)$, $y=(y_1,\ldots,y_d)\in\Z^d$, on note $x\preceq y$ si $x_i\leq y_i$ pour tout $1\leq i\leq d$. On dit que $f:\Z^d\to\R$ est croissante si $x\preceq y$ implique $f(x)\leq f(y)$. Soient $f,g$ deux fonctions croissantes et bornées de $\Z^d$ dans $\R$. Montrer que $$\E(f(X_1,\ldots,X_d)g(X_1,\ldots,X_d)) \geq\E(f(X_1,\ldots,X_d))\E(g(X_1,\ldots,X_d))$$ dans chacun des cas suivants :
- $X_1,\ldots,X_d$ sont des variables de Bernoulli indépendantes ;
- $X_1,\ldots,X_d$ sont des variables de Poisson indépendantes.
Soit $X$ une variable aléatoire réelle. On note $F_X:t\in\R\mapsto\mathbb P(X\leq t)$. Pour $q\in]0,1[$, on pose $$C_X(q)=\inf\{t\in\R\mid F_X(t)\geq q\}.$$
- Soit $q\in]0,1[$. Montrer que $C_X(q)$ est bien défini. Calculer $C_X(q)$ pour $X\sim\mathcal B(p)$ avec $p\in]0,1[$.
- Soient $x\in\R$ et $q\in]0,1[$. Montrer que $C_X(q)\leq x$ si et seulement si $q\leq F_X(x)$. En déduire que $$\int_0^1\mathbf 1_{C_X(q)\leq x}\,dq=\mathbb P(X\leq x).$$ En déduire une expression de $\E(X)$ lorsque $X$ est à valeurs dans $\N$.
- Soit $\widetilde C_X(q)=\sup\{t\in\R\mid\mathbb P(X<t)\leq q\}$. Montrer que $C_{-X}(q)=-\widetilde C_X(1-q)$.
On dit qu'une variable aléatoire $X$ à valeurs dans $\Z$ est symétrique si $X\sim-X$. Soit $(X_n)_{n\geq1}$ une suite de variables aléatoires symétriques i.i.d. à valeurs dans $\Z$. Pour $n\geq1$, on pose $S_n=\sum_{i=1}^nX_i$ et, pour $x\in\Z$, $p_n(x)=\mathbb P(S_n=x)$.
- Pour $n,k\geq1$, montrer que $$p_{n+k}(x)=\sum_{y\in\Z}p_n(y)p_k(x-y).$$
- Montrer que l'application $x\mapsto p_{2n}(x)$ atteint un maximum sur $\Z$ en un unique point.
- On suppose maintenant que $X_1\sim\mathcal U(\{-1,1\})$. Montrer que, pour tout $n\geq1$ et tout $x\in\Z$, $$p_n(x)\leq\frac{2}{\sqrt{\pi n}}.$$
Soient $(a_n)_{n\in\N}$ et $(b_n)_{n\in\N}$ des suites telles que, pour tout $n\in\N$, $a_n,b_n\in\db{0,n}$ et $a_n+b_n=n-c$, avec $c\in\N$ fixé. Pour $n\in\N$, soit $V_n$ (resp. $W_n$) un sous-espace vectoriel aléatoire suivant la loi uniforme sur l'ensemble des sous-espaces de $(\Z/p\Z)^n$ de dimension $a_n$ (resp. $b_n$). On suppose que $V_n$ et $W_n$ sont indépendants. Donner une condition nécessaire et suffisante pour que la suite $$\left(\mathbb P(\dim(V_n+W_n)=a_n+b_n)\right)_{n\in\N}$$ converge et déterminer sa limite le cas échéant.
Soient $m,n\in\N^*$, $x_1,\ldots,x_m,y_1,\ldots,y_n\in\R$ avec $x_1<\cdots<x_m$ et $y_1<\cdots<y_n$. Soient $a_1,\ldots,a_m,b_1,\ldots,b_n\in\R_+^*$ tels que $\sum_{i=1}^m a_i=\sum_{j=1}^n b_j=1$. Soient $X,Y$ deux variables aléatoires de lois données par $\mathbb P(X=x_i)=a_i$ et $\mathbb P(Y=y_j)=b_j$. Une matrice de couplage de $X,Y$ est une matrice $P=(p_{i,j})\in\mathcal M_{m,n}(\R)$ telle que $p_{i,j}=\mathbb P(X=x_i,Y=y_j)$ ; on pose $C(P)=\E((X-Y)^2)$ et le couplage est optimal si $P$ minimise $C(P)$.
- Justifier que $C(P)$ ne dépend que de la matrice $P$ et montrer l'existence d'un couplage optimal.
- Justifier que minimiser $\E((X-Y)^2)$ revient à maximiser $\E(XY)$.
- Posons $A_0=B_0=0$, $A_i=a_1+\cdots+a_i$ et $B_j=b_1+\cdots+b_j$. Définissons $I_i=]A_{i-1},A_i]$ et $J_j=]B_{j-1},B_j]$, puis $p^*_{i,j}=|I_i\cap J_j|$. Montrer que la matrice $(p^*_{i,j})$ est l'unique matrice de couplage optimal.
Soient $n\geq2$ et $N\geq2$ deux entiers, et $X_1,\ldots,X_n$ des variables aléatoires réelles indépendantes telles que $X_1+\cdots+X_n$ suive la loi uniforme sur $\db{0,N-1}$. Est-il vrai que les $X_i$ suivent des lois uniformes ?
Soit $p\in[0,1]$, $(X_n)_{n\geq0}$ une suite i.i.d. de variables aléatoires de Bernoulli de paramètre $p$, et $(Y_n)_{n\geq0}$ la suite définie par $Y_0=1$ et, pour $n\in\N$, $$Y_{n+1}=\frac15(Y_n^2+4X_n+2).$$ Pour $n\in\N$, on pose $$F_n:x\in\R\mapsto\mathbb P(\min(Y_1,\ldots,Y_n)\leq x),\qquad G_n:x\in\R\mapsto\mathbb P(\max(Y_1,\ldots,Y_n)\leq x).$$ Montrer que les suites de fonctions $(F_n)$ et $(G_n)$ convergent simplement vers des fonctions de $\R$ dans $\R$ que l'on déterminera.
X MP/MPI xens
Probabilités
Soit $(A_n)_{n\geq1}$ une suite d'événements indépendants telle que $\sum_{n=1}^{+\infty}\P(A_n)=+\infty$. Montrer que, pour tout $\varepsilon>0$, $$\lim_{n\to+\infty}\P\left(\left| \frac{\sum_{i=1}^n\mathbf{1}_{A_i}}{\sum_{j=1}^n\P(A_j)}-1 \right|>\varepsilon\right)=0.$$
- Soit $X$ une variable aléatoire admettant un moment d'ordre $2$. Exprimer $\E((X-a)^2)$ en fonction de $\V(X)$, $\E(X)$ et de $a$.
- Soit $Y$ une variable aléatoire réelle telle que $\E(Y)=1$ et qui admet un moment d'ordre $2$. Pour $\theta\in[0,1]$, montrer que $$\P(Y>\theta)\geq\frac{(1-\theta)^2}{\V(Y)+(1-\theta)^2}.$$
- Caractériser le cas d'égalité.
Soit $X$ une variable aléatoire à valeurs dans $\N$. Pour $k\in\N$, on pose $p_k=\P(X=k)$. On définit, pour $\beta\in\R_+$, $$z(\beta)=\sum_{k=0}^{+\infty}p_ke^{-\beta k},\qquad u_k=\frac{p_ke^{-\beta k}}{z(\beta)}.$$
- Calculer les $u_k$ lorsque $X\sim\mathcal{P}(\lambda)$.
- Montrer que $\beta\mapsto\ln(z(\beta))$ est convexe.
- Soit $X_\beta$ une variable aléatoire de loi $(u_k)$. Montrer que $\beta\mapsto\E(X_\beta)$ est décroissante.
- Pour $\beta\in\R$, on note $m_\beta$ la médiane définie par $$m_\beta=\min\{k\in\N\mid\P(X_\beta>k)\leq1/2\}.$$ Montrer que $\beta\mapsto m_\beta$ est décroissante sur $\R_+$.
Pour $n\in\N^*$, soit $M_n=((M_n)_{i,j})_{1\leq i,j\leq n}$ une matrice symétrique aléatoire dont les coefficients $(M_n)_{i,j}$, pour $i\leq j$, sont i.i.d. de loi de Bernoulli de paramètre $1/2$. On note $\lambda_1(M_n)$ sa plus grande valeur propre.
- Montrer que, pour tout $u\in\R^n$, $$\langle u,M_nu\rangle\leq\lambda_1(M_n)\|u\|^2.$$
- Déterminer le spectre et les vecteurs propres de la matrice $(\E((M_n)_{i,j}))_{1\leq i,j\leq n}$.
- Montrer que, pour tout $\varepsilon>0$, $$\lim_{n\to+\infty}\P\left(\lambda_1(M_n)\geq (\tfrac12-\varepsilon)n\right)=1.$$
- Caractériser les projecteurs orthogonaux de rang $1$.
- Soient $p_1,\ldots,p_k$ des projecteurs orthogonaux de $\R^n$. Soit $(N_r)_{r\geq0}$ une suite de variables aléatoires i.i.d. suivant la loi uniforme sur $\db{1,k}$. Soit $X_0\in\R^n$ et, pour tout $r\in\N$, $$X_{r+1}=p_{N_r}(X_r).$$ Étudier la limite éventuelle de $(\E(\|X_n\|))_{n\geq1}$.
Soient $N\geq2$ et $k\in\N^*$. On considère une grille $N\times N$ formée de petits carrés $1\times1$. Chaque carré est blanc ou noir, indépendamment, avec probabilité $1/2$.
- Soit $A_N$ l'événement « il existe au moins un carré blanc de taille $k\times k$ ». Montrer que $$\P(A_N)\leq 2^{-k^2}N^2.$$
- Déterminer $\E(Y_{k,N})$, où $Y_{k,N}$ est le nombre de carrés blancs de taille $k\times k$.
- Montrer que $$\lim_{N\to+\infty}\frac{\V(Y_{k,N})}{\E(Y_{k,N})^2}=0.$$ On pourra traiter séparément les cas $k=1$ et $k=2$.
Algèbre
Soit $n\geq3$. Montrer que $$\sum_{i=1}^{n-1}(-1)^{i-1}\binom ni(n-i)^{n-2}=n^{n-2}.$$
- Pour $n\geq1$, on note $\pi(n)$ le nombre de nombres premiers inférieurs ou égaux à $n$. Montrer que si $n\geq8$, alors $\pi(n)\leq n/2$.
- Soient $p$ premier et $n,k,\alpha\in\N^*$ tels que $k\leq n$ et $p^\alpha$ divise $\binom nk$. Montrer que $p^\alpha\leq n$.
- Montrer que, pour tout entier $n\geq8$, il existe un nombre premier entre $\lfloor\sqrt n\rfloor+1$ et $n$.
Résoudre l'équation $x^2+x-2=0$ dans $\Z/7\Z$, puis déterminer les entiers $n\geq2$ tels que cette équation admette exactement une solution dans $\Z/n\Z$.
Soit $n\geq2$.
- Soit $\sigma$ une permutation de $\Z/n\Z$. On suppose que $\sigma-\operatorname{id}$ est une bijection. Montrer que $n$ est impair. Que peut-on dire si $\sigma+\operatorname{id}$ est aussi une bijection ?
- On suppose $n$ impair et on note $D_n$ le groupe des isométries linéaires du plan $\C$ qui laissent invariant $\mathbb{U}_n$. Montrer qu'il n'existe pas de permutation $f$ de $D_n$ telle que $g\mapsto gf(g)$ soit aussi une permutation de $D_n$.
- Montrer que $g\mapsto\det g$ est l'unique morphisme non trivial de $D_n$ dans $\{\pm1\}$.
Déterminer le cardinal de l'ensemble $$\left\{(x_k)_{k\geq0}\in\db{0,9}^{\N}\ \middle|\ \forall n\geq0,\ a_n^2\equiv a_n\pmod{10^n},\quad a_n=\sum_{k=0}^{n-1}x_k10^k\right\}.$$
Soient $A$ un anneau fini et $a,b\in A$ tels que $ab^2=b$. Montrer que $bab=b$.
Soit $A$ un anneau tel que, pour tout $x\in A$, il existe $n\in\N^*$ tel que $$x=\sum_{k=2}^{n}x^k.$$
- Déterminer la caractéristique de $A$.
- Montrer que, pour tout $x\in A$, $x^2=x$.
Soit $G$ un groupe fini. On suppose que, pour tout automorphisme $f$ de $G$, il existe $m\in\N^*$ tel que $f(x)=x^m$ pour tout $x\in G$.
- Soient $a,b\in G$ tels que l'ordre de $a$ divise celui de $b$. Montrer que $ab=ba$.
- Écrire $|G|=p_1^{\alpha_1}\cdots p_k^{\alpha_k}$ et poser $$G_i=\{x\in G\mid x^{p_i^{\alpha_i}}=e\}.$$ Montrer que $G_i$ est un sous-groupe commutatif de $G$.
- Pour $i\neq j$, montrer que $xy=yx$ pour tout $(x,y)\in G_i\times G_j$.
- Montrer que $G$ est commutatif.
Soit $G$ un groupe fini.
- Soient $g,h$ deux éléments d'ordres finis $a,b$ qui commutent, avec $a$ et $b$ premiers entre eux. Montrer que $gh$ est d'ordre fini et déterminer cet ordre.
- Montrer que, dans un groupe quelconque, le produit de deux éléments d'ordre fini n'est pas nécessairement d'ordre fini.
- Soit $g\in G$ d'ordre fini $n$, et soit $n=ab$ avec $a,b$ premiers entre eux. Montrer que $g=hh'$ où $h,h'$ commutent et sont d'ordres respectifs $a,b$.
- Y a-t-il unicité du couple $(h,h')$ ?
Soit $p$ un nombre premier et $G$ un sous-groupe de $S_p$ transitif sur $\db{1,p}$. On admet que tout groupe fini dont l'ordre est divisible par $p$ contient un élément d'ordre $p$. On note $\operatorname{Aff}(\F_p)$ le groupe des permutations de $\F_p$ de la forme $x\mapsto ax+b$, avec $a\in\F_p^*$ et $b\in\F_p$. Montrer l'équivalence des conditions :
- Il existe deux éléments distincts $x,y\in\db{1,p}$ tels que le seul élément de $G$ fixant $x$ et $y$ soit l'identité.
- $|G|<p^2$.
- $G$ possède un unique sous-groupe d'ordre $p$.
- Il existe une bijection $\theta:\db{1,p}\to\F_p$ et un sous-groupe $H$ de $\operatorname{Aff}(\F_p)$ tels que $\{\theta\circ g\circ\theta^{-1}\mid g\in G\}=H$.
Soit $G$ un groupe fini. On suppose qu'il existe $a\in G\setminus\{e\}$ et un nombre premier $p$ tels que, pour tout $x\in G$, $$a^{-1}xa=x^{p+1}.$$
- Montrer que $(xy)^p=y^px^p$ pour tous $x,y\in G$, puis en déduire que $ay^p=y^pa$ pour tout $y\in G$.
- On admet que si un nombre premier $q$ divise $|G|$, alors $G$ possède un élément d'ordre $q$. Montrer que $|G|$ est une puissance de $p$.
- Soient $f:x\mapsto x^p$ et $H=\{x\in G\mid x^p=e\}$. Montrer que $|f(G)|=|G|/|H|$.
- Montrer que $|G|<|H|^2$.
Soit $P\in\C[X]$. On écrit $P=A+iB$, avec $A,B\in\R[X]$. On suppose que les racines de $P$ sont dans le demi-plan $\operatorname{Im}(z)>0$. Montrer que $A$ et $B$ sont scindés sur $\R$.
Soit $n\in\N^*$.
- Montrer qu'il existe un polynôme $P\in\R[X]$ de degré $2n-1$ tel que, pour tout $\theta\in]0,\pi[$, $$\frac{\sin(4n\theta)}{\cos\theta\sin\theta}=P(\cos^2\theta).$$
- Calculer $\displaystyle\prod_{k=1}^{2n-1}\cos\left(\frac{k\pi}{4n}\right)$.
- Calculer $\displaystyle\prod_{k=1}^{n}\cos\left(\frac{(2k-1)\pi}{4n}\right)$.
Pour $\sigma\in S_n$, on note $$\operatorname{Inv}(\sigma)=\operatorname{Card}\{(i,j)\in\db{1,n}^2\mid i<j\text{ et }\sigma(i)>\sigma(j)\}.$$ Pour $k\in\N$, on pose $P_k=\sum_{i=0}^kX^i$.
- Montrer que $$\sum_{\sigma\in S_n}X^{\operatorname{Inv}(\sigma)} =\prod_{k=1}^{n-1}P_k.$$
- Soient $p$ premier et $k\in\db{1,p-1}$. Simplifier $P_{p-1}(e^{2ik\pi/p})$.
- Exprimer le cardinal de $\{\sigma\in S_n\mid (n+1)\mid \operatorname{Inv}(\sigma)\}$.
Soit $L\geq3$ et $f\in\Z[X]$ de degré $d>0$, de coefficient constant $-1$ et de coefficient dominant $a_d>0$. Montrer que l'ensemble $$\{p\in\mathbb{P}\mid p\not\equiv1\ [L],\ \exists m\in\Z,\ f(m)\equiv0\ [p]\}$$ est infini.
Soient $a\geq3$ et $P=X^2+X+a$. On suppose que, pour tout $n\in\db{0,a-2}$, $P(n)$ est premier. Soit $k\in\db{0,a-2}$.
- Montrer que si $k+1$ est un carré, alors $P(a+k)$ n'est pas premier.
-
Réciproquement, on suppose que $P(a+k)$ n'est pas premier.
- Montrer que son plus petit facteur premier $p$ vérifie $p\geq a$.
- Montrer que $P(a+k-p)=p$.
- Conclure.
Soit $(x_n)_{n\in\N}\in\R^\N$ telle que $x_0,x_1>0$ et $$x_{n+1}x_{n-1}=1+x_n^2\qquad(n\geq1).$$
- Montrer que $(x_n)$ ne peut pas être périodique.
- Montrer qu'il existe $\alpha>0$ et $\beta>1$ tels que $x_n\sim\alpha\beta^n$.
- On pose $Q_0=i$, $Q_1=iX$ et, pour tout $n\geq1$, $Q_{n+1}Q_{n-1}=1+Q_n^2$. Montrer que, pour tout $n$, $Q_n\in i\Z[X]$.
- Montrer l'existence et l'unicité d'une famille de polynômes de $\Q[q]$, notés $\binom nk_q$, vérifiant $$\binom n0_q=\binom nn_q=1,\qquad \binom nk_q=\binom{n-1}k_q+q^{n-k}\binom{n-1}{k-1}_q =q^k\binom{n-1}k_q+\binom{n-1}{k-1}_q.$$ On pourra les exprimer en fonction des $\binom n1_q$, notés $[n]_q$.
- Montrer que $$(X+Y)(X+qY)\cdots(X+q^{n-1}Y) =\sum_{k=0}^n q^{k(k-1)/2}\binom nk_qX^{n-k}Y^k.$$
Soit $P\in\Z[X]$ unitaire de degré $d\geq1$, de racines complexes $\lambda_1,\ldots,\lambda_d$, toutes de module au plus $1$. On pose $f_n=\lambda_1^n+\cdots+\lambda_d^n$ pour $n\in\N$.
- Montrer que $f_n\in\Z$ pour tout $n$, puis qu'il existe $p\geq1$ et $n_0\in\N$ tels que $f_{n+p}=f_n$ pour tout $n\geq n_0$.
- En déduire que, pour tout $k\in\db{1,d}$, $\lambda_k=0$ ou $|\lambda_k|=1$.
Soit $M\in\mathcal{M}_2(\R)$ telle que $$\det(M^{2024}-I_2)=\det(M^{2024}+I_2),\qquad \det(M^{2026}-I_2)=\det(M^{2026}+I_2).$$ Montrer que, pour tout $n\geq1$, $$\det(M^n-I_2)=\det(M^n+I_2).$$
Soient $A,B\in\mathcal{M}_2(\R)$ tels que $(A-B)^2=0$.
- Montrer que $\det(A^2-B^2)=(\det A-\det B)^2$.
- Montrer que $\det(AB-BA)=0$ si et seulement si $\det A=\det B$.
Soit $A\in\operatorname{GL}_2(\R)$ telle que $$\det(A+A^{-1})+\det(A-A^{-1})=4.$$ Montrer que $\det(A+A^{-1})=(\operatorname{Tr}A)^2$.
Soient $A\in\operatorname{GL}_4(\R)$ et $B\in\mathcal{M}_4(\R)$ tels que $AB=BA$ et $\det(A^2-AB+B^2)=0$. Montrer que $$\det(A+B)+3\det(A-B)=6(\det A+\det B).$$
Soient $n\geq2$, $A,B\in\mathcal{M}_n(\Z)$ et $p$ un nombre premier. Montrer que $$\operatorname{Tr}((A+B)^p)\equiv\operatorname{Tr}(A^p)+ \operatorname{Tr}(B^p)\pmod p.$$
Pour $A\in\mathcal{M}_n(\Z)$, on note $\varphi(A)$ le pgcd de ses coefficients.
- Soient $A,B\in\mathcal{M}_n(\Z)$. Trouver une relation entre $\varphi(AB)$ et $\varphi(A)\varphi(B)$.
- Montrer que $\varphi(AB)$ divise $\det(A)\varphi(B)$.
- Soit $\alpha\in\Z$ et $A^2-\alpha A+I_n=0$. Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $\varphi(A^k-I_n)\to_{k\to+\infty}+\infty$.
- Montrer que $\operatorname{SL}_n(\Q)$ ne peut pas être engendré par un nombre fini d'éléments.
- Montrer que $\operatorname{SL}_n(\Q)$ est dense dans $\operatorname{SL}_n(\R)$.
- Montrer que $(S,T)$ engendre $\operatorname{SL}_2(\Z)$, où $$S=\begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix},\qquad T=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}.$$
Soient $A,B\in\mathcal{M}_n(\C)$ telles que $A^2+B^2=2AB$.
- Montrer que $AB-BA$ n'est pas inversible.
- On suppose $\operatorname{rg}(A-B)=1$. Montrer que $AB=BA$.
Soient $A,B\in\mathcal{M}_n(\R)$. Montrer que $\operatorname{rg}(A)=\operatorname{rg}(B)$ si et seulement s'il existe $P,Q,R\in\operatorname{GL}_n(\R)$ tels que $AP+QB=ARB$.
-
Soit $M\in\mathcal{M}_n(\C)$ telle que $\operatorname{rg}(M^2)\neq\operatorname{rg}(M)$. Montrer qu'il existe $A\in\mathcal{M}_n(\C)\setminus\{0\}$ telle que $AM=MA=A^2=0$ :
- dans le cas $n=2$ ;
- dans le cas où $M$ est nilpotente ;
- dans le cas général.
- Le résultat subsiste-t-il pour $M\in\mathcal{M}_n(\R)$ telle que $\operatorname{rg}(M)\neq\operatorname{rg}(M^2)$ ?
Pour $A,B\in\mathcal{M}_2(\C)$, on pose $[A,B]=AB-BA$.
- Soient $X,Y,Z\in\mathcal{M}_2(\C)$. Montrer que $[X,[Y,Z]^2]=0$.
- A-t-on nécessairement $[X,[Y,Z]]=0$ ?
- Expliciter le sous-espace vectoriel engendré par $\{[X,[Y,Z]]\mid X,Y,Z\in\mathcal{M}_2(\C)\}$.
Soient $n,p\in\N\setminus\{0,1\}$ et $E=\{A_1,\ldots,A_p\}\subset\mathcal{M}_{2n}(\C)$ tel que $AB\in E$ pour tous $A,B\in E$. Montrer qu'il existe $(\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_p)\in\{0,1,-1\}^p\setminus\{0\}$ tel que $\operatorname{rg}(\sum_{i=1}^p\varepsilon_iA_i)\leq n$. On suppose le contraire.
- Pour $A\in E$, montrer que $M\mapsto AM$ est injective sur $E$.
- Pour $A\in E$, montrer que $\operatorname{rg}(A-I_{2n})\leq n$. Indication : considérer $S=\sum_{i=1}^pA_i$.
- Conclure.
Soit $n\geq1$. On munit $\R^n$ de sa structure euclidienne canonique et on pose $$J=\begin{pmatrix}I_n&0\\0&-1\end{pmatrix},\qquad G=\{M\in\mathcal{M}_{n+1}(\R)\mid M^TJM=J\}.$$
- Montrer que $G$ est un sous-groupe de $\operatorname{GL}_{n+1}(\R)$, stable par transposition.
- Posons $H=\{(X,z)\in\R^n\times\R\mid z^2-\|X\|^2=1\}$ et $a_0=(0_{\R^n},1)$. Montrer que, pour tout $a\in H$, il existe $g\in G$ tel que $ga_0=a$.
- Soit $g\in G$, écrit par blocs $g=\begin{pmatrix}M&X\\Y^T&z\end{pmatrix}$. Montrer que $z\geq1$. On note $L(g)$ l'unique réel positif tel que $\cosh(L(g))=z$. Caractériser les $g$ tels que $L(g)=0$.
- Montrer que, pour tous $g,h\in G$, $L(g)=L(g^{-1})$ et $L(gh)\leq L(g)+L(h)$.
Soit $p$ un nombre premier impair.
- Soient $n\in\N$, $P\in\C[X]$ dont les racines sont de module $1$ et $Q\in\Z[X]$ unitaire de degré $n$. Montrer que si $$P(X)=p^nQ\left(\frac{X-1}{p}\right),$$ alors $P(X)=(X-1)^n$.
- Montrer que $\operatorname{GL}_n(\Z)$ est un groupe et que $$\operatorname{GL}_n(\Z)=\{M\in\mathcal{M}_n(\Z)\mid\det M=\pm1\}.$$
- Soient $A,B\in\operatorname{GL}_n(\Z)$ congruentes coefficient par coefficient modulo $p$. Montrer qu'il existe $M\in\mathcal{M}_n(\Z)$ telle que $AB^{-1}=I_n+pM$.
- Montrer que si $A$ et $B$ appartiennent à un même sous-groupe fini de $\operatorname{GL}_n(\Z)$, alors $A=B$.
Soit $M\in\operatorname{GL}_n(\C)$. Montrer qu'il existe $A\in\operatorname{GL}_n(\C)$ tel que $M=A^2$. Est-ce encore vrai dans $\operatorname{GL}_n(\R)$ ?
Soient $E$ un $\C$-espace vectoriel de dimension finie $d$ et $u\in\mathcal{L}(E)$. Montrer que si la suite $(\operatorname{Tr}(u^n))_{n\in\N}$ est bornée, alors elle est bornée par $d$.
Soient $n\geq2$, $a,b\in\C$ avec $a\neq0$ et $b^k\neq1$ pour tout $k\in\db{1,n}$. Soient $A,B\in\mathcal{M}_n(\C)$ telles que $AB=aI_n+bBA$.
- Montrer que $A$ et $B$ sont inversibles.
- Que peut-on dire du spectre de $AB$ ?
Soit $A\in\mathcal{M}_n(\C)$. On pose $$\sin(A)=\sum_{k=0}^{+\infty}\frac{(-1)^kA^{2k+1}}{(2k+1)!}.$$
- Quelles sont les matrices réelles diagonalisables qui s'écrivent $\sin(A)$ avec $A\in\mathcal{M}_n(\R)$ ?
- Quelles sont les matrices de $\mathcal{M}_n(\C)$ qui s'écrivent $\sin(A)$ avec $A\in\mathcal{M}_n(\C)$ ?
Soient $n\geq3$ et $(a,b)\in\C^2$ avec $b\neq0$. Pour $k\in\db{1,n-1}$, on pose $$A_k=\operatorname{diag}(I_{k-1},H,I_{n-k-1}),\qquad H=\begin{pmatrix}a&b\\(1-a^2)/b&-a\end{pmatrix}.$$
- Pour $|k-k'|\neq1$, déterminer le cardinal du sous-groupe de $\operatorname{GL}_n(\C)$ engendré par $A_k,A_{k'}$.
- Trouver un vecteur propre commun à tous les $A_k$.
- Montrer que ce vecteur n'est inclus dans aucun plan de $\C^n$ stable par tous les $A_k$.
Soit $n\geq2$.
- Déterminer les couples $(A,B)\in\mathcal{M}_n(\C)^2$ tels que $AB=BA^2$, $\operatorname{Sp}(A)\subset\R$, et $A^2,B$ n'ont pas de vecteur propre commun.
- Que se passe-t-il si l'on enlève la condition $\operatorname{Sp}(A)\subset\R$ ?
- Déterminer les couples $(A,B)$ tels que $AB=BA^2$, $B$ inversible et $A$ nilpotente.
- Soit $A$ telle que $\operatorname{Sp}(A)=\{1\}$. Existe-t-il $B$ inversible telle que $AB=BA^2$ ?
Soit $A\in\mathcal{M}_n(\C)$ diagonalisable. On pose $$C(A)=\{M\in\mathcal{M}_n(\C)\mid AM=MA\},$$ et $$C(C(A))=\{N\in\mathcal{M}_n(\C)\mid MN=NM\text{ pour tout }M\in C(A)\}.$$
- Montrer que $C(C(A))=\C[A]$.
- Trouver une condition nécessaire et suffisante pour que $C(C(A))=C(A)$.
- Montrer que $$2n-\dim C(A)\leq\dim C(C(A))\leq n\leq\dim C(A).$$
- On ne suppose plus $A$ diagonalisable, mais nilpotente non nulle avec $n=2$. Montrer que $C(A)=\C[A]$.
Soit $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien de dimension $n\geq2$. Déterminer les fonctions continues $f:E\to\R$ telles que $$\langle x,y\rangle=0\Longrightarrow f(x+y)=f(x)+f(y).$$
On munit $\R^n$ de sa structure euclidienne canonique. Soient $a,b>0$ et $x,y\in\R^n$.
- On suppose $\langle by-x,x-ay\rangle\geq0$. Montrer que $$\|x\|\|y\|\leq\frac{a+b}{2\sqrt{ab}}|\langle x,y\rangle|.$$
- On suppose qu'il existe $m_1,m_2,M_1,M_2>0$ tels que $x_i\in[m_1,M_1]$ et $y_i\in[m_2,M_2]$ pour tout $i$. Montrer que $$\langle x,y\rangle\geq \frac{2\sqrt{m_1m_2M_1M_2}}{\sqrt{M_1M_2} + \sqrt{m_1m_2}}\|x\|\|y\|.$$
- Montrer que $\langle by-x,ay-x\rangle\leq0$ si et seulement si $$\left\|x-\frac{a+b}{2}y\right\| \leq\frac{|b-a|}{2}\|y\|.$$
- Montrer que si $\langle by-x,x-ay\rangle\geq0$, alors $$\|x\|^2\|y\|^2-\langle x,y\rangle^2 \leq\frac{(b-a)^2}{4}\|y\|^4.$$
On se place dans $\R^d$ muni de sa structure euclidienne canonique. Soient $E,F$ deux sous-espaces vectoriels de $\R^d$, et $A,B$ les matrices des projections orthogonales sur $E,F$. Montrer qu'il existe $Q\in\mathcal{M}_d(\R)$ et $\alpha\in]0,1[$ tels que, pour tout $v\in\R^d$ vérifiant $\|v\|\leq1$ et tout $n\in\N$, $$\|(AB)^nv-Qv\|\leq\alpha^n.$$
- Soient $E$ un espace vectoriel réel, $n\geq1$ et $f_1,\ldots,f_n\in\mathcal{L}(E,\R)$. Pour $f\in\mathcal{L}(E,\R)$, montrer que $f\in\operatorname{Vect}(f_1,\ldots,f_n)$ si et seulement si $\ker f_1\cap\cdots\cap\ker f_n\subset\ker f$.
- Pour $n\geq1$, on note $L_n(X)$ la dérivée $n$-ième de $(X^2-1)^n$. Montrer que, pour tout $Q\in\R_{n-1}[X]$, $$\int_{-1}^1L_n(x)Q(x)\,dx=0,$$ puis que $L_n$ est simplement scindé à racines dans $]-1,1[$.
- Notons $-1<x_1<\cdots<x_n<1$ les racines de $L_n$. Montrer qu'il existe $a_1,\ldots,a_n\in\R$ tels que, pour tout $Q\in\R_{2n-1}[X]$, $$\int_{-1}^1Q(x)\,dx=\sum_{i=1}^na_iQ(x_i).$$
- Soient $A=\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}$ et $B=\begin{pmatrix}1&0\\0&5\end{pmatrix}$. Existe-t-il $P\in\operatorname{GL}_2(\Q)$ telle que $B=P^TAP$ ?
- Même question avec $B=\begin{pmatrix}1&0\\0&6\end{pmatrix}$.
- Même question avec $A=\begin{pmatrix}5&0\\0&11\end{pmatrix}$ et $B=\begin{pmatrix}1&0\\0&55\end{pmatrix}$.
Soit $P=\begin{pmatrix}A&B\\C&D\end{pmatrix}\in\mathcal{M}_n(\R)$, où $A\in\mathcal{M}_r(\R)$, $D\in\mathcal{M}_{n-r}(\R)$, et supposons $P=P^2=P^T$.
- Montrer que $A$ est symétrique positive.
- Montrer que $\operatorname{Im}B\subset\operatorname{Im}A$.
- Montrer qu'il existe une unique matrice $A^+$ telle que $A,A^+$ commutent, $A^+A$ soit la matrice du projecteur orthogonal sur $\operatorname{Im}A$, et $A^+AA^+=A^+$.
- Montrer que $Q=I_{n-r}-D+B^TA^+B$ est la matrice du projecteur orthogonal sur $\operatorname{Im}(I_{n-r}-D)$.
Soit $n\in\N$. Déterminer les formes linéaires $\ell$ sur $\mathcal{M}_n(\R)$ telles que, pour tout $M\in\mathcal{M}_n(\R)$ et $P\in O_n(\R)$, $\ell(PMP^{-1})=\ell(M)$.
- Soit $A\in\mathcal{M}_n(\R)$ trigonalisable sur $\R$. Montrer que $\operatorname{Sp}(A)\subset\R_{-}^{*}$ si et seulement s'il existe un produit scalaire $\langle\cdot,\cdot\rangle$ sur $\R^n$ et $c<0$ tels que $\langle Ax,x\rangle\leq c\langle x,x\rangle$ pour tout $x$.
- Soit $A\in\mathcal{M}_n(\R)$. Montrer que $\operatorname{Re}(\lambda)<0$ pour tout $\lambda\in\operatorname{Sp}_{\C}(A)$ si et seulement s'il existe un produit scalaire et $c<0$ tels que la même inégalité soit vérifiée pour tout $x\in\R^n$.
Soit $A\in\mathcal{M}_n(\R)$. Montrer que $AA^T=A^TA$ si et seulement si $A^2A^T=AA^TA$.
Analyse
Soit $B\subset\R_+$ non majorée. Montrer que $$\left\{\frac{n}{x}\mid n\geq1,\ x\in B\right\}$$ est dense dans $\R_+$.
Soient $X$ une partie compacte d'un espace vectoriel normé et $f:X\to X$ continue. Pour $x\in X$, on pose $$\omega(f,x)=\bigcap_{n\in\N}\{f^k(x)\mid k\geq n\}.$$
- On suppose qu'il existe $x$ tel que $\omega(f,x)=X$. Montrer que $f$ est transitive : pour tous ouverts non vides $U,V$ de $X$, il existe $n\in\N$ tel que $f^n(U)\cap V\neq\varnothing$.
- On suppose que $\omega(f,x)$ est fini et non vide. Montrer que $f$ induit sur $\omega(f,x)$ une permutation cyclique.
Soit $A\in\mathcal{M}_2(\R)$ et $S(A)=\{PAP^{-1}\mid P\in\operatorname{GL}_2(\R)\}$.
- Si $A$ est diagonalisable, montrer que $S(A)$ est connexe par arcs.
- Si $\operatorname{Sp}_{\C}(A)\subset\R$ et $A$ n'est pas diagonalisable, montrer que $S(A)$ n'est pas connexe par arcs.
- Si $\operatorname{Sp}_{\C}(A)\subset\C\setminus\R$, montrer que $S(A)$ n'est pas connexe par arcs.
- Qu'en est-il dans $\mathcal{M}_3(\R)$ ?
Soient $n\geq2$ et $A\in\mathcal{M}_n(\C)$. On pose $d(A)=\dim(\C[A])$.
- Quelles valeurs peut prendre $d(A)$ ?
- Soit $P\in\C[X]$. Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $d(P(A))=d(A)$.
- Étudier les propriétés topologiques de l'ensemble $E_k=d^{-1}(k)$.
Soit $(u_n)\in(\R_+^*)^\N$ telle que $u_{n+1}=|u_n-n|$ pour tout $n\in\N^*$. Trouver un équivalent de $u_n$.
Soit $(x_n)_{n\geq1}$ une suite réelle telle que $x_1,x_2\in]0,1[$ et $$x_{n+2}=\frac{x_n^2}{x_{n+1}-x_n^2+1}.$$
- Montrer que $(x_n)$ converge et déterminer sa limite.
- Montrer que $(x_1\cdots x_n)$ converge et déterminer sa limite.
- Montrer que $(\sqrt n\,x_1\cdots x_n)$ converge et déterminer sa limite.
- Si $1-x_n\sim\alpha/n$, la suite $(\sqrt n\,x_1\cdots x_n)$ converge-t-elle nécessairement ?
Soit $f\in C^0([0,1],[0,1])$. On définit $u_0\in[0,1]$ et $u_{n+1}=f(u_n)$. On suppose que $u_{n+1}-u_n\to0$. Montrer que $(u_n)$ converge.
Soit $f:[-1,1]\to[-1,1]$, $f(x)=2x^2-1$.
- Montrer qu'il existe $x\in[-1,1]$ tel que l'ensemble des valeurs d'adhérence de la suite définie par $x_0=x$ et $x_{n+1}=f(x_n)$ soit égal à $[-1,1]$.
- Montrer que l'ensemble des $x$ vérifiant cette propriété est dense dans $[-1,1]$.
Pour $x,y>0$, on définit $d(x,y)=|x-y|$ et $h(x,y)=|\ln x-\ln y|$.
- Pour $x>0$ et $(x_n)\in(\R_+^*)^\N$, montrer que $d(x_n,x)\to0$ si et seulement si $h(x_n,x)\to0$.
- Soient $a,b,c,d>0$ et $T(x)=(c+dx)/(a+bx)$. Montrer que $T(\R_+^*)$ est inclus dans un compact de $\R_+^*$.
- Pour $x\neq x'$ positifs, poser $\lambda=h(a/c,b/d)$, $y=T(x)$ et $y'=T(x')$. Montrer que $$\frac{h(y,y')}{h(x,x')}\leq\tanh(\lambda/4).$$
- Pour $x>0$, poser $x_0=x$ et $x_{n+1}=T(x_n)$. Montrer que $(x_n)$ converge vers l'unique point fixe de $T$.
- Soit $u_{n+1}=e^{u_n}/(n+1)$, avec $u_0\in\R$. Quelle est la nature de la série de terme général $u_n$ ?
- Soit $u_{n+1}=e^{u_n}/(n+1)^2$, avec $u_0\leq0$. Quelle est la nature de la série de terme général $u_n$ ?
On pose $$\alpha=4\sum_{k=0}^{499999}\frac{(-1)^k}{2k+1}.$$ Montrer qu'exactement une des 16 premières décimales de $\alpha$ diffère de la décimale correspondante de $\pi$.
Résoudre dans $\R$ l'équation $$\frac{\ln(6^x+1)}{\ln7}=\frac{\ln(7^x-1)}{\ln6}.$$
Soient $f,g:[0,1]\to[0,1]$. On suppose que $g$ est monotone et surjective et que $|f(x)-f(y)|\leq|g(x)-g(y)|$ pour tous $x,y\in[0,1]$.
- Montrer qu'il existe $x_0\in[0,1]$ tel que $f(x_0)=g(x_0)$.
- Montrer que $\{x\in[0,1]\mid f(x)=g(x)\}$ est un segment.
Soit $T\geq2$ et $f:\Z\to\R$ une fonction $T$-périodique telle que, pour tout $n\geq1$ et $k\in\Z$, $$\sum_{i=-n}^{n-1}f(i+k)\leq\sum_{i=-n}^{n-1}f(i).$$
- Si $T$ est impair, montrer que $f$ est constante.
- Donner un exemple non constant lorsque $T$ est pair.
Soit $f:\R\to\R$ sous-additive : $f(x+y)\leq f(x)+f(y)$.
- On suppose qu'il existe $\delta>0$ et $\varphi:] -\delta,\delta[\to\R$ telle que $\varphi(0)=0$, $\varphi$ dérivable en $0$ et $f\leq\varphi$. Montrer qu'il existe $a\in\R$ tel que $f(x)=ax$ pour tout $x$.
- On suppose qu'il existe $x_0,y_0>0$ tels que $f(x_0),f(-y_0)\leq0$ et $x_0/y_0\in\Q$. Montrer que $f$ est périodique.
- Construire une fonction avec $f(x_0),f(-y_0)\leq0$ pour certains $x_0,y_0>0$, mais qui n'est pas périodique.
Soit $f\in C^2(\R,\R_+)$ telle que $ff''-(f')^2\geq0$. Montrer que si $f$ s'annule en un point, alors $f=0$.
Soit $I$ un intervalle de $\R$. On dit que $f:I\to I$ vérifie $P$ si, pour tous $x,y\in I$, $f_n(x)-f_n(y)\to0$, où $f_n$ est la $n$-ième itérée de $f$. Pour $f(x)=x+1/x$ sur $\R_+^*$, $f$ admet-elle un point fixe ? Vérifie-t-elle $P$ ?
Déterminer tous les couples $(f,g)$ de polynômes trigonométriques réels tels que $f^2+g^2=1$.
Soit $f:\R\to\R$ et $g(x)=2f(x)+f(-x)$.
- On suppose $g$ continue en $0$ et $f$ bornée au voisinage de $0$. Montrer que $f$ est continue en $0$.
- Trouver une fonction $f$ discontinue en $0$ telle que $g$ soit continue.
Soit $$F=\{f\in C^0(\R,\R)\mid e^{f(x)}+f(x)\geq x+1\text{ pour tout }x\in\R\}.$$ Calculer $\displaystyle\inf_{f\in F}\int_0^e f$.
On appelle polynôme trigonométrique complexe toute combinaison linéaire complexe des fonctions $e_k:x\mapsto e^{ikx}$, $k\in\Z$. Déterminer les polynômes $H$ tels que $H(\R)\subset\R$ et $\cos\circ H$ soit un polynôme trigonométrique.
- Déterminer les endomorphismes $T$ de $\R[X]$ qui commutent avec la dérivation et avec la multiplication par $X$.
- Posons $$S=\{f\in C^\infty(\R,\R)\mid \sup_{x\in\R}|x^kf^{(n)}(x)|<+\infty\text{ pour tous }k,n\in\N\}.$$ Montrer que $S$ est un espace vectoriel stable par dérivation et par multiplication par l'identité de $\R$. Déterminer les endomorphismes de $S$ qui commutent avec ces deux opérateurs.
Posons $E=C^0([-1,1],\C)$. Soit $g:[-1,1]\to[-1,1]$ continue, croissante et surjective, et $\Phi:f\mapsto f\circ g$. Montrer que $1$ est la seule valeur propre possible de $\Phi$.
Soit $P\in\R[X]$ tel que $P(1)=P(-1)=0$ et $P(x)>0$ pour $x\in]-1,1[$.
- Calculer l'aire $T$ du triangle formé par l'axe des abscisses et les tangentes à $P$ en $-1$ et $1$.
- Posons $A=\int_{-1}^1P(x)\,dx$. On suppose $P=(X^2-1)\prod_{i\in I}(X-\lambda_i)$, avec $\lambda_i$ réels, distincts et différents de $\pm1$. Montrer que $$A\geq\frac43\prod_{i\in I}(\lambda_i^2-1).$$
- En déduire que $A\geq2T/3$.
- Ce résultat reste-t-il vrai si $P$ possède des racines non réelles ?
- On suppose de plus $P$ concave sur $[-1,1]$. Soit $R$ l'aire du rectangle formé par l'axe des abscisses, $x=\pm1$ et la tangente horizontale de $P$ sur l'intervalle. Montrer que $A\leq cR$ pour une constante $c<1$ indépendante de $P$.
Soient $a<b$ et $E=C^0([a,b],\R)$. Posons $$G=\{g\in C^2([a,b],\R)\mid g(a)=g(b)=g'(a)=g'(b)=0\}.$$
- Pour $f\in E$ et $n\geq1$, montrer que $$h(x)=\int_a^x\frac{(x-t)^{n-1}}{(n-1)!}f(t)\,dt$$ est de classe $C^n$ et $h^{(n)}=f$.
- Montrer qu'il existe $g\in G$ telle que $f=g''$ si et seulement si $\int_a^bf(t)\,dt=\int_a^btf(t)\,dt=0$.
- Montrer que, pour $f\in E$, $\int_a^bfg''=0$ pour tout $g\in G$ si et seulement si $f$ est affine.
Soit $f:\R_+\to\R_+$ continue telle que $\int_0^{+\infty}f=1$. Posons $g(x)=\int_x^{+\infty}f$.
- Montrer que $\int_0^{+\infty}xf(x)\,dx=\int_0^{+\infty}g(x)\,dx$.
- Si $f$ est décroissante, montrer qu'il existe un unique $M>0$ tel que $\int_0^M f=1/2$.
- Montrer que $\int_0^{+\infty}xf(x)\,dx\geq M$.
On définit $f_1(x)=\sin x$ sur $]0,\pi[$, puis $f_{n+1}(x)=\sin(f_n(x))$. Montrer que $(\sqrt n f_n)_{n\geq1}$ converge simplement vers la fonction constante $\sqrt3$.
Soit $f:\R_+\to\R_+$ de classe $C^1$ telle que $f(0)=0$ et $$|f'(x)-k|\leq\mu x^\lambda,$$ avec $k\in]0,1[$ et $\lambda,\mu>0$. Posons $f_0=\operatorname{id}$, $f_{n+1}=f\circ f_n$ et $x_n=f_n(x)$.
- Montrer qu'il existe $a>0$ et $b\in]0,1[$ tels que, pour $x\in[0,a]$, $x_n\leq b^nx$.
- Posons $g_n=f_n/k^n$. Montrer que, pour $x\in[0,a]$, $$\left|\frac{g_n'(x)}{g_{n+1}'(x)}-1\right| \leq\frac{\mu}{k}x^\lambda b^{\lambda n}.$$
- Montrer qu'on peut choisir $a>0$ tel que $f_n'(x)>0$ sur $[0,a]$.
- Montrer que $(g_n)$ et $(g_n')$ convergent uniformément sur $[0,a]$.
Soit $$f(x)=\sum_{n\in\Z}\frac1{(x-n)^2+1}.$$ Montrer que $f$ n'est pas polynomiale.
Soit $f(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n$ une série entière à coefficients réels, avec $a_0=1$ et rayon de convergence $R>0$. On suppose qu'il existe $g(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}b_nx^n$, de rayon de convergence positif, telle que $f(x)(1-g(x))=1$ au voisinage de $0$.
- Montrer que si tous les $b_n$ sont positifs, alors tous les $a_n le sont.
- Trouver un exemple où tous les $a_n$ sont positifs et où au moins un $b_n$ est strictement négatif.
- On suppose $a_{n+1}a_{n-1}\geq a_n^2$ pour tout $n\geq1$. Montrer que $b_n\geq0$ pour tout $n\geq1$.
- On suppose, pour $x\in]-R,R[$, $$f(x)=1+\frac12\ln\left(\frac1{1-x}\right).$$ Montrer que $b_n\geq0$ pour tout $n\geq1$.
Soit $P=a_1X+\cdots+a_dX^d\in\R[X]$, avec $a_d\neq0$, et $f(z)=e^{P(z)}$. On suppose que son développement en série entière $f(z)=\sum_{n=0}^{+\infty}c_nz^n$ vérifie $c_n>0$ pour tout $n\geq0$.
- Montrer que $a_d>0$ et $a_v>0$, où $v=\min\{i\mid a_i\neq0\}$.
- Si $P=a_vX^v+a_mX^m+a_dX^d$ avec $v<m<d$, montrer que $a_m\geq0$. Indication : poser $\rho=e^{2i\pi/d}$ et considérer $f(\rho z)/f(z)$.
- Pour le cas général, soit $m$ tel que $v<m<d$. On suppose $a_m<0$ et que le pgcd des $i\geq m+1$ tels que $a_i\neq0$ ne divise pas $m$. Montrer qu'il existe $n\geq0$ tel que $c_n\leq0$.
Posons $$J(x)=\int_0^{+\infty}\frac{\arctan(tx)}{1+t^2}\,dt.$$
- Montrer que $J$ est de classe $C^1$ sur un domaine à préciser et exprimer $J'$.
- Montrer que $\zeta(2)=\int_0^1\frac{\ln t}{t-1}\,dt$.
- Montrer que $\zeta(2)=\pi^2/6$. Indication : considérer $J(1)-J(0)$.
Soit $k\in C^0([0,1]^2,\C)$ et $E=C^0([0,1],\C)$. Pour $f\in E$, on pose $$v(f)(x)=\int_0^x k(x,y)f(y)\,dy.$$
- Montrer que $v$ est un endomorphisme de $E$ dont l'unique valeur propre possible est $0$.
- Si $k$ est à valeurs dans $\R_+^*$, montrer que les éléments non nuls du noyau de $v$ ne sont pas développables en série entière en $0$.
Soit $$E=\left\{f\in C^2(\R,\R)\mid \sup_{x\in\R}(1+x^2)(|f(x)|+|f'(x)|+|f''(x)|)<+\infty\right\}.$$
- Pour $t,x\in\R$ et $f\in C^1(\R,\R)$, poser $A_t(f)(x)=f'(x)+txf(x)$ et $A_t^*(f)(x)=-f'(x)+txf(x)$. Montrer que, pour tout $t\in\R$ et $f\in E$, $$\int_\R A_t^*(A_t(f))(x)f(x)\,dx\geq0.$$
- Si $\int_\R f^2=1$, montrer que $$\left(\int_\R x^2f(x)^2\,dx\right) \left(\int_\R f'(x)^2\,dx\right)\geq\frac14.$$
- Étudier les cas d'égalité.
- Montrer que, pour tout $t\in[0,1[$, $$\int_0^{2\pi}\frac{e^{i\theta}}{1-te^{i\theta}}\,d\theta=0.$$
- Montrer que, pour tout $z\in\C$, $$\int_0^{2\pi}\ln|e^{i\theta}-z|\,d\theta =2\pi\max(0,\ln|z|).$$
Soient $f,g\in C^2(\R,\R)$ et $S,T>0$. On suppose $(f-g)(t)=o(e^{t/2})$ lorsque $t\to+\infty$, et que $F=f''-f'+f$ est $T$-périodique et $G=g''-g'+g$ est $S$-périodique. On suppose aussi que $F(t)-G(t)\to0$. Montrer que $f=g$.
On considère l'équation fonctionnelle $u'(x)=u(x-x^2)$, où $u:[0,1]\to\R$ est dérivable.
- Montrer que si deux solutions coïncident sur $[0,\varepsilon]$ pour un $\varepsilon>0$, elles coïncident sur $[0,1]$.
- Montrer qu'il existe une solution non nulle. Indication : considérer $u_0(x)=1$ et $$u_n(x)=1+\int_0^x u_{n-1}(t-t^2)\,dt.$$
Soient $\lambda\in]-1,1[$ et $F$ l'espace des fonctions dérivables $f:\R\to\R$ vérifiant $f'(t)=e^tf(\lambda t)$ pour tout $t\in\R$.
- Montrer que $F$ est de dimension $1$.
- Majorer asymptotiquement aussi bien que possible les éléments de $F$ lorsque $t\to+\infty$.
Soit $M_0\in O_2(\R)$. Pour quels couples $(A,B)\in\mathcal{M}_2(\R)^2$ la solution du problème de Cauchy $M(0)=M_0$, $M'(t)=AM(t)B$ est-elle à valeurs dans $O_2(\R)$ ?
Soient $A,B\in\mathcal{M}_n(\C)$. Pour l'équation différentielle $M'(t)=AM(t)B$, donner une condition nécessaire et suffisante pour que toutes les solutions soient bornées.
Soient $A\in\mathcal{M}_n(\R)$, $B\in\mathcal{M}_{n,p}(\R)$ et $T>0$. On note $A_T$ l'ensemble des $v\in\R^n$ pour lesquels il existe $u\in C^0([0,T],\R^p)$ et une solution de $X'=AX+Bu(t)$ telle que $X(0)=0$ et $X(T)=v$. Montrer que $A_T=\R^n$ si et seulement si $$M=(B\mid AB\mid A^2B\mid\cdots\mid A^{n-1}B)$$ est de rang $n$.
Géométrie
Quel est le périmètre maximal d'un triangle dont les sommets sont sur le cercle unité ?
Soit $A_0A_1A_2$ un triangle du plan. On définit $A'_2$ comme le sommet extérieur au triangle $A_0A_1A_2$ du triangle $A_0A_1A'_2$ isocèle en $A'_2$, d'angle au sommet $2\pi/3$. On définit de même $A'_0,A'_1$ par permutation circulaire. Montrer que $A'_0A'_1A'_2$ est équilatéral.
Soit $K$ un quadrilatère convexe de sommets $O,u,v,w$ dans le sens trigonométrique, avec $v>0$. On note $A$ son aire.
- Montrer que $$A^2=\frac{v^2}{4}\left(|w-u|^2-(\operatorname{Re}(w)-\operatorname{Re}(u))^2\right).$$
- Montrer que $$A^2=\frac14\left(p^2q^2-\frac14(a^2-b^2+c^2-d^2)^2\right),$$ où $a,b,c,d$ sont les longueurs des côtés dans le sens direct et $p,q$ celles des diagonales.
- Si $K$ est inscriptible dans un cercle, montrer que $pq=ac+bd$. En notant $S=(a+b+c+d)/2$, montrer ensuite $$A^2=(S-a)(S-b)(S-c)(S-d).$$
Probabilités
- Montrer qu'il existe deux multiensembles distincts de six entiers strictement positifs issus de $\{1,2,3,4,5,6\}$ tels que deux dés équilibrés construits avec leurs éléments donnent la même loi pour la somme que deux dés classiques.
- Montrer que, pour $N$ assez grand, il existe deux dés pipés à $N$ faces, portant les entiers de $1$ à $N$, dont la somme suit la loi de la somme de deux dés équilibrés à $N$ faces.
Soit $\sigma$ uniforme sur $S_n$.
- Pour $k,i\in\db{1,n}$, calculer la probabilité que $i$ appartienne à un cycle de longueur $k$ dans la décomposition de $\sigma$.
- Si $X_k$ est le nombre de cycles de longueur $k$, montrer que $\E(X_k)=1/k$.
- Soit $\alpha\in]0,1[$ et $p_n$ la probabilité que tous les cycles de $\sigma$ aient longueur au plus $\alpha n$. Montrer qu'il existe $C_\alpha>0$ tel que $p_n\geq C_\alpha$ pour $n$ assez grand.
On fixe $N\geq1$. Soit $U_1$ uniforme sur $\db{1,N}$ et, pour $n\geq1$, $U_{n+1}$ uniforme sur $\db{1,U_n}$. Posons $E_N=\{U_j\mid j\geq1\}$.
- Montrer que $\P(1\in E_N)=1$.
- Calculer $\P(k\in E_N)$ pour $1\leq k\leq N$.
- Montrer que les événements $(k\in E_N)$ sont indépendants.
Soient $p\in]0,1[$ et $(X_n)_{n\geq1}$ i.i.d. de loi de Bernoulli $B(p)$. Posons $S_n=\sum_{k=1}^nX_k$ et $$T_n=\inf\{m\in\N\mid|\{i\in\db{1,m}:X_i=0\}|\geq n\}.$$
- Montrer que $(S_n\geq k)=(T_{n-k+1}\geq n+1)$.
- En déduire $$\P(S_n\geq k)=\binom n{n-k}(1-p)^{n-k+1}p^k \sum_{\ell\geq0}\frac{(n+1)\cdots(n+\ell)}{(k+1)\cdots(k+\ell)}p^\ell.$$
- En déduire que, si $p=1/2$ et $j\geq3$, $$\P(S_{nj}\leq n)\sim2^{-nj}\binom{nj}{n}\frac{j-1}{j-2}.$$
Soit $X=(X_1,\ldots,X_n)^T$ un vecteur aléatoire à composantes i.i.d. dans $L^4$, à valeurs dans $\R$, avec $\E(X_1)=0$ et $\V(X_1^2)=\V(X_1)=1$. Soient $F\subset\R^n$ de dimension $k$ et $P$ la matrice de la projection orthogonale sur $F^\perp$.
- Justifier que $d(X,F)^2=X^TPX$ et montrer que $\E(d(X,F)^2)=n-k$.
- Montrer que $\V(d(X,F)^2)\leq n-k$.
- Si $\lambda\geq1$, montrer que $$\P\left(|d(X,F)-\sqrt{n-k}|\geq\lambda\right)\leq\frac2{\lambda^2}.$$
Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu'il existe des variables aléatoires $X,X_1,X_2$ telles que $X=aX_1+bX_2$, avec $X\sim\mathcal{P}(\nu)$, $X_1\sim\mathcal{P}(\lambda)$, $X_2\sim\mathcal{P}(\mu)$, et $X_1,X_2$ indépendantes.
Pour $k,n\geq1$, on note $$B_{k,n}=\{p\in\mathbb{P}\mid p\leq n^{1/10},\ p\mid k\},$$ et $X_n$ uniforme sur $\db{1,n}$.
- Montrer que $$\E(|B_{X_n,n}|)=\sum_{p\in\mathbb{P},p\leq n^{1/10}}\frac1p+O(n^{-9/10}).$$
- Montrer que $$\V(|B_{X_n,n}|)=\sum_{p\in\mathbb{P},p\leq n^{1/10}} \left(\frac1p-\frac1{p^2}\right)+O(n^{-8/10}).$$
- Si $\nu(x)=|\{p\in\mathbb{P}\mid p\mid x\}|$ et $a_n\to+\infty$, montrer que $$\P\left(|\nu(X_n)-\ln\ln n|\geq a_n\sqrt{\ln\ln n}\right)\to0.$$ On pourra utiliser $\sum_{p\leq n,\ p\in\mathbb{P}}1/p=\ln\ln n+O(1)$.
Mines-Ponts PSI 2026
Algèbre
Soit $P\in\R[X]$. Montrer qu'il existe un unique $Q\in\R[X]$ tel que $Q(0)=0$ et $Q(X+1)-Q(X)=P(X)$.
Soit $P\in\R[X]$ scindé à racines simples. Montrer que, pour tout $x\in\R$, $$P'(x)^2-P''(x)P(x)>0.$$
Pour $n\geq1$, soit $h(n)$ le plus petit entier $k$, s'il existe, tel que pour tout $g\in\C[X]$, il existe $f_1,\ldots,f_k\in\C[X]$ vérifiant $g=f_1^n+\cdots+f_k^n$.
- Peut-on se contenter de vérifier la propriété pour un polynôme $g$ particulier pour établir l'existence de $h(n)$ ?
- Déterminer $h(2)$.
- Montrer que $h(n)\geq3$ si $n\geq3$.
- Montrer que $h(n)\leq n$ pour tout $n\geq1$.
Soient $A\in M_{3,2}(\R)$ et $B\in M_{2,3}(\R)$ telles que $AB=\begin{pmatrix}0&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}$. Que vaut $BA$ ?
Résoudre dans $M_2(\R)$ l'équation $$X^2+X=\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}.$$
Soient $A,B\in M_n(\R)$ telles que $A$ et $B$ commutent et $B$ est nilpotente. Montrer que $\det(A+B)=\det(A)$.
Soient $A,B\in M_n(\C)$. On suppose qu'il existe $n+1$ complexes distincts $\alpha_0,\ldots,\alpha_n$ tels que $A+\alpha_iB$ soit nilpotente pour chaque $i$.
- Montrer que si $N\in M_n(\C)$ est nilpotente, alors $N^n=0$.
- Montrer que $(A+\alpha B)^n=0$ pour tout $\alpha\in\C$.
- Montrer que $A$ et $B$ sont nilpotentes.
Soit $n\geq1$.
- Montrer que $M_n(\R)=\Vect(I_n)\oplus\Ker(\operatorname{Tr})$.
- Trouver une condition nécessaire et suffisante sur $n$ pour qu'il existe $A,B\in M_n(\R)$ tels que $(AB-BA)^2=I_n$.
Soient $m\geq1$ et $A\in M_m(\R)$ tels que $A^{m-1}\neq0$ et $A^m=0$. On pose $L=\{M\in M_m(\R):AM=MA\}$.
- Montrer qu'il existe $x_0\in\R^m$ tel que $(x_0,Ax_0,\ldots,A^{m-1}x_0)$ soit une base de $\R^m$.
- En déduire que $(I_m,A,\ldots,A^{m-1})$ est une base de $L$.
Soit $p\geq1$ et $E_p$ l'ensemble des suites complexes $p$-périodiques.
- Montrer que $E_p$ est un $\C$-espace vectoriel et donner sa dimension.
- Donner une base de $E_p$ constituée de suites géométriques.
Une fonction $f\in C^0([0,1],\R)$ est dite affine par morceaux s'il existe une subdivision $0=a_0<a_1<\cdots<a_n=1$ telle que $f$ soit affine sur chaque $[a_i,a_{i+1}]$. On note $A$ l'ensemble de ces fonctions.
- Montrer que $A$ est un sous-espace vectoriel de $C^0([0,1],\R)$.
- Pour $a\in[0,1]$, poser $f_a(x)=|x-a|$. Montrer que la famille $(f_a)_{a\in[0,1]}$ est libre.
- Déterminer une base de $A$.
Dans $M_n(\Z)$, on note $GL_n(\Z)$ les matrices inversibles dont l'inverse est aussi à coefficients entiers. Soient $A,B\in M_2(\Z)$ tels que $A+kB\in GL_2(\Z)$ pour $1\leq k\leq5$.
- Montrer que $A\in GL_2(\Z)$.
- Est-ce que $B$ est inversible ?
Soit $P\in GL_n(\R)$ et $\varphi_P:M_n(\R)\to M_n(\R)$ définie par $\varphi_P(M)=P^{-1}MP$. Calculer le déterminant et la trace de l'endomorphisme $\varphi_P$.
On considère $E=M_n(\C)$ et $E^*=\mathcal L(E,\C)$.
-
Pour $A\in M_n(\C)$, poser $L_A(M)=\operatorname{Tr}(AM)$.
- Montrer que $L_A$ est une forme linéaire.
- Montrer que $L:A\mapsto L_A$ est un isomorphisme de $E$ sur $E^*$.
- En déduire une caractérisation des hyperplans de $E$.
-
Soit $T$ triangulaire supérieure et $H=\Ker(L_T)$. On note $T_n^+$ et $T_n^-$ les sous-espaces des matrices triangulaires strictement supérieure et inférieure.
- Déterminer $H\cap T_n^+$.
- Déterminer la dimension de $H\cap T_n^-$.
- Montrer que les matrices de $T_n^+\cup T_n^-$ sont nilpotentes.
- Montrer que tout hyperplan de $E$ contient au moins $n^2-n-1$ matrices nilpotentes linéairement indépendantes.
- Soient $E$ un $K$-espace vectoriel de dimension finie et $u\in\mathcal L(E)$ nilpotent. Montrer que son indice de nilpotence est inférieur ou égal à $\dim E$.
-
Soient $E=\R[X]$ et $D:P\mapsto P'$. On suppose qu'il existe $f\in\mathcal L(E)$ tel que $f^2=D$.
- Montrer que $\R_n[X]$ est stable par $D$ et par $f$.
- Montrer que les restrictions de $f$ et $D$ à $\R_n[X]$ sont
nilpotentes. Conclure.
Soit $P\in GL_n(\C)$, écrit $P=Q+iR$ avec $Q,R\in M_n(\R)$.
- Montrer qu'il existe $\lambda\in\R$ tel que $Q+\lambda R\in GL_n(\R)$.
- En déduire que deux matrices réelles semblables dans $M_n(\C)$ le sont aussi dans $M_n(\R)$.
- Soient $A,B\in M_n(\R)$ tels que $A^3=B^3=I_n$ et $\operatorname{Tr}(A)=\operatorname{Tr}(B)$. Montrer que $A$ et $B$ sont semblables.
Soit $a\in\R$ et $$M(a)=\begin{pmatrix}1&-1&a\\-1&1&-a\\a&-a&2-a\end{pmatrix}.$$ Déterminer les sous-espaces stables par l'endomorphisme de $\R^3$ associé.
Soit $$M=\begin{pmatrix}0&\cdots&0&a_1\\1&\ddots&&\vdots\\ 0&\ddots&0&a_n\\b_1&\cdots&b_n&0\end{pmatrix}\in M_{n+1}(\C).$$ Étudier la diagonalisabilité de $M$ en fonction de $a_1,\ldots,a_n,b_1,\ldots,b_n\in\C$.
Soient $n\geq3$ et $A=(a_{i,j})\in M_n(\R)$ telle que $a_{i,j}=1$ si $i=j$ ou $j=n$, et $a_{i,j}=0$ sinon.
- Déterminer $A^k$.
- La matrice $A$ est-elle diagonalisable ?
- Trouver un polynôme annulateur de degré 3 de $A$.
Soit $n\geq3$. Diagonaliser la matrice $A=(a_{i,j})\in M_n(\R)$ définie par $a_{n,i}=a_{i,n}=1$ pour $1\leq i\leq n$, les autres coefficients étant nuls.
Soit $A=(a_{i,j})\in M_n(\R)$ définie par $a_{i,j}=\sin(i+j)$.
- Quel est le rang de $A$ ?
- Déterminer ses valeurs propres.
Trouver les éléments propres de la matrice $M=(i+j)_{1\leq i,j\leq n}\in M_n(\R)$.
Soient $n\geq2$ et $A=(a_{i,j})\in M_n(\C)$ définie par $a_{i,j}=\delta_{i+1,j}$ si $i<n$ et $a_{n,j}=\delta_{1,j}$.
- Montrer que $A$ est diagonalisable.
- Soit $p\geq2$ et $B=\sum_{k=0}^{p-1}A^k$. Trouver une condition nécessaire et suffisante sur $n,p$ pour que $B$ soit inversible.
Soient $A,B\in M_n(\C)$ telles que $AB-BA=B$.
- Montrer que $\operatorname{Tr}(XY)=\operatorname{Tr}(YX)$ pour tous $X,Y\in M_n(\C)$.
- Montrer que, pour tout $k\in\N$, $AB^k-B^kA=kB^k$.
- En déduire que $B$ est nilpotente.
Soit $M=(m_{i,j})\in M_n(\R)$ définie par $m_{i,j}=-2$ si $i=j$, $m_{i,j}=1$ si $|i-j|=1$, et $m_{i,j}=0$ sinon. On pose $T=M+2I_n$.
- Montrer que $M$ est diagonalisable.
- Exprimer le spectre de $T$ en fonction de celui de $M$ et comparer leurs sous-espaces propres.
-
Soit $\mu\in\operatorname{Sp}(T)$.
- Montrer qu'il existe $i\in\{1,\ldots,n\}$ tel que $|t_{i,i}-\mu|\leq\sum_{j\neq i}|t_{i,j}|$.
- Montrer qu'il existe $\alpha\in[0,\pi]$ tel que $\mu=2\cos\alpha$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $X=(x_1,\ldots,x_n)^T$ soit un vecteur propre de $T$ associé à $\mu$.
- Qu'en déduire pour $\alpha$ ?
- Soient $B\in M_n(\R)$ et $P\in\C[X]$ non constant. Montrer que si $B$ est diagonalisable alors l'équation $P(X)=B$ admet au moins une solution dans $M_n(\C)$.
- Soient $n\geq3$ et $B=(b_{i,j})$ définie par $b_{i,i+1}=1$ pour $1\leq i<n$, les autres coefficients étant nuls. Que dire de l'équation $X^2=B$ ?
Soit $(\alpha_2,\alpha_1,\alpha_0,\beta_1,\beta_0)\in\R^5$ tel que $k\alpha_2+\beta_1\neq0$ pour tout $k\in\N$. On pose $E_n=\R_n[X]$ et $$f_n(P)=(\alpha_2X^2+\alpha_1X+\alpha_0)P'' +(\beta_1X+\beta_0)P'.$$
- Montrer que $f_n\in\mathcal L(E_n)$. Est-ce un automorphisme ?
- Exprimer la matrice de $f_n$ dans la base canonique $(1,X,\ldots,X^n)$.
- L'application $f_n$ est-elle diagonalisable ?
Soit $A\in M_n(\R)$ admettant $n$ valeurs propres réelles distinctes. Montrer qu'il existe $\alpha_1,\ldots,\alpha_n\in\R$ et $M_1,\ldots,M_n\in\Vect(I_n,A,\ldots,A^{n-1})$ tels que, pour tout $p\in\N$, $A^p=\sum_{k=1}^n\alpha_k^pM_k$.
Soient $A\in M_n(\C)$ et $M=\begin{pmatrix}0&I_n\\A&0\end{pmatrix}$.
- Montrer que $\lambda$ est valeur propre de $M$ si et seulement si $\lambda^2$ est valeur propre de $A$.
- À quelle condition $M$ est-elle diagonalisable ?
Soit $E$ un $K$-espace vectoriel de dimension $n\geq2$ et $f_1,\ldots,f_n\in\mathcal L(E)$ tels que $\sum_{i=1}^nf_i=\operatorname{id}$ et $f_i\circ f_j=0$ si $i\neq j$. Pour $(\lambda_1,\ldots,\lambda_n)\in K^n$, montrer que $g=\sum_{i=1}^n\lambda_if_i$ est diagonalisable.
Soient $A,B\in M_n(\C)$ et $T_{A,B}:M\mapsto AM-MB$.
- Montrer que $T_{A,B}$ est linéaire et donner $T_{A,B}(E_{i,j})$. On pose $\Phi:(A,B)\mapsto T_{A,B}$.
- Déterminer $\Ker\Phi$. L'application $\Phi$ est-elle injective ?
- Est-elle surjective ?
- Donner $\operatorname{Tr}(T_{A,B})$ en fonction de $A,B$.
- Déterminer $\det(T_{A,B})$. On pourra commencer par supposer $A,B$ diagonalisables.
Soit $A\in M_n(\R)$ telle que $\det(A)=32$ et $A^2-6A+8I_n=0$. On considère $\varphi_A:B\mapsto AB$.
- Quelles sont les valeurs possibles de $n$ ? Déterminer $\operatorname{Tr}(A)$ selon ces valeurs de $n$.
- $\varphi_A$ est-il diagonalisable ?
- Déterminer $\operatorname{Sp}(\varphi_A)$ et la dimension de chacun de ses espaces propres.
Soient $E$ un $\C$-espace vectoriel de dimension finie et $u\in GL(E)$. On suppose que, pour tout $x\in E$, l'ensemble $\{u^k(x):k\in\N\}$ est fini. Montrer qu'il existe $n\geq1$ tel que $u^n=\operatorname{id}$.
Soient $n\geq1$, $A,B\in M_n(\C)$ et $r\in\{0,\ldots,n\}$. Montrer l'équivalence entre l'existence d'une solution de rang $r$ à $AX=XB$ et l'existence de valeurs propres distinctes communes $\lambda_1,\ldots,\lambda_s$ de $A$ et $B$ telles que $$\dim E_{\lambda_k}(A)=\dim E_{\lambda_k}(B)\quad(1\leq k\leq s), \qquad\sum_{k=1}^s\dim E_{\lambda_k}(A)=r.$$ Indication : étudier les éléments propres de $B^T$ pour le sens direct ; pour la réciproque, utiliser qu'une matrice $M$ est de rang $r$ si et seulement si $M=PJ_rQ$ pour des $P,Q$ inversibles, avec $J_r=\operatorname{diag}(I_r,0)$.
Soit $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien.
- Pour $a\in E$, on définit $\varphi_a(x)=\langle a,x\rangle$. Montrer que $a\mapsto\varphi_a$ est un isomorphisme entre $E$ et $\mathcal L(E,\R)$.
- Montrer qu'il existe un unique $A\in\R_2[X]$ tel que, pour tout $P\in\R_2[X]$, $P(1/2)=\int_{-1}^1A(t)P(t)dt$. Déterminer $A$.
Soit $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien de dimension $n\geq2$, et $H_1,H_2$ deux hyperplans distincts. Choisir des vecteurs unitaires $e_k\in H_k^\perp$ et poser $f_k(x)=x-2\langle e_k,x\rangle e_k$.
- Décrire géométriquement $f_1,f_2$ et montrer que $H_1\cap H_2=\{x:f_1(f_2(x))=x\}$.
- Poser $F=H_1^\perp+H_2^\perp$. Montrer que cette somme est directe, que $(f_1\circ f_2)(F)\subset F$, et justifier qu'il existe $e$ tel que $(e_1,e)$ soit une base orthonormale de $F$.
- Montrer qu'il existe une unique rotation $r$ de $F$ telle que $r(e_1)=e_2$. Donner la matrice dans la base $(e_1,e)$ de l'endomorphisme de $F$ induit par $f_2\circ f_1$, à l'aide de $r$.
Soient $n\geq2$ et $V$ un sous-espace vectoriel de $M_n(\R)$. On pose $$V^\circ=\{M\in M_n(\R):\forall A\in V,\ \operatorname{Tr}(AM)=0\}.$$
- Montrer que $V^\circ$ est un sous-espace vectoriel.
- Exprimer $\dim V^\circ$ en fonction de $\dim V$.
- Si $V$ est le sous-espace des matrices triangulaires supérieures, déterminer $V^\circ$.
Soient $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace préhilbertien réel, $n\geq1$ et $(x_1,\ldots,x_n)\in E^n$. Poser $M=(\langle x_i,x_j\rangle)_{i,j}$ et $G(x_1,\ldots,x_n)=\det M$.
- Montrer que $G(x_1,\ldots,x_n)\neq0$ si et seulement si $(x_1,\ldots,x_n)$ est libre.
- Soit $F=\Vect(x_1,\ldots,x_n)$ et $x\in E$. Montrer que $G(x_1,\ldots,x_n,x)=d(F,x)^2G(x_1,\ldots,x_n)$.
- En déduire $\inf_{a,b\in\R}\int_0^1(x^2+ax+b)^2dx$.
On note $E=\R^\N$, l'espace vectoriel des suites réelles, et on définit $D:E\to E$ par $D((u_n)_{n\in\N})=(u_{n+1}-u_n)_{n\in\N}$.
- Montrer que $D$ est un endomorphisme de $E$. Étudier son injectivité et sa surjectivité.
- Déterminer ses valeurs propres et ses vecteurs propres.
- On pose $F=\{(u_n)\in E:\sum_{n=0}^{+\infty}u_n^2<+\infty\}$ et, pour $u,v\in F$, $\varphi(u,v)=\sum_{n=0}^{+\infty}u_nv_n$. Montrer que $F$ est stable par $D$ et que $\varphi$ est un produit scalaire sur $F$.
- Montrer que $$\left\{\frac{\langle u,D(u)\rangle}{\|u\|^2}:u\in F\setminus\{0\}\right\}=]-2,0[.$$
Un tournoi réunit les joueurs $A_1,\ldots,A_m$. Les parties $P_1,\ldots,P_N$ opposent chacune deux joueurs. On définit $A=(a_{i,k})\in M_{m,N}(\R)$ par $a_{i,k}=1$ si $A_i$ gagne $P_k$, $a_{i,k}=-1$ s'il perd et $a_{i,k}=0$ s'il n'y participe pas. On pose $M=AA^T$.
- Calculer et interpréter les coefficients de $M$.
- Justifier que $M$ est diagonalisable et préciser le signe de ses valeurs propres.
- Si $m=N$, relier $\det(M)$ et $\det(A)$, puis en déduire $\det(M)\geq0$.
- Dans le cas général, soit $A'$ une sous-matrice carrée extraite de $A$ en conservant certaines lignes et colonnes. Montrer que $\det(A')\in\{-1,0,1\}$.
Pour $n\geq3$, on considère $A_n=(a_{i,j})\in M_n(\R)$ définie par $a_{i,j}=\max(i,j)$.
- Montrer que $A_n$ est inversible.
- Montrer que tous ses sous-espaces propres sont des droites vectorielles.
Soient $n\geq2$ et $A\in M_n(\R)$. On définit $f_A:M\in\mathcal A_n(\R)\mapsto A^TM-M^TA$.
- Montrer que $f_A$ est un endomorphisme de $\mathcal A_n(\R)$.
- Déterminer sa trace.
- On suppose désormais $A\in\mathcal S_n(\R)$. Montrer que $f_A$ est diagonalisable.
- Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $f_A$ soit bijectif.
Soit $n\geq1$ et $A\in M_n(\R)$. Montrer qu'il existe $P\in O_n(\R)$ tel que les coefficients diagonaux de $PAP^T$ soient tous égaux.
Soient $p,q$ deux projecteurs orthogonaux d'un espace euclidien $E$.
- Montrer que $u=p-q$ est diagonalisable et que son spectre est inclus dans $[-1,1]$.
- Déterminer $\Ker(u+\operatorname{id})$ et $\Ker(u-\operatorname{id})$.
Soient $p,q$ deux projecteurs orthogonaux d'un espace euclidien et posons $u=p+q$.
- Montrer que le polynôme caractéristique $\chi_u$ est scindé sur $\R$.
- Montrer que toutes les valeurs propres de $u$ appartiennent à $[0,2]$.
Soit $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien de dimension $n\geq1$. On considère un endomorphisme antisymétrique $u$, c'est-à-dire $\langle u(x),x\rangle=0$ pour tout $x\in E$.
- Montrer que $u^2$ est diagonalisable. Quel est le signe de ses valeurs propres ?
- Montrer que le spectre de $u$ est vide ou égal à $\{0\}$. En déduire une condition nécessaire et suffisante pour que $u$ soit diagonalisable.
- Montrer que $\operatorname{Im}(u)=(\Ker u)^\perp$.
- Montrer que le rang de $u$ est pair.
Soit $$A=\begin{pmatrix}0&-1&-1\\-1&0&-1\\-1&-1&0\end{pmatrix}.$$ Déterminer toutes les matrices $M\in M_3(\R)$ telles que $M^TAM=A$.
Soit $M\in M_n(\R)$ telle que $M^2-M+M^T=I_n$. Montrer que $M\in\mathcal S_n(\R)$.
Soit $M\in M_n(\C)$ vérifiant $M^2+M^T=I_n$.
- Montrer que $M$ est diagonalisable.
- La matrice $M$ est-elle nécessairement symétrique ?
Soit $M\in M_2(\R)$ telle que $M^2+4I_2=0$ et $MM^T=M^TM$.
- Montrer que $\frac12M\in O_2(\R)$.
- En déduire toutes les matrices $M$ vérifiant ces hypothèses.
Soit $E=\{M\in M_n(\R):\det(M)\in[0,1]\}$.
- $E$ est-il un sous-espace vectoriel ? Est-il stable par produit ?
- $E$ est-il ouvert, fermé, borné ou convexe ? Déterminer son adhérence.
- Déterminer les matrices $S\in\mathcal S_n^{++}(\R)$ telles que $\frac12(S+S^{-1})\in E$.
Soit $S\in\mathcal S_n^{++}(\R)$.
- Montrer que $(X,Y)\mapsto Y^TSX$ est un produit scalaire sur $M_{n,1}(\R)$.
- En déduire qu'il existe une matrice triangulaire supérieure $T$ telle que $S=T^TT$. Montrer que $T$ est unique si l'on impose que les coefficients diagonaux de $T$ soient positifs.
Soit $A\in\mathcal S_n(\R)$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu'il existe $B\in\mathcal S_n(\R)$ telle que $A=B^2$. Dans ce cas, déterminer le nombre de matrices $B$ possibles.
- Soient $A,C\in\mathcal S_n(\R)$ de spectres inclus dans $\R_+$. Montrer que $\operatorname{Tr}(AC)\geq0$.
- Soit $A\in\mathcal S_n^{++}(\R)$. Montrer qu'il existe $B\in\mathcal S_n^{++}(\R)$ telle que $B^2=A$.
- Soient $M,N\in\mathcal S_n^{++}(\R)$. Montrer qu'il existe $P\in GL_n(\R)$ et une matrice diagonale $D$ à coefficients strictement positifs telles que $M=P^TDP$ et $N=P^TP$.
- Soient $M,N\in\mathcal S_n^+(\R)$. Montrer que $\det(M+N)\geq\det(M)+\det(N)$.
Montrer que $M\in M_n(\R)$ est diagonalisable si et seulement s'il existe $S\in\mathcal S_n(\R)$ et $H\in\mathcal S_n^{++}(\R)$ tels que $M=SH$.
- Soit $A\in\mathcal S_n^+(\R)$. Montrer qu'il existe une unique $C\in\mathcal S_n^+(\R)$ telle que $A=C^2$.
- Soit $A\in GL_n(\R)$. Montrer qu'il existe un unique couple $(O,S)\in O_n(\R)\times\mathcal S_n^{++}(\R)$ tel que $A=OS$.
Analyse
Montrer que $N:\R^2\to\R$, définie par $N(x,y)=\max(|x|,|y|,|x-y|)$, est une norme, puis représenter sa sphère unité.
Soit $F=\R[X]$. Pour $P=\sum_{k=0}^{+\infty}a_kX^k$, on pose $\|P\|_\infty=\sup_{k\in\N}|a_k|$. On note $D(P)=P'$.
- Montrer que $D$ n'est pas continue pour cette norme.
-
Soit $(c_k)_{k\geq0}\in(\R_+^*)^\N$ et $N(P)=\sum_{k=0}^{+\infty}c_k|a_k|$.
- Montrer que $N$ est une norme sur $F$.
- Donner une suite $(c_k)$ telle que $D$ soit continue pour $N$.
- Montrer que, quelle que soit la norme sur $E=C^\infty(\R,\R)$, l'application de dérivation n'est pas continue.
On munit $E=C^0([0,1],\R)$ de la norme uniforme. Une forme linéaire $\varphi$ sur $E$ est dite positive si $f\geq0$ entraîne $\varphi(f)\geq0$.
- Donner deux exemples de formes linéaires positives.
- Montrer que toute forme linéaire positive est continue.
- La réciproque est-elle vraie ?
On munit $\R^n$ de sa structure euclidienne canonique et soit $N$ une norme. On pose $$N^*(x)=\sup_{y\neq0}\frac{\langle x,y\rangle}{N(y)}.$$
- Montrer que $N$ est continue.
- Montrer que $N^*(x)=\sup\{\langle x,z\rangle:N(z)=1\}\in\R_+$.
- Montrer que $N^*$ est une norme.
- Montrer que $\langle x,y\rangle\leq N(x)N^*(y)$ pour tous $x,y$.
- Montrer que $O_n(\R)$ est fermé et borné.
- Montrer que les applications $A\mapsto\operatorname{Tr}(A)$ et $A\mapsto\sum_{i,j=1}^na_{i,j}$ atteignent un maximum et un minimum sur $O_n(\R)$, puis les calculer.
On munit $E=M_n(\R)$ de sa structure euclidienne canonique et, pour $p\geq1$, on pose $L_p(A)=\sum_{k=1}^p\frac{A^k}{k}$.
- Montrer que $\|AB\|\leq\|A\|\|B\|$ pour tous $A,B\in E$.
- En déduire que si $\|A\|<1$, la suite $(L_p(A))_{p\geq1}$ converge.
- Soient $\varphi,\psi$ continues entre deux espaces vectoriels normés et égales sur une partie dense. Montrer qu'elles sont égales.
- Montrer que $GL_n(\R)$ est dense dans $M_n(\R)$.
- Soient $A,B\in M_n(\R)$. Montrer que $\chi_{AB}=\chi_{BA}$. Indication : commencer par le cas $A\in GL_n(\R)$.
- Montrer que $A^TA$ et $AA^T$ sont semblables pour tout $A\in M_n(\R)$.
- Montrer qu'un espace vectoriel normé ne possède pas de partie à la fois ouverte et fermée, non vide et distincte de l'espace. On pourra relier deux points par un segment et considérer les paramètres dont l'image appartient à la partie.
- Soit $g:E\to\Z$ continue et non constante. Choisir $x_0,x_1$ tels que $g(x_0)=k$ et $g(x_1)\neq k$, puis poser $A=\{x:g(x)=k\}$. Montrer que $A$ est non vide, distinct de $E$, fermé et ouvert, et conclure que $g$ est constante.
Soit $A=(a_0,\ldots,a_n)\in\R^{n+1}$ avec $a_0<a_1<\cdots<a_n$. Pour $P\in\R_n[X]$, poser $\|P\|_A=\max_{0\leq k\leq n}|P(a_k)|$.
- Pour $A=(0,1)$, calculer $\|X\|_A$.
- Montrer que $\|\cdot\|_A$ est une norme sur $\R_n[X]$.
- Pour $P\in\R_{n-1}[X]$, montrer qu'il existe un unique $(b_0,\ldots,b_n)\in\R^{n+1}$ tel que $$X^n+P(X)=\sum_{j=0}^nb_j\prod_{\substack{0\leq k\leq n\\k\neq j}}(X-a_k).$$
- Calculer $\sum_{k=0}^nb_k$.
Soit $\alpha>0$ et $E_\alpha$ l'ensemble des fonctions $f\in C^0([0,1],\R)$ pour lesquelles il existe $M\in\R$ tel que $|f(x)-f(y)|\leq M|x-y|^\alpha$ pour tous $x,y\in[0,1]$. On pose $$\|f\|_\alpha=\sup_{x\neq y}\frac{|f(x)-f(y)|}{|x-y|^\alpha}.$$
- Montrer que $E_\alpha$ est un espace vectoriel.
- L'application $f\mapsto\|f\|_\alpha$ est-elle une norme ?
- Soient $0<\beta<\alpha\leq1$. Montrer que $E_\alpha\subset E_\beta$ et donner une inégalité entre les deux quantités. L'inclusion est-elle stricte ?
- Soit $f(x)=(1+x)^{1/x}$. Montrer que $f$ se prolonge en une fonction de classe $C^1$ sur $]-1,+\infty[$ et la représenter graphiquement.
- Montrer que $u_n=(1+1/n)^n$ et $v_n=(1-1/n)^{-n}$ sont adjacentes.
- Montrer que $(1+1/n)^n\leq e\leq(1+1/n)^{n+1}$ et commenter cet encadrement.
Soit $(u_n)_{n\geq0}$ une suite strictement positive. Montrer que les séries $$\sum u_n,\qquad \sum\ln(1+u_n),\qquad \sum\frac{u_n}{1+u_n},\qquad \sum\int_0^{u_n}\frac{dx}{1+x^2}$$ sont de même nature.
Pour $x\geq0$, on pose $f_n(x)=\sum_{k=0}^n\frac{x^k}{k!}$.
- Montrer que, pour tout $n\geq1$, il existe un unique $x_n\geq0$ tel que $f_n(x_n)=2$.
- Montrer que $(x_n)$ converge et déterminer sa limite $\ell$.
- Étudier la convergence de $\sum(x_n-\ell)$.
Pour $n\in\N$, on pose $a_n=\sum_{k=0}^n(-1)^{k+1}\sqrt{k}$.
- La suite $(a_n)$ converge-t-elle ?
- Montrer qu'il existe $\ell\in\R$ tel que $a_n+(-1)^n\sqrt{n}/2\to\ell$, puis montrer que $\ell>0$.
- Étudier la nature de $\sum 1/a_n$.
Pour $n\geq2$, on pose $v_n=\frac{\cos n}{n}$ et $u_n=\frac{\cos(\ln n)}{\ln n}$.
- Pour deux suites réelles $(a_n),(b_n)$, poser $A_n=\sum_{k=2}^na_k$. Montrer que $$\sum_{m=2}^Na_mb_m=\sum_{m=2}^{N-1}A_m(b_m-b_{m+1})+A_Nb_N,$$ puis en déduire la nature de $\sum v_n$.
- Déterminer la nature de $\sum u_n$.
Soit $(u_n)_{n\geq0}$ strictement positive et supposons qu'il existe $\lambda\in\R$ tel que $$\frac{u_{n+1}}{u_n}=1-\frac{\lambda}{n}+v_n,$$ où $(v_n)$ est le terme général d'une série convergente.
- Montrer que la série de terme général $\frac{\lambda}{n}+\ln\left(\frac{u_{n+1}}{u_n}\right)$ est absolument convergente.
- En déduire que $(u_nn^\lambda)$ converge dans $\R_+^*$.
- En déduire la nature de la série de terme général $v_n=\frac{n^n}{n!e^n}$.
Calculer la limite et un équivalent de $$u_n=\prod_{k=2}^n\left(1+\frac{(-1)^k}{\sqrt{k}}\right).$$
Soit $(u_n)\in\R^\N$ définie par $u_0\in]0,1[$ et $u_{n+1}=u_n-u_n^2$.
- Déterminer la nature des séries $\sum u_n^2$ et $\sum u_n$.
- Poser $A_n=\frac1{u_{n+1}}-\frac1{u_n}$ et $B_n=\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}A_k$. Trouver un équivalent de $u_n$.
- Trouver un équivalent de $S_n=\sum_{k=1}^nu_k$.
- Soient $(u_n),(v_n)$ strictement positives telles que $u_n\sim v_n$ et $\sum v_n$ diverge. Montrer que $\sum_{k=0}^nu_k\sim\sum_{k=0}^nv_k$.
-
Pour $n\geq1$, poser $S_n=\sum_{k=1}^n\frac{(-1)^{k+1}}{\sqrt{k}}$.
- Montrer que $S_n\sim\frac{(-1)^{n+1}}{2\sqrt n}$.
- Montrer que $S_n+S_{n+1}$ tend vers une limite réelle positive.
Soit $(z_n)_{n\in\N}$ une suite complexe telle que $|z_n-z_m|>\sqrt2$ si $n\neq m$.
-
Pour $A>0$, poser $C_A=\{n:|\operatorname{Re}(z_n)|≤ A,
\operatorname{Im}(z_n) ≤ A\}$. Montrer que $C_A$ est fini. - Montrer que $|z_n|\to+\infty$.
- Si les $z_n$ sont non nuls, montrer que $\sum_{n=0}^{+\infty}|z_n|^{-3}$ converge.
On définit $f:\R\to\R$ par $f(0)=0$ et, pour $x\neq0$, $f(x)=\frac{e^{x^2}-1}{x}$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^\infty$ sur $\R$.
- Montrer que $f$ réalise une bijection de $\R$ sur $\R$.
- Déterminer le développement limité à l'ordre 5 en 0 de $f^{-1}$.
Soit $E=C^0([0,1],\R)$. Pour $f\in E$, on pose $$\varphi(f)(x)=\int_0^xf(t)dt-\int_x^1f(t)dt.$$
- $\varphi$ est-elle un endomorphisme ?
- Est-elle injective ou surjective ? Déterminer $\operatorname{Im}(\varphi)$.
- Déterminer ses valeurs propres.
- Montrer que $\|\varphi(f)\|_\infty\leq\|f\|_2$.
Soit $f\in C^2(\R,\R)$ telle que $f$ et $f''$ soient bornées sur $\R$. Montrer que $f'$ est bornée et que $\|f'\|_\infty\leq2\|f\|_\infty\|f''\|_\infty$.
Soit $f:[a,b]\to\R_+^*$ continue.
- Montrer qu'il existe une unique subdivision $(x_0,\ldots,x_n)$ de $[a,b]$ telle que, pour $1\leq k\leq n$, $$\int_{x_{k-1}}^{x_k}f(t)dt=\frac1n\int_a^bf(t)dt.$$
- Déterminer la limite quand $n\to+\infty$ de $\frac1n\sum_{k=0}^nf(x_k)$.
Soient $f,g\in C^\infty(\R,\R)$, avec $g$ 1-périodique.
- Écrire $\int_0^1f(x)g(nx)dx$ comme une somme d'intégrales, puis en déterminer la limite quand $n\to+\infty$.
- Soit $f\in C^0([0,1],\R)$ telle que $\int_0^1f(t)dt=1/2$. Montrer qu'il existe $x\in[0,1]$ tel que $f(x)=x$.
On pose $E=\{f\in C^1(\R_+,\R):f(0)=0\}$. Pour $f\in E$, définir $\Lambda(f)(x)=\int_0^x\frac{f(t)}t\,dt$.
- Montrer que $\Lambda(f)$ est bien définie.
- Montrer que $\Lambda$ est un endomorphisme de $E$.
- Déterminer ses éléments propres.
Soient $(x,y)\in\R^2$, $z=x+iy\in\C\setminus\R$ et $n\in\N$. Déterminer la nature de $$\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dt}{(t-z)^n}.$$
Soit $f\in C^0(\R_+,\R_+^*)$ telle que $\frac{f(x+1)}{f(x)}\to\ell\in]0,1[$ quand $x\to+\infty$.
- Montrer qu'il existe $q\in]0,1[$ et $x_0\geq0$ tels que, pour tout $x\geq x_0$ et $k\in\N$, $f(x+k)\leq q^kf(x)$.
- En déduire la nature de $\int_0^{+\infty}f(x)dx$.
Soit $f\in C^0(\R_+,\R)$ et $s_0\in\R$. On suppose que $\int_0^{+\infty}f(t)e^{-s_0t}dt$ converge. Montrer que, pour tout $s>s_0$, $\int_0^{+\infty}f(t)e^{-st}dt$ converge. Indication : effectuer une intégration par parties.
Soit $f:[0,1]\to\R$ définie par $$f(x)=\sum_{n=2}^{+\infty}\left(\frac1{n-x}-\frac1{n+x}\right).$$
- Montrer que $f$ est définie sur $[0,1]$.
- Montrer que $f$ est continue et intégrable sur $[0,1]$.
- Calculer $\int_0^1f(x)dx$.
- Montrer que $f$ est dérivable sur $[0,1]$. Est-elle de classe $C^k$ ?
Soit $f(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}(-1)^n\ln\left(\frac{n+1+x}{n+x}\right)$.
- Montrer que $f$ est bien définie sur $\R_+^*$.
- Déterminer sa limite en $+\infty$.
- Déterminer un équivalent de $f$ en $+\infty$.
Soit $S(x)=\sum_{k=1}^{+\infty}\left(\frac1k-\frac1{k+x}\right)$.
- Montrer que $S$ est définie, continue et croissante sur $\R_+$.
- Calculer $S(0),S(1)$ et $S(1/2)$.
- Montrer que $u_n=-\ln(n+1)+\sum_{k=1}^n\frac1k$ converge ; noter $\gamma$ sa limite.
- Montrer que $\int_0^1S(x)dx=\gamma$.
Soit $\zeta(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac1{n^x}$. Déterminer son domaine de définition et montrer sa continuité et sa classe $C^\infty$. Déterminer sa limite en $+\infty$ et un équivalent en $1^+$.
Soit $F(x)=\sum_{n=2}^{+\infty}\frac1{\ln(n)n^x}$.
- Déterminer le domaine de définition de $F$.
- Montrer que $F$ est de classe $C^\infty$ sur ce domaine.
- Étudier le comportement de $F$ au bord de son domaine de définition.
On considère la suite définie par $u_0=1$, $u_1=0$ et $u_{n+2}=u_{n+1}+\frac{u_n}{n+2}$ pour $n\in\N$.
- Déterminer le rayon de convergence de $\sum u_nx^n$.
- Montrer que sa somme vérifie $(1-x)y'+(1+x)y=-1$.
- En déduire une expression de cette somme.
Pour $n\in\N$, on pose $a_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n(t)dt$ et $f(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n$.
- Déterminer le rayon de convergence de $f$.
- Étudier la convergence aux extrémités de l'intervalle de convergence.
- Montrer que $f$ est continue en $-1$.
- Déterminer explicitement $f$ sur $[-1,1[$.
- Montrer que l'équation différentielle $f'(x)=xf(x)^2$ admet une solution $S$ développable en série entière et vérifiant $S(0)=1$.
- Donner une expression analytique de $S$.
Soit $P\in\C[X]$.
- Déterminer le rayon de convergence de la série entière $f(z)=\sum_{n\geq0}P(n)z^n$.
- Montrer que $f$ coïncide avec une fraction rationnelle sur son disque ouvert de convergence.
On pose $f(x)=e^{-2x^2}\int_0^xe^{2t^2}dt$.
- Montrer que $f$ est développable en série entière en 0.
- Déterminer ce développement.
Soit $\alpha\in\R\setminus\pi\Z$ et $$f(x)=\frac{x^2+1}{x^2+2x\cotan(\alpha)-1}.$$ Poser $$g(x)=\frac{(\cos\alpha+1)/\sin\alpha}{x+(\cos\alpha+1)/\sin\alpha} +\frac{(\cos\alpha-1)/\sin\alpha}{x+(\cos\alpha-1)/\sin\alpha}.$$
- Montrer que $f(x)$ peut s'exprimer à l'aide de $g(x)$.
- Montrer que $f$ est développable en série entière au voisinage de 0 et donner le domaine de validité de ce développement.
Soit $f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\ln(n)x^n$.
- Déterminer son intervalle de convergence et étudier sa continuité.
- Poser $a_1=1$ et, pour $n\geq2$, $a_n=-\ln(1-1/n)-1/n$. Déterminer le domaine de définition de $g(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}a_nx^n$.
- Trouver une relation entre $f$ et $g$.
- Calculer $g(1)$ et $g(-1)$, puis trouver un équivalent de $f$ en $1^-$.
Soit $(u_n)_{n\geq0}$ une suite $p$-périodique non nulle et $S(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}u_nx^n$.
- Déterminer le rayon de convergence de $S$.
- Donner un équivalent de $S(x)$ quand $x\to1^-$.
- Même question si $(u_n)$ est ultimement périodique.
Pour $n\in\N$, poser $u_n=\int_0^1\frac{t^n\ln t}{1+t}dt$.
- Montrer que $u_n$ est bien défini, étudier les variations de $(u_n)$ et déterminer sa limite.
- Calculer $u_{n+1}+u_n$, puis donner un équivalent de $u_n$.
- Poser $S(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}u_nx^n$. Déterminer son rayon et son domaine de définition.
- Pour $x\in[-1,1]$, poser $T(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}x^n/n^2$. Exprimer $T(x)$ puis $S(x)$ à l'aide d'intégrales.
Soit $a\in]0,1[$ et $f:\R\to\R$ dérivable telle que $f'(x)=f(ax)$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^\infty$ et exprimer $f^{(n)}$ en fonction de $f$.
- Montrer que $f$ est égale en tout point à sa série de Taylor en 0.
Pour $n\in\N$, noter $T_n$ le coefficient de $X^n$ dans $(1+X+X^2)^n$.
- Pour $R>0$, montrer que $$T_n=\frac1{2\pi R^n}\int_{-\pi}^{\pi} (1+Re^{i\theta}+R^2e^{2i\theta})^ne^{-in\theta}d\theta.$$
- En déduire que $T_n\leq3^n$.
- Établir la représentation intégrale gaussienne du coefficient obtenue par le changement d'échelle $t=\theta\sqrt{2n/3}$.
- Montrer que l'intégrale transformée admet une limite et la calculer. En déduire un équivalent de $T_n$.
- Montrer que $I=\int_0^{+\infty}e^{-t^2}dt$ converge et que $$I=\lim_{n\to+\infty}\int_0^{\sqrt n}\left(1-\frac{t^2}{n}\right)^ndt.$$
- En déduire que $I=\lim_{n\to+\infty}\sqrt n\,I_{2n}/2$, où $I_n=\int_0^{\pi/2}\cos^n(t)dt$.
- Montrer que $nI_nI_{n-1}=\pi/2$ et en déduire $I_n\sim\sqrt{\pi/(2n)}$.
- Montrer que $I=\sqrt\pi/2$.
Soit $p\geq1$. Pour $n\in\N$, on pose $$S_n=\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom nk\frac1{1+pk}.$$
- Montrer que $S_n=\int_0^1(1-t^p)^ndt$, puis que $$S_n=\frac1p\int_0^1(1-u)^nu^{1/p-1}du.$$
- Montrer que, pour $n\geq1$, $$S_n=\prod_{k=1}^n\frac1{1+1/(pk)}.$$
- Déterminer un équivalent de $S_n$ quand $n\to+\infty$.
Soit $f(x)=\int_0^1|\ln(t)|^xdt$.
- Déterminer son domaine de définition $D$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^\infty$ sur $D$.
- Calculer $f^{(n)}$ pour tout $n\in\N$.
Soit $f(\alpha)=\int_0^{+\infty}\frac{dx}{x^\alpha(x+1)}$.
- Déterminer l'ensemble de définition $D$ de $f$.
- Montrer que $f$ est continue sur $D$.
- Déterminer un équivalent de $f(\alpha)$ quand $\alpha\to0^+$.
Soit $I(x)=\frac1\pi\int_0^{\sqrt\pi}e^{x\cos t}dt$. Montrer que $$I(x)\sim_{x\to+\infty}\frac{e^x}{\sqrt{2\pi x}}.$$ Indication : poser $u=\sqrt{x}\,t$ et utiliser $\int_0^{+\infty}e^{-u^2}du=\sqrt\pi/2$.
Soit $\alpha\in]0,1[$ et $$f(\theta)=e^{i\alpha\theta}\int_0^{+\infty} \frac{u^{\alpha-1}}{1+ue^{i\theta}}du.$$
- Déterminer le domaine de définition $D$ de $f$.
- Poser $g(u)=\frac{u^\alpha}{1+ue^{i\theta}}$. Montrer que $f$ est de classe $C^1$ sur $D$ et que $f'(\theta)=ie^{i\alpha\theta}\int_0^{+\infty}g'(u)du$. En déduire que $f$ est constante sur chaque intervalle de $D$.
- Pour $\theta\in]-\pi,\pi[$, établir la relation trigonométrique donnée par l'intégrale et en déduire $$\sin(\alpha\theta)f(\theta)=\int_0^{+\infty} \frac{(u\sin\theta-\cos\theta)^\alpha}{1+u^2}du.$$
Soient $$F(x)=\int_0^1\frac{e^{-x^2(1+t^2)}}{1+t^2}dt,\qquad G(x)=\int_0^xe^{-t^2}dt.$$
- Montrer que $F,G$ sont définies et de classe $C^1$ sur $\R$.
- Montrer que $x\mapsto F(x)+G(x)$ est constante et déterminer sa valeur.
- En déduire la convergence et la valeur de $\int_0^{+\infty}e^{-t^2}dt$.
- Montrer que, pour tout $x>0$, $$\int_0^{+\infty}\frac{\arctan(x/t)}{1+t^2}dt =\int_0^x\frac{\ln t}{t^2-1}dt.$$
- En déduire la valeur de $\int_0^1\frac{\ln t}{t^2-1}dt$.
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}\frac{\arctan(xt)}{t(1+t^2)}dt$.
- Montrer que $|\arctan u|\leq|u|$ pour tout $u\in\R$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^1$ sur $\R$.
- Pour $x^2\neq1$, déterminer $A(x),B(x)$ tels que $$\frac1{(1+t^2)(1+x^2t^2)}=\frac{A(x)}{1+t^2} +\frac{B(x)}{1+x^2t^2}.$$
- Montrer que $f'(x)=\frac{\pi}{2(1+x)}$ pour $x>0$, puis exprimer $f(x)$.
Soit $f(x)=\int_0^{2\pi}\ln(x^2-2x\cos t+1)dt$.
- Déterminer le domaine de définition de $f$ et montrer que $f$ y est continue.
- Exprimer $f(x)$ sans signe intégral.
Soit $E=C^0([0,1],\R)$ et $$k(x,t)=\begin{cases}t^2/x&0\leq t<x\leq1,\\ x^2/t&0\leq x<t\leq1,\\1&x=t.\end{cases}$$ Pour $f\in E$, poser $T(f)(x)=\int_0^1k(x,t)f(t)dt$.
- Pour $x>0$, établir $$T(f)(x)=\frac1x\int_0^xt^2f(t)dt+x^2\int_x^1\frac{f(t)}t dt.$$ Montrer que $T(f)$ est continue sur $[0,1]$, calculer $T(f)(0)$ et montrer que $T$ est un endomorphisme de $E$.
- Montrer que $T(f)$ est de classe $C^1$ sur $[0,1]$, calculer $T(f)'(0)$, puis montrer qu'elle est de classe $C^2$ sur $]0,1]$.
- Résoudre sur $]0,1]$ l'équation différentielle $y''-\frac2{x^2}y=-3f$. Indication : chercher les solutions homogènes sous la forme $x\mapsto x^n$, avec $n\in\Z$.
- Soient $a,c>0$. Montrer que $$\int_0^1\frac{t^{a-1}}{1+t^c}dt= \sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{a+nc}.$$
- En déduire la valeur de cette somme pour $a=1,c=3$.
Donner une expression de l'intégrale $$I=\int_0^{+\infty}\frac{\ln^2(x)}{1+x^2}dx.$$
Pour $n\geq1$, on pose $f_n(x)=e^{-nx}-2e^{-2nx}$ pour $x>0$.
- Montrer que $f_n$ est intégrable sur $\R_+^*$ et calculer son intégrale. En déduire la valeur de $\sum_{n=1}^{+\infty}\int_0^{+\infty}f_n(x)dx$.
- Poser $S(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}f_n(x)$. Exprimer $S(x)$, montrer qu'elle est intégrable sur $\R_+^*$ et calculer son intégrale.
Soient $f\in C^0(\R,\C)$ et $\theta\in\C$. Donner l'unique solution de $z'+\theta z=f$ telle que $z(0)=0$.
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}e^{-xt}\ln(t)dt$.
- Montrer que $f$ est bien définie sur $\R_+^*$.
- Montrer que $f$ est solution de $x^2y'+xy+1=0$.
Soit $f\in C^0([0,1],\R)$ telle que, pour $x\in]0,1[$, $$f(x)=\int_1^{1-x}\frac{f(t)}t dt.$$
- Montrer que $f$ est de classe $C^2$ sur $]0,1[$.
- Donner une équation différentielle linéaire homogène d'ordre 2 vérifiée par $f$ sur $]0,1[$.
- Résoudre cette équation en posant $g(x)=f(x)/x$.
Soit $f(x)=\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{n!}{1\cdot3\cdots(2n+1)}x^{2n+1}$.
- Déterminer le rayon de convergence de $f$.
- Montrer que $f$ vérifie $(x^2-2)y'+xy+2=0$. En déduire une expression de $f$ et déterminer son intervalle de définition.
On considère l'équation différentielle $2xy''+y'-y=0$.
- Déterminer une solution développable en série entière, solution de l'équation et telle que $f(0)=1$.
- Exprimer cette fonction à l'aide des fonctions usuelles.
- Déterminer l'ensemble des solutions de l'équation.
On considère $x^2y''(x)-2xy'(x)+2y(x)=2(1+x)$.
- Trouver les solutions homogènes de la forme $x^\alpha$ sur $]0,+\infty[$ et donner une base de l'espace des solutions.
- Trouver une solution particulière sous la forme $\alpha(x)x+\beta(x)x^2$ sur chacun des intervalles $]-\infty,0[$ et $]0,+\infty[$, avec $\alpha'(x)x+\beta'(x)x^2=0$.
- Existe-t-il des solutions sur $\R$ ?
On considère $y''+(1-2/x^2)y=0$ sur $]0,+\infty[$.
- Montrer que ses solutions sont de classe $C^2$.
- Poser $f(x)=\sin(x)/x-\cos(x)$. Montrer que $f$ est solution, se prolonge en une fonction développable en série entière en 0, et possède une infinité de zéros sur $]0,+\infty[$.
- Poser $g_\omega(x)=\cos(x)/x+\omega\sin(x)$. Déterminer les $\omega$ pour lesquels $g_\omega$ est solution et montrer qu'elle a une infinité de zéros.
- Montrer que toute solution possède une infinité de zéros.
On considère $(t^2+1)y''-2y=0$.
- Déterminer une solution polynomiale non nulle $\varphi$.
- Résoudre l'équation en posant $y=\varphi z$.
Soit $f(x,y)=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{x^n}{1+y^{2n}}$.
- Déterminer et représenter graphiquement le domaine de définition de $f$.
- Étudier l'existence de ses dérivées partielles d'ordre 1.
Étudier les extrema de $g:(x,y)\in(\R_+^*)^2\mapsto x\ln(y)-y\ln(x)$.
Soient $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien, $f\in\mathcal S_{++}(E)$ et $v\in E$.
- Montrer que $\langle f(x),x\rangle>0$ pour tout $x\neq0$.
- Montrer que $g(x)=\frac12\langle f(x),x\rangle-\langle v,x\rangle$ est de classe $C^1$.
- Montrer que $g$ possède un unique point critique $c$.
- Montrer que $g$ atteint en $c$ un minimum global.
Probabilités
Soit $X\sim\mathcal P(\lambda)$ avec $\lambda>0$.
- Déterminer $\P(X\in2\N)$ et $\P(X\in2\N+1)$, puis les comparer.
- Poser $Y=(-1)^X$. Déterminer la loi et l'espérance de $Y$.
Une urne contient $n$ boules dont $p$ blanches et $n-p$ noires. On effectue des tirages successifs sans remise. Déterminer la loi et l'espérance du rang de la dernière boule blanche tirée.
Soit $N\geq2$. On tire sans remise les $N$ boules numérotées de 1 à $N$. On note $B_i$ le résultat du $i$-ième tirage. Pour $1\leq p\leq N$, soit $X_p$ le nombre de $p$-croissances, c'est-à-dire de $i$ tels que $B_i<B_{i+1}<\cdots<B_{i+p}$. Déterminer $\E(X_p)$ et calculer $V(X_1)$.
Soit $Z=X+Y$, où $X,Y$ sont les résultats de deux dés.
- Pour des dés équilibrés, déterminer la loi de $Z$, son espérance et sa variance.
- Peut-on truquer les dés pour que $Z$ suive la loi uniforme sur $\{2,\ldots,12\}$ ?
- Soit $P\in\R[X]$ et $\alpha$ une racine complexe non réelle. Montrer que $\overline\alpha$ est aussi racine de $P$, avec la même multiplicité.
- Soient $X,Y$ indépendantes et uniformes sur $\{1,\ldots,6\}$. Montrer que si $X',Y'$ sont indépendantes, à valeurs dans $\{1,\ldots,6\}$, et $X'+Y'$ a la même loi que $X+Y$, alors $X'$ et $Y'$ sont uniformes.
Soit $(a_n)_{n\geq1}$ définie par $a_1=0$, $a_2=1$ et $a_n=a_{n-1}+a_{n-2}$ pour $n\geq3$.
- Montrer que $\sum_{n\geq2}a_n/2^n$ converge et calculer sa somme.
- On lance une pièce équilibrée et $X$ est le rang d'apparition du premier motif face-face. Déterminer la loi de $X$.
- Calculer $\E(X)$ et $V(X)$.
- Donner un équivalent de $\P(X=n)$.
On joue à pile ou face, avec probabilité de pile $p\in]0,1[$. On s'arrête quand on a obtenu deux piles, pas nécessairement consécutifs. Soit $X$ le nombre de faces obtenues. Montrer que $X$ est d'espérance finie et la calculer.
Soit $(X_n)_{n\geq1}$ une suite i.i.d. de Bernoulli de paramètre $1/2$, représentant les lancers d'une pièce équilibrée. Pour $n\geq2$, $(Y=n)$ est l'événement où les deux premiers piles consécutifs apparaissent aux rangs $n,n+1$ ; $(Y=0)$ signifie qu'ils n'apparaissent jamais. Soit $C_n$ l'événement qu'il n'y ait pas deux piles consécutifs parmi $(X_1,\ldots,X_n)$, avec $\P(C_0)=1$.
- Montrer que $\P(Y=n)=\frac18\P(C_{n-2})$.
- Montrer que $\P(C_n)=\frac14\P(C_{n-2})+\frac12\P(C_{n-1})$.
- En déduire $\P(Y=n)$ et $\P(Y=0)$, et interpréter.
- Montrer que $Y$ admet une espérance finie et calculer $\E(Y)$ de deux manières.
Soit $n\geq2$. On tire indépendamment et uniformément dans un ensemble de $n$ jetons distincts jusqu'à les avoir tous obtenus. On note $T_n$ le nombre de tirages nécessaires et $X_{n,k}$ le nombre de tirages entre l'obtention du $(k-1)$-ième et du $k$-ième jeton distinct. Ainsi $T_n=\sum_{k=1}^nX_{n,k}$.
- Déterminer $\E(T_n)$ et $V(T_n)$ en fonction de $H_n=\sum_{k=1}^n1/k$ et $S_n=\sum_{k=1}^n1/k^2$.
- Donner des équivalents de ces quantités quand $n\to+\infty$.
- Montrer que, pour $t\in[-1,1]$, $$G_n(t)=\frac{n!}{n^n}t^n\prod_{k=1}^{n-1}\frac1{1-(k/n)t}.$$
- À l'aide de la décomposition en éléments simples de $G_n(t)/t$, établir sa décomposition en fractions simples.
- En déduire une expression de $\P(T_n=m)$ pour $m\geq n$.
Soit $X$ une variable aléatoire de loi géométrique de paramètre $p\in]0,1[$. On définit $f_X(t)=t^X\sin(X/t)$.
- Déterminer la probabilité que $f_X$ soit prolongeable en une fonction de classe $C^1$ sur $\R$.
- Quelle est cette probabilité pour la classe $C^p$, avec $p\geq2$ ?
Soit $X\sim\mathcal G(p)$, avec $p\in]0,1[$, et $Y=\int_0^{2\pi}\sin^X(t)dt$. Montrer que $Y$ est une variable aléatoire qui admet une espérance, puis calculer celle-ci.
Un immeuble compte 7 étages et une personne recherchée s'y trouve avec probabilité $p\in]0,1[$. Si elle est présente, chaque étage est équiprobable. On a vainement cherché dans les six premiers étages. Quelle est la probabilité qu'elle soit au dernier étage ?
On considère $n$ équipes de division 1 et $n$ équipes de division 2, réparties en $n$ matchs, chaque appariement étant équiprobable. On note $p_n$ la probabilité que chaque match oppose des équipes de divisions différentes et $q_n$ celle que chaque match oppose des équipes de même division.
- Déterminer $p_n$ et $q_n$.
- Étudier les suites $(p_n)$ et $(q_n)$.
Soient $X_1,\ldots,X_n$ i.i.d. de loi de Bernoulli de paramètre $p\in]0,1[$, $U=(X_1,\ldots,X_n)^T$ et $M=UU^T$.
- Donner les lois de $\operatorname{rg}(M)$ et $\operatorname{Tr}(M)$.
- Quelle est la probabilité que $M$ soit la matrice d'un projecteur ?
Soit $A=\begin{pmatrix}X&1\\0&Y\end{pmatrix}$, où $X,Y$ sont indépendantes de lois géométriques de paramètres respectifs $p,q$.
- Quelle est la probabilité que $A$ soit diagonalisable ?
- Quelle est la probabilité que $A$ soit inversible ?
Soient $X,Y$ indépendantes de loi géométrique de paramètre $p\in]0,1[$ et $M=\begin{pmatrix}X&Y\\Y&X\end{pmatrix}$.
- Déterminer la probabilité que $M$ soit inversible.
- Noter $U,V$ les plus grandes et plus petites valeurs propres de $M$. Calculer $\operatorname{Cov}(U,V)$ et étudier leur indépendance.
- Poser $Z=\max(X,Y)$. Calculer $\E(Z)$.
Fixer $a\in]0,1[$ et $b>0$. Soit $(X,Y)$ à valeurs dans $\N^2$ tel que $$\P(X=i,Y=j)=\begin{cases}0&i<j,\\ e^{-b}\dfrac{b^ja^j(1-a)^{i-j}}{j!(i-j)!}&i\geq j.\end{cases}$$
- Déterminer les lois de $X,Y$, leurs espérances et variances.
- Ces variables sont-elles indépendantes ?
- Déterminer la loi de $Z=X-Y$.
Soient $X,Y$ indépendantes avec $X\sim\mathcal G(p)$, $Y\sim\mathcal G(q)$, où $p,q\in]0,1[$. On pose $U=X/Y$.
- Déterminer la loi de $U$.
- Calculer $\E(U)$.
- Pour $p=q$, montrer que $\E(U)>1$.
Soient $X_1,\ldots,X_n$ i.i.d. uniformes sur $\{-1,1\}$ et $S_n=X_1+\cdots+X_n$. Fixer $r>0$.
- Montrer que $\operatorname{ch}(t)\leq e^{t^2/2}$ pour $t>0$.
- Montrer que, pour $t>0$, $$\P(S_n/n\geq r)\leq\E(e^{t(S_n/n-r)}).$$
- En déduire que $\P(S_n/n\geq r)\leq e^{-nr^2/2}$.
Soit $\alpha>0$.
- Montrer qu'il existe une variable aléatoire $X$ à valeurs dans $\N$ de fonction génératrice $G_X(t)=(2-t)^{-\alpha}$.
- Si $\alpha\in\N^*$, donner un équivalent de $\P(X=n)$.
- Pour $\lambda>0$, montrer que $\P(X\geq\lambda+\alpha)\leq2\alpha/\lambda^2$.
Soient $(\lambda_n)_{n\geq0}$ des réels positifs et $(X_n)_{n\geq0}$ des variables indépendantes avec $X_n\sim\mathcal P(\lambda_n)$. Déterminer la loi de $S=\sum_{n=0}^{+\infty}X_n$.
On considère une marche aléatoire sur $\Z^2$ issue de l'origine, avec déplacements indépendants et équiprobables vers l'est, l'ouest, le nord ou le sud. On note $A_n=(X_n,Y_n)$ sa position après $n$ pas.
- Déterminer $\E(X_n),V(X_n)$ puis $\E(Y_n),V(Y_n)$.
- Poser $Z_n=\|A_n\|_2=\sqrt{X_n^2+Y_n^2}$. Montrer que $\E(Z_n)\leq\sqrt n$.
- Montrer que $\sum_{i=0}^n\binom ni^2=\binom{2n}n$, puis déterminer $\P(Z_n=0)$.
Soit $p\in]0,1[$ et $X_n\sim\mathcal B(n,p)$.
- Rappeler la formule de Stirling.
- Montrer que, pour tout $t\in\R$, $$\E\left(\exp\left(t\frac{X_n-\E(X_n)}{\sqrt{V(X_n)}}\right)\right) \longrightarrow e^{t^2/2}.$$
Pour $n\geq1$, poser $f_n(x)=e^{-x}\sum_{k=0}^n\frac{x^k}{k!}$, $x\geq0$.
- Montrer que $f_n(x)=1/2$ admet une unique solution $a_n\geq0$ et que $(a_n)$ est croissante.
- Soit $(X_i)$ i.i.d. de loi de Poisson de paramètre $\lambda$ et $S_n=\sum_{k=0}^nX_k$. Donner la loi, l'espérance et la variance de $S_n$. Par Bienaymé-Tchebychev, montrer que $\P(S_n\geq n)\to0$ si $\lambda<1$ et tend vers 1 si $\lambda>1$.
- Utiliser $\P(S_n\geq n)=f_n(n\lambda)$ pour montrer que $a_n\sim n$.
Mines-Ponts PC 2026
Algèbre
On pose $a=(5\sqrt2+7)^{1/3}$ et $b=(5\sqrt2-7)^{1/3}$. Calculer $a^3-b^3$, $ab$ et $a-b$.
Soit $z=\frac12(1+i\sqrt7)$. Montrer que, pour tout $n\geq1$, $2\operatorname{Re}(z^n)$ est un entier impair.
Calculer $$\sum_{0\leq3k\leq n}\binom n{3k}\quad\text{et}\quad \sum_{0\leq3k\leq n}(-1)^k\binom n{3k}.$$
Soit $(a_0,\ldots,a_n)\in K^{n+1}$. Montrer que tout $Q\in K_n[X]$ peut s'écrire sous la forme $\sum_{k=0}^na_kP^{(k)}$ si et seulement si $a_0\neq0$.
Soit $n\in\N$.
- Montrer que $x\mapsto\frac{(x+1)^n-1}{x}$ est polynomiale ; noter $P$ le polynôme associé.
- Pour $n\geq2$, montrer que les affixes des racines de $P$ sont sur un cercle à déterminer.
- Calculer $\prod_{k=1}^{n-1}\sin\left(\frac{k\pi}{n}\right)$.
Pour $P\in\R[X]$ non constant, soit $\Omega_P$ l'ensemble des $r\in\R$ tels que $P+r$ soit scindé à racines simples sur $\R$.
- Donner un exemple tel que $\Omega_P=\varnothing$.
- Montrer que $\Omega_P$ est un intervalle ouvert.
Déterminer les polynômes $P\in\R[X]$ tels que $P(X)P(X-1)=P(X^2)$.
Soient $n\geq2$ et $P=X^n-3X+7$, de racines complexes $\lambda_1,\ldots,\lambda_n$ comptées avec multiplicité.
- Déterminer le nombre de racines réelles distinctes de $P$.
- Déterminer le nombre de racines complexes distinctes de $P$.
- Expliciter $Q=\prod_{i=1}^n\left(X-\frac{\lambda_i}{1+\lambda_i}\right)$.
- Expliciter $R=\prod_{i=1}^n(X-\lambda_i^2)$.
Soient $n\geq1$, $P\in\R_n[X]$ tel que $P(0)=1$, $P(1)=0$, $U_n$ l'ensemble des racines $n$-ièmes de l'unité et $U$ le cercle unité.
- Calculer $\sum_{\omega\in U_n}|P(\omega)|^2$ en fonction des coefficients de $P$.
- En déduire que $\sup_{z\in U}|P(z)|\geq\sqrt{1+1/n}$.
- Pour $\theta\not\equiv0\ [\pi]$ et $n\in\N$, montrer qu'il existe $P\in\R_n[X]$ tel que $$\sin((2n+1)\theta)=\sin^{2n+1}(\theta) P\left(\frac{\cos^2\theta}{\sin^2\theta}\right),$$ où $P(X)=\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom{2n+1}{2k+1}X^{n-k}$.
- En déduire $$\sum_{k=1}^n\frac1{\cos^2(k\pi/(2n+1))\sin^2(k\pi/(2n+1))} =\frac{n(2n-1)}3,$$ puis $\sum_{k=1}^{+\infty}k^{-2}=\pi^2/6$.
On pose $E=\{Q^2+XR^2:(Q,R)\in\R[X]^2\}$.
- Montrer que $E$ est stable par produit.
- Comparer par inclusion $E$ et $G=\{P\in\R[X]:\forall x\in\R_+,\ P(x)\geq0\}$.
Soient $a_0,\ldots,a_{n-1}\in\C$ et $P(X)=X^n+\sum_{k=0}^{n-1}a_kX^k=\prod_{j=1}^n(X-\lambda_j)$. Poser $\rho=\max_j|\lambda_j|$.
- Déterminer le nombre de racines réelles strictement positives de $X^n-\sum_{k=0}^{n-1}|a_k|X^k$.
- Si $r\geq0$ et $r^n\geq\sum_{k=0}^{n-1}|a_k|r^k$, montrer que $\rho\leq r$.
- Montrer que $\rho\leq\max(1,\sum_{k=0}^{n-1}|a_k|)$.
- En utilisant $Q(X)=(X-1)P(X)$, montrer que $\rho\leq|a_0|+\sum_{k=0}^{n-1}|a_{k+1}-a_k|$, où $a_n=1$.
- Montrer qu'il existe une unique famille $(L_k)_{0\leq k\leq n}$ de polynômes de $\R_n[X]$ telle que $L_i(j)=\delta_{i,j}$.
- Préciser le coefficient dominant de $L_k$.
- Soit $P\in\R[X]$ unitaire de degré $n$. Montrer que $\max_{0\leq k\leq n}|P(k)|\geq n!/2^n$.
Soit $\Delta:P\mapsto P(X+1)-P(X)$.
- Montrer que, pour $P\in\R[X]$ et $n\in\N$, $$\Delta^n(P)=\sum_{k=0}^n\binom nk(-1)^{n-k}P(X+k).$$
- En déduire que, pour $P\in\R_{n-1}[X]$, $\sum_{k=0}^n\binom nk(-1)^{n-k}P(k)=0$.
- Déterminer $\inf_{P\in\R_{n-1}[X]}\sum_{k=0}^n(k^n-P(k))^2$.
Soit $P\in\R[X]$ non constant sans racine réelle, de racines complexes $z_1,\ldots,z_n$ comptées avec multiplicité.
- Pour $z\notin\{z_1,\ldots,z_n\}$, montrer que $$\left|\frac{P'(z)}{P(z)}\right|^2\leq n\sum_{k=1}^n\frac1{|z-z_k|^2}.$$
- Montrer qu'il existe une constante $\alpha$ telle que, pour $n\geq2$ et tout tel $P\in\R_n[X]$, $$\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{P'(x)^2}{P(x)^2+P'(x)^2}dx \leq\alpha n^{3/2}.$$
Soit $n\geq1$. Déterminer le plus petit sous-espace de $\mathcal L(\R^n)$ contenant toutes les symétries vectorielles.
Soient $E$ un $K$-espace vectoriel, $(v_1,\ldots,v_n)\in E^n$ et $(\lambda_1,\ldots,\lambda_n)\in K^n$. Poser $w=\sum_{k=1}^n\lambda_kv_k$. Montrer que $$\operatorname{rg}(v_1+w,\ldots,v_n+w)=n$$ si et seulement si $\operatorname{rg}(v_1,\ldots,v_n)=n$ et $\lambda_1+\cdots+\lambda_n\neq-1$.
Soit $D=\operatorname{Diag}(-1,4)$. Trouver les matrices $M\in M_2(\R)$ telles que $M^3-2M=D$.
Soit $$A=\begin{pmatrix}-1&2&0&8\\-1&2&4&-4\\0&0&2&-6\end{pmatrix}.$$
- Donner une base de $\operatorname{Im}(A)$.
- Donner une base de $\Ker(A)$.
- Trouver $P\in GL_3(\R)$ et $Q\in GL_4(\R)$ tels que $PAQ=J_2=\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&0&0\end{pmatrix}$.
- Pour $n\geq2$, montrer que $\{M\in M_{n,3}(\R):MA=0\}$ est un sous-espace vectoriel de dimension à déterminer.
Soient $A\in GL_n(\R)$ et $X\in\R^n$. Montrer que $$X^TA^{-1}X=\frac{\det(A+XX^T)}{\det A}-1.$$
- Soit $a\in\R$. Montrer que $A=\begin{pmatrix}1&a\\0&1\end{pmatrix}$ est semblable à son inverse.
- Soit $M=\begin{pmatrix}1&a&b\\0&1&c\\0&0&1\end{pmatrix}$, avec $a,b,c\in\R$. Expliciter $M^{-1}$ et montrer que $M-I_3$ et $M^{-1}-I_3$ sont semblables.
- Soit $E$ un $K$-espace vectoriel de dimension $n$ et $F$ un sous-espace de dimension $r<n$. Montrer qu'il existe une base $(e_1,\ldots,e_n)$ de $E$ telle que $e_k\notin F$ pour tout $k$.
- Quelles sont les matrices $A\in M_d(K)$ telles que toute matrice semblable à $A$ possède au moins une colonne nulle ?
Soit $A\in M_n(\C)$ telle que $A^2=A$ et $r=\operatorname{rg}(A)$. Poser $E=\{M\in M_n(\C):AM+MA=0\}$.
- Déterminer le nombre de sous-espaces vectoriels de $\C^n$ stables par $A$.
- Déterminer $\dim E$.
Soit $B\in M_n(\C)$ dont les coefficients diagonaux sont nuls. Pour $z\in\C^*$, poser $A(z)=(z+z^{-1})I_n+B$.
- Montrer qu'il existe $R>0$ tel que $A(z)$ soit inversible si $0<|z|<R$.
- Trouver $N\geq1$ tel que $z\mapsto z^N\det(A(z))$ admette une limite finie non nulle en 0 et préciser cette limite.
Soit $A\in M_n(K)$ de rang $r$. Poser $E_A=\{M\in M_n(K):AMA=0\}$. Calculer $\dim E_A$.
Soient $A,B\in M_n(\R)$ et $M=\begin{pmatrix}A&-B\\B&A\end{pmatrix}$. Montrer que $\det(M)\geq0$.
Soit $A\in M_n(\R)$ telle que $A^n=0$ et $A^{n-1}\neq0$.
- Montrer qu'il existe $x_0\in\R^n$ tel que $(x_0,Ax_0,\ldots,A^{n-1}x_0)$ soit une base de $\R^n$.
- Poser $C(A)=\{M\in M_n(\R):AM=MA\}$. Montrer que $C(A)$ est un espace vectoriel et que $(I_n,A,\ldots,A^{n-1})$ en est une base.
Soient $A,B\in M_n(\C)$ telles que $\operatorname{rg}(AB-BA)=1$. Montrer que $\operatorname{Im}(B)$ ou $\Ker(B)$ est stable par $A$.
Soit $S_n$ l'ensemble des permutations de $\{1,\ldots,n\}$.
- Pour $\sigma\in S_n$, montrer que $\varphi_\sigma:s\mapsto s\circ\sigma$ est une permutation de $S_n$.
- Soit $(e_1,\ldots,e_n)$ une base de $E$ et $f_\sigma\in\mathcal L(E)$ définie par $f_\sigma(e_i)=e_{\sigma(i)}$. Montrer que $p_n=\frac1{n!}\sum_{\sigma\in S_n}f_\sigma$ est un projecteur et déterminer son noyau et son image.
Soient $E$ un $K$-espace vectoriel de dimension $n\geq1$ et $(e_1,\ldots,e_n)$ une base.
- Caractériser les hyperplans de $E$ par une équation linéaire en les coordonnées dans cette base.
-
Soient $(f_1,\ldots,f_n)$ une famille libre de $\mathcal L(E,K)$ et $\Phi:x\mapsto(f_1(x),\ldots,f_n(x))$.
- Montrer que $\Phi$ est un isomorphisme.
- En déduire qu'il existe une base $(\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_n)$ telle que $f_i(\varepsilon_j)=\delta_{i,j}$.
- Soient $f\in\mathcal L(E,K)$ et $(f_1,\ldots,f_p)$ libre. Montrer l'équivalence entre $f\in\Vect(f_1,\ldots,f_p)$ et $\bigcap_{i=1}^p\Ker(f_i)\subset\Ker(f)$.
- Que dire si $(f_1,\ldots,f_p)$ est liée ?
Soient $A,B\in M_n(K)$ tels que $ABAB=0$. A-t-on nécessairement $BABA=0$ ?
- Définir $u_0\in\R^*$ et $u_{n+1}=\frac12(u_n+1/u_n)$. Étudier la suite.
-
Dans $M_p(\R)$, soit $N$ nilpotente.
- Montrer que $A=I_p+N$ est inversible.
- Justifier l'existence de $(B_n)$ définie par $B_0=A$ et $B_{n+1}=\frac12(B_n+B_n^{-1})$. Étudier cette suite.
Soit $P\in\C_n[X]$. Déterminer le rang de $M=(P(i+j))_{1\leq i,j\leq n+1}$.
Soient $f_1,\ldots,f_n$ des fonctions de $\R$ dans $\R$. Montrer que $(f_1,\ldots,f_n)$ est libre si et seulement s'il existe $(x_1,\ldots,x_n)\in\R^n$ tel que $M=(f_i(x_j))_{1\leq i,j\leq n}$ soit inversible.
Soient $K=\R$ ou $\C$, $n\geq1$ et $a_0,\ldots,a_n\in K$ distincts.
- Soit $P\in K[X]$ de degré $n$ et $P_j(X)=P(X+a_j)$. Montrer que $(P_0,\ldots,P_n)$ est une base de $K_n[X]$.
- Soit $Q\in K_n[X]$ et $M=(Q(a_i+a_j))_{0\leq i,j\leq n}$. Montrer que $M$ est inversible si et seulement si $\deg Q=n$.
Soit $\Delta:P\mapsto P(X+1)-P(X)$.
- Montrer que $\Delta$ stabilise $\R_n[X]$ et noter $\Delta_n$ sa restriction.
- Déterminer $\Ker(\Delta_n)$ et $\operatorname{Im}(\Delta_n)$.
- Trouver une base de $\R_n[X]$ telle que la matrice de $\Delta_n$ ne comporte que des 0 et des 1.
-
Soit $d\in\N$.
- Montrer qu'il existe $Q\in\R[X]$ tel que $Q(k)=\sum_{i=0}^ki^d$ pour tout $k\in\N$.
- Trouver de deux manières un équivalent de $Q(k)$.
Soit $d\in\N$. Poser $P_0=1$ et, pour $k\geq1$, $P_k=X(X-1)\cdots(X-k+1)$.
- Montrer que $(P_0,\ldots,P_d)$ est une base de $\R_d[X]$.
- Donner la matrice de passage depuis la base canonique et montrer que son inverse est à coefficients entiers.
- Étudier la convergence et calculer $\sum_{n=0}^{+\infty}P_d(n)/n!$.
- Montrer qu'il existe $N_d\in\N$ tel que $\sum_{n=0}^{+\infty}n^d/n!=N_de$.
Soient $E$ un espace vectoriel et $f,g\in\mathcal L(E)$. On suppose que $\operatorname{Im}(f)$ et $\operatorname{Im}(g)$ sont en somme directe. Montrer que $\operatorname{Im}(f)+\operatorname{Im}(g)=\operatorname{Im}(f+g)$ si et seulement si $E=\Ker(f)+\Ker(g)$.
Soient $\alpha_1<\cdots<\alpha_n$ et $a_1,\ldots,a_n\in\R^*$. On pose $f(x)=\sum_{i=1}^na_ix^{\alpha_i}$ pour $x>0$.
- Montrer que $f$ s'annule au plus $n-1$ fois sur $\R_+^*$.
- Soient $t_1<\cdots<t_n$ et $A=(t_i^{\alpha_j})_{1\leq i,j\leq n}$. Montrer que $\det(A)\geq0$.
Soit $E$ un espace vectoriel de dimension finie et $u\in\mathcal L(E)\setminus\{0\}$. Montrer que $u$ est une homothétie si et seulement si, pour tous $v,w\in\mathcal L(E)$, $u=v\circ w$ entraîne $u=w\circ v$.
Soient $n\geq2$ et $A\in M_n(\R)$ de rang 1 et de trace nulle. Montrer que $A$ est semblable à $E_{1,n}$.
Soit $E$ de dimension $N\geq1$, $n=\lfloor N/3\rfloor$ et $u\in\mathcal L(E)$ tels que $u^3=0$ et $\operatorname{rg}(u)\geq N-n$.
- Calculer $\operatorname{rg}(u^2)$ et montrer que $N=3n$.
- Montrer qu'il existe une base dans laquelle la matrice de $u$ est $\begin{pmatrix}0&I_n&0\\0&0&I_n\\0&0&0\end{pmatrix}$.
Résoudre dans $M_3(\R)$ l'équation $$A^3=\begin{pmatrix}1&-2&1\\1&-2&1\\1&-2&1\end{pmatrix}.$$
Soit $A\in M_3(\C)$. Montrer que $A$ et $-A$ sont semblables si et seulement si $\operatorname{tr}(A)=0$ et $\det(A)=0$.
Soit $k\in\C$ et $$A=\begin{pmatrix}0&1&0&0\\1&k&1&1\\0&1&0&0\\0&1&0&0\end{pmatrix}\in M_4(\C).$$
- À quelle condition sur $k$ la matrice $A$ est-elle diagonalisable ?
- Si elle l'est, déterminer la dimension de $\{M\in M_4(\C):AM=MA\}$.
Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $$\begin{pmatrix}0&0&0&a\\0&0&0&a\\0&0&0&a\\a&a&a&b\end{pmatrix}$$ soit diagonalisable.
Soit $E=\R^\N$ et $T:E\to E$ défini par $T((u_n))=(\frac1{n+1}\sum_{k=0}^nu_k)_{n\in\N}$. Déterminer les valeurs propres de $T$ et les dimensions de ses sous-espaces propres.
Soit $\varphi_n:\R_n[X]\to\R_n[X]$ définie par $$\varphi_n(P)(x)=\int_0^{\pi/2}P(1-x\cos t)dt.$$ $\varphi_n$ est-il diagonalisable ? Déterminer $\lim_{n\to+\infty}\operatorname{Tr}(\varphi_n)$.
Pour $t\in\R$, poser $$M(t)=\begin{pmatrix}1&1&1\\1&1&0\\1&0&t\end{pmatrix}.$$ Montrer que $M(t)$ admet trois valeurs propres $\alpha(t)<0<\beta(t)<2<\gamma(t)$. Déterminer les limites de $\alpha(t),\beta(t)$ quand $t\to+\infty$ et un développement asymptotique de $\gamma(t)$.
Soit $A=\begin{pmatrix}0&1&0\\1&0&1\\1&0&0\end{pmatrix}$.
- Montrer que $A$ est diagonalisable dans $M_3(\C)$ et possède une unique valeur propre réelle $a$, avec $a>1$.
- Montrer que $\sum_{\lambda\in\operatorname{Sp}_\C(A)}\lambda^n\in\N$ pour tout $n\geq1$.
- Déterminer la nature de $\sum\sin(\pi a^n)$.
Soit $u\in\mathcal L(\R_n[X])$ dont la matrice dans la base canonique a pour coefficients $a_{i,i+1}=i$, $a_{i+1,i}=n-i+1$, les autres étant nuls.
- Montrer que $u(P)=(1-X^2)P'+nXP$.
- Si $\lambda$ est valeur propre et $P$ un vecteur propre, montrer que $\deg P=n$ et que ses racines complexes appartiennent à $\{-1,1\}$.
- En étudiant les multiplicités de $1$ et $-1$, déterminer tous les vecteurs propres de $u$.
- Montrer que $u$ est diagonalisable.
Soit $E=M_n(\C)$ et $\rho(A)=\max\{|\lambda|:\lambda\in\operatorname{Sp}(A)\}$.
- $\rho$ est-elle une norme sur $E$ ?
- Si $A^p\to0$, montrer que $\rho(A)<1$.
- Pour $0\leq k<n$ et $|\lambda|<1$, déterminer la limite de $\binom pk\lambda^{p-k}$ quand $p\to+\infty$. On admet qu'on peut écrire $A=D+N$ avec $DN=ND$, $D$ diagonalisable et $N$ nilpotente. Montrer que $\rho(A)<1$ entraîne $A^p\to0$.
Soient $a_1,\ldots,a_n\in\C$ et $M=(m_{i,j})\in M_n(\C)$ telle que $m_{i+1,i}=a_i$ pour $1\leq i<n$, $m_{1,n}=a_n$, les autres coefficients étant nuls. Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $M$ soit diagonalisable.
Soit $$A=\begin{pmatrix}1&j&j^2\\j&j^2&1\\j^2&1&j\end{pmatrix}.$$
- Calculer $A^2$ et expliciter le noyau et l'image de $A$.
- $A$ est-elle diagonalisable ?
- Déterminer les sous-espaces stables par $A$.
- Déterminer la dimension de $\{C\in M_3(\C):AC=CA\}$.
On dit que $B\in M_2(\R)$ admet une racine carrée s'il existe $A\in M_2(\R)$ tel que $A^2=B$.
- Montrer que cette propriété est invariante par similitude.
- Les matrices $\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix}1&2\\0&1\end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix}c&-s\\s&c\end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix}-2&0\\0&-2\end{pmatrix}$ et $\begin{pmatrix}-1&2\\0&-1\end{pmatrix}$ admettent-elles une racine carrée, avec $c=\cos(2\pi/3)$ et $s=\sin(2\pi/3)$ ?
- Déterminer l'image de $A\in GL_2(\R)\mapsto A^2$.
Soient $0<a_0<\cdots<a_n$ et la matrice $$A=\begin{pmatrix}0&a_1&a_2&\cdots&a_n\\ a_0&a_2&a_1&\cdots&0\\a_n&a_0&a_1&\cdots&0\\\vdots&&&&\vdots\end{pmatrix}.$$
- Pour $\lambda\in\R$, montrer que $\lambda$ est valeur propre de $A$ si et seulement si $\lambda\notin\{-a_1,\ldots,-a_n\}$ et $\sum_{k=0}^n\frac{a_k}{\lambda+a_k}=1$.
- La matrice $A$ est-elle diagonalisable ?
Soient $A,B\in M_n(\R)$ tels que $AB-BA=A$. On pose $\psi:M\mapsto MB-BM$.
- Montrer que $\psi$ est un endomorphisme.
- Montrer que $\psi(A^k)=kA^k$ pour tout $k\in\N$ et préciser $\operatorname{tr}(A)$.
- Montrer que si $A$ n'est pas nilpotente alors $\psi$ admet une infinité de valeurs propres. Conclure.
- Soit $A=(a_{i,j})\in M_n(\C)$ telle que $|a_{i,i}|>\sum_{j\neq i}|a_{i,j}|$ pour tout $i$. Montrer que $A$ est inversible.
- Montrer que toutes les valeurs propres de $A$ appartiennent à $\bigcup_{i=1}^n\{z\in\C:|z-a_{i,i}|\leq\sum_{j\neq i}|a_{i,j}|\}$.
- Soit $B=(b_{i,j})$ définie par $b_{i,j}=1$ si $|i-j|=1$ et 0 sinon. Déterminer ses valeurs propres et vecteurs propres.
Soit $E$ un $K$-espace vectoriel de dimension $n$ et $u\in\mathcal L(E)$ ayant $n$ valeurs propres distinctes $\lambda_1,\ldots,\lambda_n$.
- Montrer que $E=\bigoplus_{i=1}^nE_{\lambda_i}(u)$.
- Pour chaque $i$, donner $P_i\in K_{n-1}[X]$ tel que $P_i(\lambda_j)=\delta_{i,j}$. Caractériser $P_i(u)$.
- Si $F$ est stable par $u$, montrer que $F=\bigoplus_{i=1}^n(F\cap E_{\lambda_i}(u))$.
- Combien $E$ possède-t-il de sous-espaces stables par $u$ ?
Soient $M\in M_n(\C)$, $N=\begin{pmatrix}M&M^2\\0&M\end{pmatrix}$, $m\in\C$ et $T=\begin{pmatrix}m&m^2\\0&m\end{pmatrix}$.
- La matrice $T$ est-elle diagonalisable ?
- Pour $Q\in\C[X]$, exprimer $Q(N)$ à l'aide de $Q,M,M^2$.
- Montrer que $N$ est diagonalisable si et seulement si $M=0$.
Soient $A\in M_n(\R)$ et $T:M\mapsto AM$ sur $M_n(\R)$.
- Donner le spectre de $T$ en fonction de celui de $A$.
- Exprimer $\chi_T$ en fonction de $\chi_A$.
- Montrer que $T$ est diagonalisable si et seulement si $A$ l'est.
Soient $A\in M_n(\C)$ et $M=\begin{pmatrix}0&I_n\\A&0\end{pmatrix}\in M_{2n}(\C)$.
- Montrer que $\dim\Ker(M-\lambda I_{2n})=\dim\Ker(A-\lambda^2I_n)$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $M$ soit diagonalisable.
Soient $A\in M_n(\R)$ et $B=\begin{pmatrix}A&2A\\0&3A\end{pmatrix}\in M_{2n}(\R)$. Donner une condition nécessaire et suffisante sur $A$ pour que $B$ soit diagonalisable.
- Montrer que $M=(1_{i-j\equiv1\ (\mathrm{mod}\ n)})_{1\leq i,j\leq n}$ est diagonalisable et déterminer ses éléments propres.
- Exprimer $A=(a_{i-j\ (\mathrm{mod}\ n)})_{1\leq i,j\leq n}$ en fonction de $M$ et $(a_0,\ldots,a_{n-1})$.
- En déduire $\det(A)$.
- Soient $U,V\in M_n(\R)$. Montrer que si elles sont semblables sur $\C$, elles le sont sur $\R$.
-
Soit $A\in M_n(\R)$ telle que $A^2=-I_n$.
- Montrer que $n$ est pair.
- Avec $J=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}$, montrer que $A$ est semblable à la matrice diagonale par blocs ayant $n/2$ blocs $J$.
- Soient $E$ de dimension finie et $u,v\in\mathcal L(E)$ diagonalisables et commutant. Montrer qu'il existe une base de vecteurs propres communs.
- Soit $A\in M_n(\C)$ diagonalisable. Montrer que $M\mapsto AM-MA$ sur $M_n(\C)$ est diagonalisable.
Soient $P\in GL_n(\C)$ et $\varphi_P:M\mapsto PMP^{-1}$.
- Si $M$ est vecteur propre de $\varphi_P$ associé à $\lambda$, montrer que $\lambda\neq0$ et que soit $M$ est nilpotente, soit $\lambda$ est une racine $q$-ième de l'unité pour un $1\leq q\leq n$.
- Pour une racine $q$-ième de l'unité $\lambda$, exhiber $P$ tel que $\lambda$ soit valeur propre de $\varphi_P$.
Soit $A\in M_n(\R)$. Montrer qu'il existe une matrice diagonale $D$ à coefficients dans $\{-1,1\}$ telle que $A+D$ soit inversible.
Déterminer les matrices $A\in M_n(\R)$ telles que $A^{2026}=A^{10}$ et $\operatorname{Tr}(A)=n$.
Soient $A,B\in M_n(\C)$ tels que $A(AB-BA)=0$.
- Montrer que $(AB)^k=A^kB^k$ pour tout $k\in\N$.
- Soit $C\in M_n(\C)$ tel que $\operatorname{tr}(C^k)=0$ pour tout $k\geq1$. Montrer que $C$ est nilpotente.
- Montrer que $AB-BA$ est nilpotente.
Soient $A,B\in M_n(\C)$ telles que $AB=BA^2$. On suppose que toutes les valeurs propres de $A$ ont un module différent de 1. Montrer que $A$ et $B$ ont un vecteur propre commun.
Soient $A,B\in M_n(\C)$ telles que $AB=0$. Montrer que $A$ et $B$ ont un vecteur propre commun.
Soit $f\in\mathcal L(E)$, où $E$ est de dimension $n$. Montrer que $f$ est diagonalisable si et seulement s'il existe $n$ hyperplans $H_1,\ldots,H_n$ stables par $f$ tels que $H_1\cap\cdots\cap H_n=\{0\}$.
Soit $n\geq2$, $(e_1,\ldots,e_n)$ une base orthonormée de $\R^n$ et $f_1,\ldots,f_n\in\R^n$ tels que $\|e_k-f_k\|<1/\sqrt n$ pour tout $k$. Montrer que $(f_1,\ldots,f_n)$ est une base de $\R^n$.
Poser $$I=\inf_{(a,b)\in\R^2}\int_{-1}^1(e^t-a-bt)^2dt.$$ Justifier l'existence de $I$ et le calculer.
Soit $(E,\langle\cdot,\cdot\rangle)$ un espace euclidien de dimension $n$, $(u_1,\ldots,u_n)\in E^n$ et $f(x)=\sum_{i=1}^n\langle x,u_i\rangle u_i$.
- Montrer que $f$ est un endomorphisme de $E$.
- Montrer que $f=\operatorname{id}$ si et seulement si $(u_1,\ldots,u_n)$ est une base orthonormée.
- Soit $P$ un polynôme scindé de $\R[X]$. À l'aide de $x\mapsto e^{-x^2}P(x)$, montrer que $P'-2XP$ est scindé.
- Pour $\varphi(x)=e^{-x^2}$, montrer que, pour tout $n\in\N$, il existe $H_n\in\R[X]$ tel que $\varphi^{(n)}(x)=H_n(x)\varphi(x)$. Préciser son degré et son coefficient dominant.
- Que dire de la position relative des racines de $H_n$ et $H_{n+1}$ ?
- Montrer que $(P,Q)\mapsto\int_{-\infty}^{+\infty}P(t)Q(t)e^{-t^2}dt$ est un produit scalaire sur $\R[X]$.
- Montrer que $(((-1/2)^nH_n))_{n\geq0}$ est une famille orthogonale de polynômes unitaires pour ce produit scalaire.
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}e^{-t}(1+x_1t+\cdots+x_nt^n)^2dt$, pour $x=(x_1,\ldots,x_n)^T\in\R^n$.
- Montrer que $f$ est bien définie et de classe $C^1$ sur $\R^n$.
- Poser $u=(1,x_1,\ldots,x_n)^T$ et $M=((i+j)!)_{0\leq i,j\leq n}$. Montrer que $u^TMu=f(x)$.
Soit $E$ un $\R$-espace vectoriel. Une forme bilinéaire $B:E^2\to\R$ est dite positive si $B(u,u)\geq0$ pour tout $u$, négative si $B(u,u)\leq0$, et symétrique si $B(x,y)=B(y,x)$. On pose $C_B=\{u:B(u,u)=0\}$ et $K_B=\{u:\forall x,\ B(u,x)=0\}$.
- Sur $\R^3$, pour $B((x_1,y_1,z_1),(x_2,y_2,z_2))=x_1y_2+x_2y_1$, déterminer $C_B,K_B$.
- Pour $B$ symétrique, montrer l'équivalence entre $K_B=C_B$, $C_B$ sous-espace vectoriel, et $B$ positive ou négative.
Soit $E$ un espace vectoriel réel de dimension finie. Montrer que deux produits scalaires sur $E$ ayant le même groupe orthogonal sont proportionnels.
Pour $A\subset\N$, noter $1_A$ sa fonction indicatrice. Soient $a\geq1$, $n,m\geq1$ et $U_1,\ldots,U_m$ des parties distinctes non vides de $\{1,\ldots,n\}$ telles que $|U_i\cap U_j|=a$ pour $i\neq j$. Poser $M=(1_{U_j}(i))_{1\leq i\leq n,1\leq j\leq m}$.
- Calculer $M^TM$.
- Montrer que $\{j:[M^TM]_{j,j}=a\}$ a au plus un élément.
- Pour $X\in M_{m,1}(\R)$, calculer $X^TM^TMX$.
- Donner $\dim\Ker(M)$.
- Montrer que $m\leq n$.
Soit $E$ un espace euclidien.
- Pour $F,G$ sous-espaces, montrer que $(F+G)^\perp=F^\perp\cap G^\perp$.
- Soient $p,q$ des projecteurs orthogonaux. Montrer que $pqp$ est autoadjoint.
- Montrer que $x\mapsto pq(x)$ est diagonalisable sur $\operatorname{Im}(p)$.
- Montrer que $pq$ est diagonalisable.
Soit $p$ un projecteur d'un espace euclidien $E$.
- Montrer que $p$ est orthogonal si et seulement si $p$ est autoadjoint.
- Montrer que $p$ est orthogonal si et seulement si $\|p(x)\|\leq\|x\|$ pour tout $x\in E$.
- Si $p,q$ sont orthogonaux, montrer que $p\circ q$ est un projecteur si et seulement si $p$ et $q$ commutent.
Soient $A\in M_n(\R)$ et $k\geq2$ tels que $A^k=A^T$. Montrer que $\Ker(A)$ et $\operatorname{Im}(A)$ sont supplémentaires orthogonaux et que $A^{k+1}$ est la matrice d'un projecteur orthogonal.
Soit $A\in M_n(\R)$ telle que $A^2=A^3$ et $A^TA=AA^T$. Montrer que $A^2=A$.
Soit $A\in M_2(\R)$ telle que $A^2=A^T$ et poser $M=A^TA$.
- La matrice $M$ est-elle diagonalisable ?
- On dit que $M,N$ sont orthosemblables s'il existe $P\in O_2(\R)$ tel que $P^{-1}MP=N$. Montrer que $A$ est orthosemblable à l'une des matrices $0$, $I_2$, $\begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix}$, $\dfrac12\begin{pmatrix}-1&-\sqrt3\\\sqrt3&-1\end{pmatrix}$, $\dfrac12\begin{pmatrix}-1&\sqrt3\\-\sqrt3&-1\end{pmatrix}$.
Soient $A,B\in\mathcal S_n(\R)$ telles que $A^2=B^2$. Montrer qu'il existe $P\in O_n(\R)$ telle que $PA=B$.
Soient $n$ impair et $A,B\in M_n(\R)$ tels que $AB=0$. Montrer qu'au moins l'une des matrices $A+A^T$ et $B+B^T$ n'est pas inversible.
Soient $E$ un espace préhilbertien réel et $p\in\mathcal L(E)$ un projecteur. Montrer que $\operatorname{Im}(p)\perp\Ker(p)$ si et seulement si $\langle p(x),x\rangle\geq0$ pour tout $x\in E$.
Soit $E$ euclidien et $u\in O(E)$. Si $\lambda$ est une valeur propre de $u$, montrer que $\dim E_\lambda(u)$ est égale à sa multiplicité.
Soit $E=\R_n[X]$, muni du produit scalaire $\langle P,Q\rangle=\int_0^1P(t)Q(t)dt$. Pour $P\in E$, poser $u(P)(x)=\int_0^1(x+t)^nP(t)dt$.
- Montrer que $u\in\mathcal L(E)$.
- Montrer qu'il existe une base orthonormée de $E$ dans laquelle $u$ est diagonale.
- Montrer que, pour tous $x,y\in\R$, $$(x+y)^n=\sum_{i=0}^n\lambda_iP_i(x)P_i(y),$$ où $\lambda_i$ sont les valeurs propres de $u$ et $(P_i)$ une base orthonormée de vecteurs propres associée.
Soit $H_n=(1/(i+j+1))_{0\leq i,j\leq n-1}$ et $X=(x_0,\ldots,x_{n-1})^T$. Poser $P_X(t)=x_0+x_1t+\cdots+x_{n-1}t^{n-1}$.
- Montrer que $X^TH_nX=\int_0^1P_X(t)^2dt$. En déduire que $H_n$ est diagonalisable et que son spectre est inclus dans $\R_+^*$.
- Soit $\beta_n$ sa plus grande valeur propre. Montrer que $X^TH_nX\leq\beta_n\|X\|^2$.
- Soit $f:I\to\R$ convexe, $n\geq1$ et $x_1,\ldots,x_n\in I$. Montrer que $$f\left(\frac{x_1+\cdots+x_n}{n}\right)\leq \frac1n\sum_{k=1}^nf(x_k).$$
- Soit $S\in\mathcal S_n^+(\R)$. Montrer que $(\operatorname{Tr}(S)/n)^n\geq\det(S)$ et préciser le cas d'égalité.
On munit $M_n(\R)$ du produit scalaire $\langle A,B\rangle=\operatorname{Tr}(A^TB)$.
- Comparer $\operatorname{Tr}(A^2)$ et $\operatorname{Tr}(A^TA)$.
- Montrer que $A^TA$ est diagonalisable à valeurs propres positives.
- Comparer $\Ker(A)$ et $\Ker(A^TA)$, puis leurs rangs.
- Montrer que $A^TA$ et $AA^T$ ont mêmes valeurs propres avec mêmes multiplicités.
- Rappeler les définitions de $\mathcal S_n^+(\R)$ et $\mathcal S_n^{++}(\R)$.
- Soit $H=(1/(i+j-1))_{1\leq i,j\leq n}$. Montrer que $H\in\mathcal S_n^{++}(\R)$.
- Soit $B\in\mathcal S_n^{++}(\R)$. Montrer qu'il existe une unique $R\in\mathcal S_n^{++}(\R)$ telle que $B=R^2$. Si $A\in\mathcal S_n(\R)$, montrer que $AB$ est diagonalisable.
On munit $M_n(\R)$ du produit scalaire $\langle M,N\rangle=\operatorname{Tr}(M^TN)$. Soit $A\in GL_n(\R)$.
- Montrer que, pour tout $S\in\mathcal S_n^+(\R)$, il existe $B\in\mathcal S_n^+(\R)$ telle que $S=B^2$.
- Montrer qu'il existe $(U,S)\in O_n(\R)\times\mathcal S_n^+(\R)$ tel que $A=US$.
- Pour $V\in O_n(\R)$, établir $\|A-V\|^2=\|D-W\|^2$, où $W\in O_n(\R)$ et $D$ est une matrice diagonale semblable à $A$.
- Montrer que la distance de $A$ à $O_n(\R)$ est atteinte.
- Montrer que $A\mapsto d(A,O_n(\R))$ est lipschitzienne.
Analyse
Soit $E=\{(u_n)\in\R^\N:\sum|u_n|\text{ converge}\}$ et $\alpha=(\alpha_n)_{n\geq0}\in\R^\N$. Pour $u\in E$, poser $N(u)=\sum_{n=0}^{+\infty}\alpha_n|u_n|$. Donner une condition nécessaire et suffisante sur $\alpha$ pour que $N$ soit une norme sur $E$.
Soient $p,q>1$ tels que $1/p+1/q=1$.
- Pour $u,v\geq0$, montrer que $uv\leq u^p/p+v^q/q$.
- En déduire l'inégalité de Hölder pour deux suites finies positives.
- Que reconnaît-on pour $p=2$ ?
- Montrer l'inégalité triangulaire pour la norme $\ell^p$ sur les vecteurs à coordonnées positives.
- Montrer que l'ensemble $\ell^p$ des suites réelles telles que $\sum|u_n|^p$ converge est un espace vectoriel et que $u\mapsto(\sum_{n=0}^{+\infty}|u_n|^p)^{1/p}$ est une norme.
Pour $A\subset\N$, poser $x_A=\sum_{k\in A}(9/10)^k$.
- Justifier la définition de $x_A$.
- Soit $E=\{x_A:A\subset\N\}$. Montrer que $E$ admet une symétrie.
- Montrer que $E$ est fermé.
- Soit $z=re^{i\theta}=x+iy\in\C\setminus\R_-$ avec $\theta\in]-\pi,\pi[$. Montrer que $\theta=2\arctan\left(\frac{y}{x+|z|}\right)$.
- En déduire qu'il existe une fonction continue $L_0:\C\setminus\R_-\to\C$ telle que $z=\exp(L_0(z))$.
- Déterminer toutes les fonctions continues $L$ sur ce domaine telles que $z=\exp(L(z))$.
- Montrer qu'il n'existe pas de fonction continue $L:\C\to\C$ telle que $z=\exp(L(z))$ pour tout $z$.
Soit $\|\cdot\|$ une norme sur $M_n(\C)$.
- Montrer qu'il existe $c>0$ tel que $\|AB\|\leq c\|A\|\|B\|$.
- Pour $A\in M_n(\C)$, montrer que $(\|A^k\|^{1/k})_{k\geq1}$ converge.
Soit $\mathcal N$ l'ensemble des matrices nilpotentes de $M_n(\C)$.
- Soit $A$ de rang 1 et de trace nulle. Montrer que $A\in\mathcal N$.
- $\mathcal N$ est-il ouvert ou fermé ?
- Soient $A\in GL_n(\C)$ et $B\in\mathcal N$ commutant. Montrer que $\det(A+B)=\det(A)$.
- Soit $A\in M_n(\R)$. Montrer l'équivalence entre $\Ker(A)=\Ker(A^2)$, $\operatorname{Im}(A)=\operatorname{Im}(A^2)$, et $\Ker(A)\oplus\operatorname{Im}(A)=\R^n$.
- L'ensemble des matrices vérifiant la première propriété est-il convexe, fermé ou ouvert ?
Soit $a\in\C$ tel que $\operatorname{Re}(a)>0$ et $\operatorname{Im}(a)>0$. On définit $z_0=a$ et $z_{n+1}=\frac12(z_n+|z_n|)$. Déterminer la limite de $(z_n)$.
Soit $(u_n)_{n\geq0}$ définie par $u_1>0$ et $u_{n+1}=u_n+\frac1{n u_n}$ pour $n\geq1$.
- Étudier la convergence de $(u_n)$.
- Déterminer un équivalent de $u_n$.
Étudier la nature et déterminer la limite éventuelle de $$u_n=\prod_{k=1}^n\left(1+\frac{\sqrt{k(n-k)}}n\right).$$
Soit $\ell\in\C$. On veut montrer que $\left(1+\frac\ell n\right)^n\to e^\ell$.
- Traiter le cas $\ell\in\R$.
- Pour $\ell\in\C$, montrer que $$\left|e^\ell-\left(1+\frac\ell n\right)^n\right| \leq e^{|\ell|}-\left(1+\frac{|\ell|}n\right)^n$$ et conclure.
- Soit $(u_n)$ complexe de limite $\ell$. Montrer que $(1+u_n/n)^n\to e^\ell$.
Pour $n\geq1$, poser $P_n=-1+\sum_{k=1}^nX^k$.
- Montrer que $P_n$ admet une unique racine $u_n$ dans $\R_+$.
- Montrer que $(u_n)$ converge et déterminer sa limite $\ell$.
- Déterminer un équivalent de $u_n-\ell$.
Pour $x\geq0$ et $n\geq1$, poser $f_n(x)=\sum_{k=1}^n x^k/k-1$.
- Montrer qu'il existe un unique $x_n>0$ tel que $f_n(x_n)=0$.
- Montrer que $(x_n)$ est strictement décroissante et converge.
- Expliciter $f(x)=\lim_{n\to+\infty}f_n(x)$.
- Déterminer $\ell=\lim x_n$.
- Justifier qu'il existe $c_n\in]\ell,x_n[$ tel que $-f_n(\ell)=f_n'(c_n)(x_n-\ell)$ et en déduire un équivalent de $x_n-\ell$.
Soit $k\geq1$. Étudier la convergence et calculer la somme de $\sum_{i\geq1}\frac1{i(i+k)}$.
Pour $n\geq2$, on pose $$u_n=\frac{(-1)^n}{2n+1}\sum_{k=1}^{n-1}\frac1{2k+1}.$$
- La série $\sum u_n$ est-elle convergente ?
- Déterminer un équivalent de $u_n$.
Étudier la nature de la série de terme général $$u_n=\frac{(-1)^n}{\sum_{k=1}^n1/\sqrt{k}}.$$
Étudier la nature de $\sum\frac{\sin(\sqrt n)}n$.
Soit $a>0$. Pour $n$ assez grand, poser $$u_n=\arccos\left(\frac{\sqrt3}{2}+\frac{(-1)^n}{n^a}\right)-\frac\pi6.$$ Déterminer la nature de la série de terme général $u_n$.
Pour $n\geq1$, poser $a_n=\sum_{k=1}^n(-1)^{k+1}\sqrt{k}$. Montrer que $$a_n+\frac{(-1)^n\sqrt n}{2}$$ admet une limite $\ell>0$, puis étudier $\sum1/a_n$.
- Pour $n\in\N$, montrer qu'il existe un unique $a_n\geq0$ tel que $e^{a_n}+na_n=2$.
- Étudier la nature des séries $\sum a_n$ et $\sum(-1)^na_n$.
- Déterminer $\lim_{n\to+\infty}n(1-na_n)$.
Soit $(u_n)$ définie par $u_0=\pi/2$ et $u_{n+1}=(-1)^n\arctan(u_n)$.
- Montrer que $(u_n)$ converge.
- Montrer que $\sum u_n$ converge.
Soit $(u_n)_{n\geq1}$ réelle et $v_n=\frac1n(u_1+\cdots+u_n)$.
- Si $\sum u_n$ ne diverge pas grossièrement, montrer que $\sum v_n$ ne diverge pas grossièrement.
- Si $\sum u_n$ converge, peut-on conclure pour $\sum v_n$ ?
- On suppose $\sum u_n^2$ convergente. Montrer que $$v_n^2-2u_nv_n\leq(n-1)v_{n-1}^2-nv_n^2,$$ puis que $\sum v_n^2$ converge et $\sum_{n=1}^{+\infty}v_n^2\leq4\sum_{n=1}^{+\infty}u_n^2$.
Soit $(u_n)$ définie par $u_0>0$ et $u_{n+1}=1/(2+u_n)$. Montrer que $(u_n)$ converge vers une limite $\ell$ à préciser, et déterminer la nature de $\sum(u_n-\ell)$.
Soit $f:\R^*\to\R$ définie par $f(x)=1+\frac12\sin(1/x)$.
- Montrer que $f(f(x))\geq1$ pour tout $x\neq0$.
- Montrer que $f$ admet un unique point fixe $\ell$.
- Pour $u_0\neq0$ et $u_{n+1}=f(u_n)$, montrer que $(u_n)$ est bien définie et converge vers $\ell$.
- Déterminer la nature de $\sum(\ell-u_n)$.
Soit $f\in C^1(\R_+,\R_+^*)$.
- Si $f'(x)/f(x)\to-\infty$, montrer que $f(x+1)/f(x)\to0$ et en déduire que $\sum f(n)$ converge.
- Si $f'(x)/f(x)\to\alpha<0$, déterminer la limite de $f(x+1)/f(x)$ et, selon $\beta\in\R$, la nature de $\sum n^\beta f(n)$.
Soit $(u_n)_{n\in\N}\in\C^\N$ telle que $\sum|u_n|$ converge et $\sum_{n=0}^{+\infty}u_n^k=0$ pour tout $k\geq1$. Montrer que $(u_n)$ est la suite nulle.
Soit $(q_n)_{n\in\N}$ une suite croissante d'entiers au moins égaux à 2.
- Si $(q_n)$ est stationnaire, montrer que $\sum_{n=0}^{+\infty}(q_1q_2\cdots q_n)^{-1}\in\Q$.
- En admettant la réciproque, montrer que $e$ et $\operatorname{ch}(1)$ sont irrationnels.
- Montrer la réciproque de la première question.
Soit $(u_n)_{n\geq0}$ strictement positive et $S_n=\sum_{k=0}^nu_k$.
- Si $S_n\to+\infty$, montrer que $\sum u_n/S_n^\alpha$ converge si et seulement si $\alpha>1$.
- Si $S_n\to S>0$, poser $R_n=S-S_n$. Montrer que $\sum u_n/R_{n-1}^\alpha$ converge si et seulement si $\alpha<1$.
Étudier la fonction $f(x)=\frac{x^3}{x^2-1}\arctan(x)$ : domaine, graphe, limites et asymptotes.
- Résoudre $\sqrt{x-4\sqrt{x-4}}+\sqrt{x+5-6\sqrt{x-4}}=1$.
- Soient $x_1<\cdots<x_n$. Montrer que $x\mapsto\sum_{k=1}^n|x-x_k|$ est continue et admet un minimum.
- Pour $f_k(x)=|x-x_k|$, montrer que $(f_1,\ldots,f_n)$ est libre.
Soient $\alpha_1,\ldots,\alpha_n\in[0,1]$. Comparer $\sum_{k=1}^n\arccos(\alpha_k)$ et $\arccos(\prod_{k=1}^n\alpha_k)$.
Pour $x>0$, poser $f(x)=x^{x^{1/x}}$. Déterminer $\lim_{x\to+\infty}f(x)$, $\lim_{x\to+\infty}f(x+1)/f(x)$ et un équivalent de $f(x)$ en $+\infty$.
Soit $\lambda\in\R$. Déterminer les $f\in C^1(\R,\R)$ telles que $f'(x)=f(\lambda x)$ pour $\lambda=1$, $\lambda=-1$, puis $|\lambda|<1$.
Soit $f:\R_+\to\R$ continue et surjective. Pour $y\in\R$, montrer que $y$ admet une infinité d'antécédents. Une fonction polynomiale de $\R_+$ dans $\R$ peut-elle être surjective ?
Soit $f:\R\to\R$ continue en 0 et telle que $$\frac{f(4x)-f(x)}x\longrightarrow\ell\quad(x\to0).$$ Montrer que $f$ est dérivable en 0 et déterminer $f'(0)$.
Soit $f:[0,1]\to\R$ dérivable, non identiquement nulle, et telle qu'il existe $M>0$ vérifiant $|f'(x)|\leq M|f(x)|$ pour tout $x\in[0,1]$. Montrer que $f$ ne s'annule pas.
Soit $f:[0,1]\to\R$ continue et strictement positive.
- Pour $n\geq1$, montrer qu'il existe un unique $(a_{n,0},\ldots,a_{n,n})\in[0,1]^{n+1}$ avec $0=a_{n,0}<\cdots<a_{n,n}=1$ et $$\int_{a_{n,k-1}}^{a_{n,k}}f(t)dt=\frac1n\int_0^1f(t)dt.$$
- Déterminer la limite de $\frac1n\sum_{k=0}^na_{n,k}$.
Soit $a\in\R\setminus\{-1,1\}$ et $I(a)=\int_0^{\pi/2}\ln(1-2a\cos\theta+a^2)d\theta$.
- Montrer que $I(a)$ est bien définie.
- Calculer $I(a)$ à l'aide de sommes de Riemann. Indication : factoriser $X^{2n}-1$ dans $\R[X]$.
Pour $x\neq\pm1$, calculer $$\int_0^{2\pi}\frac{dt}{x-e^{it}}$$ à l'aide de la décomposition en éléments simples de $x\mapsto\frac{nx^{n-1}}{x^n-1}$.
Soient $f(t)=\sqrt{1-t^2}$ sur $[0,1]$ et $g(t)=1/\sqrt{1-t^2}$ sur $[0,1[$. Pour $n\geq1$, poser $$I_n=\frac1n\sum_{k=1}^nf(k/n),\qquad T_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n-1}g(k/n).$$
- Montrer que $(I_n)$ converge et déterminer sa limite.
- Montrer que $(T_n)$ converge.
- Poser $\Delta_n=I_n-\ell$. Pour $\alpha<1$, montrer que $n^\alpha\Delta_n\to0$.
Montrer qu'il existe $A,B\in\R$ tels que, pour toute fonction $2\pi$-périodique $f\in C^1(\R,\R)$, $$\sup_\R|f|\leq A\int_0^{2\pi}|f(t)|dt+B\int_0^{2\pi}|f'(t)|dt.$$
Soit $f\in C^0(\R_+,\R)$ telle que $f^2$ soit intégrable sur $\R_+$ et $$g(x)=\frac1x\int_0^xf(t)dt\quad(x>0).$$ Déterminer $\lim_{x\to0}g(x)$ et $\lim_{x\to+\infty}\sqrt{x}g(x)$, puis montrer que $g^2$ est intégrable sur $\R_+$.
- Pour quels $z\in\C$ l'intégrale $\int_1^{+\infty}t^{-z}dt$ converge ? On rappelle $t^z=\exp(z\ln t)$.
- Montrer que $\sum(1/n^z-\int_n^{n+1}t^{-z}dt)$ converge pour $\operatorname{Re}(z)>0$.
- Étudier la convergence de $\sum1/n^z$.
Pour $n\geq1$ et $x\geq0$, poser $f_n(x)=(1+x/n)^{-n}$.
- Montrer que $(f_n)$ converge simplement sur $\R_+$ vers une fonction $g$.
- Montrer que $f_n\geq g$.
- Montrer qu'il existe $\alpha_n>0$ tel que $\|f_n-g\|_\infty=(f_n-g)(\alpha_n)$.
- Montrer que $(f_n)$ converge uniformément vers $g$ sur $\R_+$.
Pour $N\in\N$ et $x\in\R\setminus\Z$, poser $S_N(x)=\sum_{k=-N}^N\frac1{x+k}$.
- Montrer la convergence simple de $(S_N)$ vers $S$ et que $S$ est impaire et 1-périodique.
- Montrer que $S$ est continue.
- On admet $S(x/2)+S((x+1)/2)=2S(x)$. Poser $f(x)=\pi\cot(\pi x)-S(x)$. Montrer que $f$ est continue, impaire et 1-périodique.
- Montrer que $f$ se prolonge continûment en 0 puis sur $\R$.
- Montrer que $f$ est majorée et atteint un maximum $M$ en $a\in\R$.
- Montrer que $f(a/2)=M$ et en déduire que $f=0$.
Soit $(a_n)$ décroissante et positive, et $f_n(x)=a_nx^n(1-x)$ sur $[0,1]$.
- Montrer que $\sum f_n$ converge simplement.
- Montrer que $\sum f_n$ converge normalement si et seulement si $\sum a_n/n$ converge.
- Montrer que $\sum f_n$ converge uniformément si et seulement si $a_n\to0$.
Soit $S(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}(-1)^n\sqrt{x+n}$.
- Étudier la continuité et la dérivabilité de $S$.
- Déterminer les limites de $S$ en 0 et en $+\infty$.
- Montrer que, pour $x>0$, $$S(x)=\frac1{\sqrt\pi}\int_0^{+\infty} \frac{e^{-tx}}{\sqrt{t}(1+e^{-t})}dt.$$
Pour $n\geq1$, poser $u_n(x)=\arctan(nx)/n^2$.
- Déterminer le domaine de définition de $S=\sum_{n=1}^{+\infty}u_n$ et étudier sa continuité.
- Donner un équivalent de $S(x)$ quand $x\to0$.
Soit $f(x)=\sum_{n\geq1}\frac{x^n}{1-x^n}$.
- Préciser son domaine de définition $D$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^1$ sur $D$.
- Pour $\psi(u)=e^{-u}/(1-e^{-u})$, trouver un équivalent de $\sum_{n\geq1}\psi(nu)$ quand $u\to0^+$.
- En déduire un équivalent de $f$ en $1^-$.
Pour $n\geq1$, poser $f_n(x)=x/(x^2+n^2)$ et $F(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}f_n(x)$.
- Déterminer le domaine de définition de $F$. Est-elle de classe $C^1$ ?
- Déterminer la limite de $F$ en $+\infty$.
- La série $\sum f_n$ converge-t-elle uniformément sur son domaine ?
Pour $n\geq1$, poser $f_n(x)=\frac{nx}{n^4+x^2}$ pour $x\geq0$ et $S=\sum_{n\geq1}f_n$.
- Montrer que la série converge simplement.
- Montrer que $S$ est continue.
- Montrer que $n^4+x^2\geq\frac12(n^2+x)^2$ et en déduire $S(x)\leq\sum_{n\geq1}\frac{\sqrt{x}}{n^2+x}$.
- Montrer que $S$ est bornée.
- Montrer que $S(x)$ ne tend pas vers 0 quand $x\to+\infty$.
Soit $\zeta(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}n^{-x}$.
- Montrer que $\zeta$ est de classe $C^\infty$ sur $]1,+\infty[$.
- Déterminer ses variations (sans les limites) et étudier sa convexité.
- Déterminer sa limite en $+\infty$.
- Déterminer un équivalent de $\zeta$ en $1$.
- $\ln(\zeta)$ est-elle convexe ?
Soit $f\in C^\infty(\R,\R)$ telle que $\sum_{n\in\N}f^{(n)}/n!$ converge uniformément sur tout segment de $\R$. Calculer $\sum_{n=0}^{+\infty}f^{(n)}/n!$.
Soit $f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\ln(n)x^n$.
- Donner son domaine de définition.
- Poser $g(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}(\ln(1+1/n)-1/n)x^n$. Déterminer le domaine de définition de $g$.
- Donner la limite et un équivalent de $f(x)$ quand $x\to1^-$.
Soit $(u_n)$ définie par $u_0=u_1=1$ et $u_{n+2}=u_{n+1}+u_n/(n+2)$.
- Déterminer la limite de $(u_n)$.
- Poser $S(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}u_nx^n$. Montrer que son rayon de convergence est strictement positif, calculer $S$ sur son domaine, puis déterminer explicitement $u_n$ et un équivalent.
Soit $(F_n)$ définie par $F_0=0$, $F_1=1$ et $F_{n+2}=F_{n+1}+F_n$. Calculer $S(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}F_nx^n$ et déterminer son rayon de convergence.
Pour $n\in\N$, poser $a_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n(t)dt$ et $h(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n$.
- Si $R$ est le rayon de convergence de $\sum a_nx^n$, donner celui de $\sum a_n^3x^n$.
- Étudier $(a_n)$.
- Que peut-on dire de $R$ ?
- Calculer $h(x)$.
- Établir une relation entre $a_{n+2}$ et $a_n$.
Soit $P\in\R[X]$ de degré 2.
- Montrer que $e^{P(x)}$ est développable en série entière $\sum a_nx^n$ et préciser son rayon de convergence.
- Montrer qu'il n'existe pas d'indice $n$ tel que $a_{n+1}=a_n=0$.
Pour $n\geq1$, poser $a_n=(-1)^n\ln(n)$ et $S(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n$.
- Déterminer le rayon de convergence et le domaine de définition de $S$.
- Montrer, en utilisant $(1+x)S(x)$, que la série converge en $x=1$.
Soit $f(x)=\sum_{k=1}^{+\infty}\ln(1+1/k)x^k$ et $R$ son rayon.
- Calculer $f(-R)$.
- Déterminer la limite et un équivalent de $f(x)$ quand $x\to R^-$.
- Calculer $\int_0^1(-1)^{\lfloor1/x\rfloor}x\,dx$.
Soit $(a_n)$ une suite réelle non nulle telle que $a_n=a_{n-1}+(n-1)a_{n-2}$ pour $n\geq2$. Déterminer une fonction de classe $C^\infty$ définie au voisinage de 0 telle que $f^{(n)}(0)=a_n$ pour tout $n\in\N$.
Soit $(a_n)$ positive telle que $\sum a_n$ converge et $f(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n$, de rayon de convergence 1. Montrer que $f(x)\to\sum_{n=0}^{+\infty}a_n$ quand $x\to1^-$. Que dire si $\sum a_n$ diverge ?
Soit $(a_n)$ sommable dans $\C$ et $g(z)=\sum_{n=0}^{+\infty}a_nz^n/n!$.
- Montrer que $g$ est définie et continue.
- Montrer que $\int_0^{+\infty}e^{-t}g(t)dt=\sum_{n=0}^{+\infty}a_n$.
- Supposons seulement que $\sum a_n$ converge. Poser $A_n=\sum_{k=0}^na_k$, $A_{-1}=0$ et $F(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}A_{n-1}x^n/n!$. Montrer que $F$ est définie, de classe $C^1$, que $\int_0^xe^{-t}g(t)dt=e^{-x}F(x)$, et que l'égalité précédente reste vraie.
Soit $f(x)=e^{-1/x}$ si $x>0$ et $f(x)=0$ si $x\leq0$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^\infty$ sur $\R$.
- Montrer que $f$ est développable en série entière au voisinage de tout $a\in\R^*$.
Soient $r>0$ et $E_r$ l'ensemble des fonctions développables en série entière sur $]-r,r[$. Pour $f\in E_r$, poser $\Phi(f)(x)=\int_0^x\frac{f(t)}{t+x}dt$.
- Montrer que $\Phi$ est un endomorphisme de $E_r$.
- Déterminer ses éléments propres.
Soit $f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{\cos(2^nx)}{n!}$.
- Justifier la définition de $f$ et préciser sa régularité.
- La fonction $f$ est-elle développable en série entière ?
Pour $n\in\N$, poser $I_n=\int_0^1\frac{t^{n+1}\ln(t)}{1-t^2}dt$.
- Montrer que $I_n$ existe.
- Exprimer $I_n$ à l'aide d'une série.
- Donner un équivalent de $I_n$.
Pour $n\geq1$, poser $$I_n=\int_0^1\frac{dt}{(1+t^4)^n},\qquad J_n=\frac1{4\sqrt n}\int_0^{+\infty}\frac{dt}{1+t^4}.$$
- Montrer que $I_n,J_n$ sont définies.
- Montrer que $(I_n)$ est monotone, puis déterminer sa limite.
- Montrer que $0\leq I_n\leq J_n$.
- Montrer que $\ln(1+\alpha)\geq\alpha/(1+\alpha)$ pour $\alpha\geq0$.
- Poser $K_n=\int_0^nt^{-3/4}(1+t/n)^{-n}dt$. Montrer que $(K_n)$ converge et calculer sa limite.
- En déduire un équivalent de $I_n$.
Pour $n\geq1$, poser $I_n=\int_0^{+\infty}\frac{\sin(nt)}{1+n^5t^3}dt$.
- Montrer que $I_n$ est bien définie.
- Déterminer sa limite puis un équivalent de $I_n$.
Pour $n\geq1$, poser $u_n=\int_0^1\frac{dt}{1+t+\cdots+t^{n-1}}$.
- Montrer que $u_n$ est bien définie et que $\sum1/k^2$ converge.
- Déterminer la limite de $(u_n)$. Poser $S(n)=\sum_{k=1}^n\frac{n^2}{(nk+1)(nk+2)}$.
- Montrer que $u_n=\ell+S(n)/n^2$ pour un réel $\ell$.
- Montrer que $(S(n))$ admet une limite finie et en déduire un équivalent de $u_n-\ell$.
- Déterminer un développement asymptotique de $u_n-\ell$ à $o(1/n^3)$.
Pour $x>-1$, poser $$f(x)=\int_0^{\pi/2}(\cos t)^xdt,\qquad g(x)=(x+1)f(x)f(x+1).$$
- Montrer que $f$ est définie et continue sur $]-1,+\infty[$.
- Établir des relations entre $f(x+2),f(x)$ puis entre $g(x+1),g(x)$.
- Montrer que $f(x+1)\sim f(x)$ quand $x\to+\infty$.
- Étudier les variations de $x\mapsto g(x)/(x+1)$.
- Calculer $g(n)$ pour $n\in\N$.
- Montrer que $g$ est constante et donner un équivalent de $f(x)$ en $+\infty$.
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}\frac{e^{-t}\ln(2+t)}{x+t}dt$.
- Déterminer son intervalle de définition $I$.
- Étudier la continuité de $f$ sur $I$.
- Donner ses limites aux bornes de $I$.
- Donner un équivalent de $f$ aux bornes de $I$.
Soient $$F(a)=\int_0^{+\infty}\frac{\operatorname{sh}(at)}{e^t-1}dt, \qquad G(a)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac1{n^2-a^2}.$$
- Montrer que $F$ est continue sur un domaine $D$ à déterminer.
- $F$ est-elle de classe $C^\infty$ sur $D$ ?
- Montrer que $G$ est continue sur son domaine de définition.
- Montrer que $F(a)=aG(a)$ pour $a\in D$.
- Montrer que $I=\int_0^{+\infty}e^{-t^2}dt$ converge.
- Pour $x\geq0$, poser $$F(x)=\int_0^1\frac{e^{-x^2(1+t^2)}}{1+t^2}dt, \qquad G(x)=\int_0^xe^{-t^2}dt.$$ Montrer que $(F+G)/2$ est constante, déterminer $\lim_{x\to+\infty}F(x)$, puis en déduire $I$.
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}\frac{t}{1+t^2}e^{-xt}dt$.
- Déterminer le domaine de définition.
- Montrer que $f$ est de classe $C^\infty$.
- Donner ses limites aux deux bornes.
- Donner un équivalent aux deux bornes.
Pour $n\in\N$ et $x\in\R$, poser $I_n(x)=\int_0^1(1-t^2)^n\cos(tx)dt$.
- Montrer que $I_n$ est de classe $C^\infty$ et exprimer $I_n'$ en fonction de $I_{n+1}$.
- Déterminer une relation de récurrence entre $I_{n+1}(0)$ et $I_n(0)$.
- En déduire la valeur de $\sum_{k=0}^n(-1)^k/((2k+1)(n-k)!)$.
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}\frac{\arctan(xt)}{t(1+t^2)}dt$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^1$ sur $\R$.
- Montrer que $f'(x)=\frac{\pi}{2(x+1)}$ pour $x>0$ et en déduire $f(x)$.
- Étudier la convergence et calculer $\int_0^{+\infty}(\arctan(x)/x)^2dx$.
Soit $E$ l'espace des fonctions continues et bornées de $\R$ dans $\R$. Pour $f\in E$, poser $$\Phi(f)(x)=\int_0^{+\infty}\frac{\arctan(tx)f(t)}{1+t^2}dt,$$ et $N(f)=\sup_{t\in\R}|f(t)|$.
- Montrer que $\Phi$ est un endomorphisme de $E$.
- Montrer que $\Phi(f)$ est de classe $C^1$.
- Pour $f_0(x)=1$ et $g=\Phi(f_0)$, calculer $g'$ et $g(1)$.
Soient $a,b>0$ et $$F(x)=\int_0^{+\infty}\frac{e^{-at}-e^{-bt}}t\cos(xt)dt.$$
- Montrer que $F$ est bien définie.
- Montrer qu'il existe $C\in\R$ tel que $$F(x)=C+\frac12\ln\left(\frac{a^2+x^2}{b^2+x^2}\right).$$
- Poser $\psi(t)=(e^{-at}-e^{-bt})/t$. Montrer que $\psi$ se prolonge en une fonction $C^1$ sur $\R_+$ et que $\psi'$ est intégrable. Calculer $C$.
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}\frac{\sin(xt)}{e^t-1}dt$.
- Montrer que $f$ est définie et continue sur $\R$.
- Montrer que $f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{x}{x^2+n^2}$.
- Déterminer la limite de $f(x)$ quand $x\to+\infty$.
- La série de fonctions $\sum x/(x^2+n^2)$ converge-t-elle uniformément ?
Soit $f(x)=\int_0^{+\infty}\frac{e^{-t}\ln(x+t)}{x+t}dt$.
- Déterminer son domaine $D$.
- Montrer que $f$ est continue sur $D$.
- Déterminer ses limites aux bornes de $D$.
- Donner des équivalents simples aux bornes de $D$.
Soit $F(x)=\int_0^{+\infty}\frac{\ln(1+xt^2)}{t(1+t^2)}dt$.
- Déterminer son domaine de définition.
- Montrer que $$F(x)=\frac12\int_0^x\frac{\ln t}{t-1}dt.$$
Soit $F(x)=\int_0^{+\infty}e^{-t^2}\cos(xt)dt$.
- Déterminer son domaine de définition.
- Montrer que $F$ est de classe $C^\infty$ sur son domaine.
- Montrer que $F$ est développable en série entière en 0 et préciser son développement.
Pour $x\in\R$, poser $G(x)=\int_0^{+\infty}e^{-t^2-x^2/t^2}dt$.
- Montrer que $G$ est définie et continue sur $\R$.
- Montrer que $G$ est de classe $C^1$ sur $]0,+\infty[$.
- Déterminer $G$.
Pour $\alpha\in\R$, lorsque cela a un sens, poser $I_\alpha=\int_1^{+\infty}|\sin(t)/t^\alpha|dt$.
- Déterminer l'ensemble $D$ des $\alpha$ pour lesquels $I_\alpha$ converge.
- Montrer que $F:\alpha\mapsto I_\alpha$ est continue sur $D$.
- Déterminer la limite et un équivalent de $F(\alpha)$ au bord inférieur de $D$.
On sait que $\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-t^2}dt=\sqrt\pi$. Soit $\varphi:\R\to\R$ continue et bornée et, pour $n\geq1$, $$\psi_n(x)=\sqrt{\frac n\pi}\int_{-\infty}^{+\infty} \varphi(y)e^{-n(x-y)^2}dy.$$
- Montrer que $\psi_n$ est bien définie et de classe $C^1$.
- Montrer que $(\psi_n)$ converge simplement sur $\R$.
Soit $f\in C^{n+1}(\R,\R)$ telle que $f(0)=0$. Pour $x\neq0$, poser $g(x)=f(x)/x$.
- Montrer que $g(x)=\int_0^1f'(xt)dt$.
- Pour $0\leq k\leq n$, déterminer $\lim_{x\to0^+}g^{(k)}(x)$ et montrer que $g$ est de classe $C^n$.
Soient $a<b$, $c<d$ et $f:[a,b]\times[c,d]\to\R$ continue.
- Justifier l'existence de $g(t)=\int_a^b(\int_c^tf(x,y)dy)dx$ et montrer que $g$ est $C^1$.
- Justifier l'existence des intégrales et montrer $$\int_a^b\left(\int_c^df(x,y)dy\right)dx =\int_c^d\left(\int_a^bf(x,y)dx\right)dy.$$
Pour $x>0$, poser $f(x)=\int_0^1\ln(t)\ln(1-t^x)dt$. Montrer que $f$ est définie et l'exprimer comme somme d'une série.
Soit $F(x)=\int_0^1\frac{t^{x-1}}{1+t}dt$ pour $x\in]0,1[$. Montrer que $F(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{n+x}$.
Soit $f:\R\to\R$ continue et intégrable. Montrer que $y'-y=f(x)$ admet une unique solution bornée.
On considère $2xy'(x)+y(x)=\frac1{1-x}$.
- Résoudre l'équation sur les intervalles pertinents.
- Montrer que sur $]-\infty,1[$ elle possède une unique solution de classe $C^\infty$.
Soit $S(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{x^n}{\binom{2n}{n}}$.
- Déterminer le rayon $R$ et montrer que $S$ vérifie $x(x-4)y'+(x+2)y=2$ sur $]-R,R[$.
- En déduire une expression de $S(x)$ pour $x\in]0,4[$, puis calculer $\sum_{n=0}^{+\infty}1/\binom{2n}{n}$.
On considère $(1-x)y'-xy=0$, avec $y(0)=1$.
- Déterminer la solution sur $]-\infty,1[$.
- Montrer que $y$ est développable en série entière et donner une récurrence pour ses coefficients.
- Pour $n\in\N$, soit $D_n$ le nombre de permutations de $\{1,\ldots,n\}$ sans point fixe. Montrer que $D_{n+1}=n(D_n+D_{n-1})$.
- À l'aide des deux premières questions, donner une expression de $D_n$.
On considère $4xf''(x)+2f'(x)+f(x)=0$. Déterminer les solutions développables en série entière en 0. Avec le changement de variable $t=\sqrt{x}$, déterminer toutes les solutions sur $\R_+^*$ et $\R_-^*$.
On considère $t^2y''+ty'-(t^2+t+1)y=0$.
- Déterminer les solutions développables en série entière au voisinage de 0.
- Trouver des solutions de la forme $t\mapsto t^re^{\alpha t}$.
- Donner toutes les solutions.
Déterminer les fonctions $f:\R^2\to\R$ de classe $C^1$ telles que $\frac{\partial f}{\partial x}-xy\frac{\partial f}{\partial y}=0$. On pourra poser $(u,v)=(x,ye^{x^2/2})$.
Soit $f:\R^2\to\R$ de classe $C^2$ telle que $\Delta f=f_{xx}+f_{yy}=0$. Pour $(r,\theta)\in\R^2$, poser $g(r,\theta)=f(r\cos\theta,r\sin\theta)$.
- Montrer que $g$ est de classe $C^2$ et établir l'équation polaire vérifiée par $g$ sur $\R^*\times\R$.
- Montrer que $F(r)=\int_0^{2\pi}g(r,\theta)d\theta$ est constante.
Soit $f:(x,y)\in(\R_+^*)^2\mapsto\frac1{xy}+x+y$. Déterminer ses extrema.
Soit $A=\{(x,y)\in\R^2:x\geq0,y\geq0,x+y\leq1\}$ et $f(x,y)=3x^2+2y^2+4xy-2x+3y$. Déterminer $\sup f$ et $\inf f$.
Soit $U=\{(x,y)\in]-\pi/2,\pi/2[^2:x<0,\ y-x>\pi/2\}$ et $f(x,y)=\tan(y)-\tan(x)+\tan(x-y)$.
- Montrer que $f$ admet un minimum sur $U$ et le déterminer.
- Pour un cercle $C$ du plan affine euclidien, déterminer les triangles pleins contenant $C$ d'aire minimale.
Soit $T=\{(x,y):x\geq0,y\geq0,x+y\leq1\}$ et $f(x,y)=3x^2+2y^2+4xy-4x-3y+1$. Déterminer les extrema de $f$.
Soient $$A=\begin{pmatrix}0&1&1\\1&0&2\\1&2&3\end{pmatrix},\qquad f(X)=(1+X^TAX)e^{-\|X\|^2},\quad X\in\R^3.$$ Déterminer les extrema globaux de $f$ sur $\R^3$.
Soit $f:\R^n\to\R$ de classe $C^2$ telle que $\operatorname{Sp}(H_f(x))\subset[1,+\infty[$ pour tout $x$.
- Pour $x\in\R^n$, poser $\varphi(t)=f(tx)$. Montrer que $\varphi$ est $C^2$ et expliciter $\varphi',\varphi''$.
- Pour $x,h\in\R^n$, comparer $h^TH_f(x)h$ et $\|h\|^2$.
- Poser $\psi(t)=f(tx)-\langle\nabla f(0),tx\rangle-t^2\|x\|^2/2$. Montrer que $\psi$ est convexe.
- Montrer que $f$ admet un minimum global.
Probabilités
On considère $N$ personnes se présentant à un examen qu'elles peuvent repasser. Chaque tentative réussit avec probabilité $p\in]0,1[$, et chacun s'arrête au premier succès. Soit $X_k$ le nombre de tentatives de la personne $k$, $X$ le nombre total de candidatures et $Y$ le nombre de sessions. Les $X_k$ sont indépendantes. Déterminer les lois, espérances et variances de $X_k$, $X$ et $Y$.
Deux groupes $D_1,D_2$ ont chacun $n$ équipes. On forme aléatoirement des matchs par paires parmi les $2n$ équipes. Soit $A_n$ l'événement que chaque match oppose une équipe de chaque groupe.
- Calculer $\P(A_n)$ et donner un équivalent quand $n\to+\infty$.
- Soit $X_n$ le nombre de matchs intergroupes. Calculer $\E(X_n)$.
- Pour $n$ pair, calculer $\P(X_n=0)$ et déterminer la loi de $X_n$.
On répartit au hasard $n$ boules dans $n$ boîtes, chaque boule choisissant uniformément une boîte. Soit $X_n$ le nombre de boîtes vides.
- Calculer $\E(X_n)$ et $V(X_n)$.
- Déterminer les limites de $\E(X_n/n)$ et $V(X_n/n)$.
- Pour $\varepsilon>0$, montrer que $\P(|X_n/n-e^{-1}|\geq\varepsilon)\to0$.
Soient $r\geq2$ et $(X_n)$ i.i.d. uniformes sur $\{1,\ldots,r\}$. Soit $A_n$ l'événement que, parmi $X_1,\ldots,X_{nr}$, chaque valeur $k\in\{1,\ldots,r\}$ apparaisse exactement $n$ fois. Calculer $\P(A_n)$, puis $\P(\bigcap_{n\geq1}\bigcup_{p\geq n}A_p)$.
On lance une pièce jusqu'à obtenir deux piles. Soit $X$ le nombre de faces.
- Déterminer la loi de $X$.
- $X$ est-elle d'espérance finie ? La calculer si oui.
On tire ensuite une boule parmi $X+1$ boules numérotées de 0 à $X$ et on note $Y$ son numéro.
- Déterminer la loi de $Y$.
- $Y$ est-elle d'espérance finie ? La calculer si oui.
Soit $N\sim\mathcal G(p)$. On réalise $N$ lancers d'une pièce équilibrée et note $X$ le nombre de faces.
- Montrer que $X$ est une variable aléatoire discrète.
- Déterminer la loi de $X$ sachant $N=n$.
- Pour $k\in\N$, donner le rayon et la somme de $\sum_{n\geq k}\binom nkx^n$.
- Déterminer la loi de $X$.
Soient $r\in\N$ et $Z_1,\ldots,Z_r$ indépendantes telles que $Z_1=1$ et $Z_i\sim\mathcal G((r-i+1)/r)$ pour $2\leq i\leq r$. Poser $C_r=Z_1+\cdots+Z_r$. Déterminer son espérance et sa variance.
Pour $s>1$, poser $\zeta(s)=\sum_{n=1}^{+\infty}n^{-s}$ et définir une probabilité sur $(\N^*,\mathcal P(\N^*))$ par $\P(\{n\})=1/(\zeta(s)n^s)$.
- Pour $k\geq1$, poser $M_k=k\N^*$. Montrer que $\P(M_k)=k^{-s}$.
- Montrer que les événements $M_{p_1},\ldots,M_{p_k}$ sont indépendants si $p_i$ sont des nombres premiers distincts.
- Montrer que $\P(\bigcap_iM_{p_i}^c)=\prod_i(1-p_i^{-s})$.
Soient $X,Y$ indépendantes de loi géométrique $\mathcal G(p)$, $p\in]0,1[$. Déterminer la loi de $X+Y$.
Soit $E$ un ensemble de cardinal $n$. Soient $X,Y$ indépendantes et uniformes sur l'ensemble des parties de $E$. Déterminer la loi de $Z=|X\cap Y|$.
Soit $Z$ uniforme sur l'ensemble $U_n$ des racines $n$-ièmes de l'unité. Poser $X=\operatorname{Re}(Z)$ et $Y=\operatorname{Im}(Z)$. Calculer $\operatorname{Cov}(X,Y)$. $X,Y$ sont-elles indépendantes ?
Soient $X_1,\ldots,X_n$ i.i.d. de loi $\mathcal B(p)$, $Z=(X_1,\ldots,X_n)^T$ et $M=ZZ^T$.
- Déterminer les lois de $\operatorname{rg}(M)$ et $\operatorname{Tr}(M)$.
- Déterminer la probabilité que $M$ soit une projection.
Soient $(\varepsilon_k)_{k\geq1}$ i.i.d. uniformes sur $\{-1,1\}$. Montrer qu'il existe $\ell\in\R$ tel que, pour tout $\varepsilon>0$, $$\P\left(\left|\frac1n\sum_{k=1}^n\sin\left(\frac kn+\varepsilon_k\right) -\ell\right|\geq\varepsilon\right)\longrightarrow0.$$
Soit $f(t)=\sqrt{1-t^2}$ sur $[0,1]$ et $(\varepsilon_n)$ i.i.d. uniformes sur $\{-1,1\}$. Poser $$I_n=\frac1n\sum_{k=1}^nf(k/n),\qquad X_n=\frac1n\sum_{k=1}^nf(k/n)(1-\varepsilon_k).$$
- Montrer que $(I_n)$ converge et calculer sa limite $\ell$.
- Pour $\varepsilon>0$, déterminer la limite de $\P(|X_n-\ell|\geq\varepsilon)$.
Soit $n\geq2$. On tire sans remise les boules numérotées de 1 à $n$ et $X_k$ est le résultat du $k$-ième tirage. Soit $T_k$ l'indicatrice de $X_k>\max(X_1,\ldots,X_{k-1})$ et $S_n=\sum_{k=1}^nT_k$.
- Calculer $\P(S_n=1)$ et $\P(S_n=n)$.
- Donner la loi de $T_k$ et l'espérance de $S_n$.
- Calculer $I_{p,q}=\int_0^1t^p(1-t)^qdt$ pour $p,q\in\N$.
- On choisit uniformément une urne $U_i$ parmi $p$ urnes, l'urne $U_i$ contenant $i$ boules blanches et $p-i$ noires. On tire avec remise $2n$ boules et $A_{n,p}$ est l'événement d'obtenir $n$ blanches et $n$ noires. Écrire $\P(A_{n,p})$ comme somme, puis calculer ses limites quand $n\to+\infty$ et quand $p\to+\infty$.
Soit $(X,Y)$ à valeurs dans $\N^2$ avec $X\leq Y$, $\P(X=n)>0$ et la loi conditionnelle de $Y$ sachant $X=n$ uniforme sur $\{0,\ldots,n\}$.
- Exprimer la loi de $Y$ en fonction de celle de $X$ et montrer que $Y$ et $X-Y$ suivent la même loi.
- Si $Y+1$ suit une loi géométrique de paramètre $p$, déterminer la loi de $X$ et montrer que $Y$ et $X-Y$ sont indépendantes.
- Réciproquement, montrer que leur indépendance entraîne que $Y+1$ est géométrique.
Pour $k=1,\ldots,n$, l'urne $k$ contient une boule noire et $k$ boules blanches. On tire une boule de chaque urne indépendamment. Soit $X_n$ le nombre de boules noires tirées et $A_k$ l'événement que le tirage de l'urne $k$ donne une boule noire.
- Montrer que $X_n=\sum_{k=1}^n1_{A_k}$ et calculer $\E(X_n)$.
- Calculer $V(X_n)$ et montrer $V(X_n)\leq\E(X_n)$.
- Pour $\varepsilon>0$, montrer que $\P(|X_n-\E(X_n)|>\varepsilon\E(X_n))\leq1/(\varepsilon^2\E(X_n))$.
- Montrer $\ln(n+2)-1\leq\E(X_n)\leq\ln(n+1)$.
- En déduire que $X_n/\E(X_n)\to1$ en probabilité.
Une puce se déplace sur $\{0,\ldots,n-1\}$, modulo $n$, depuis $k$ vers $k+1$ ou $k-1$ avec probabilité $1/2$. On note $X_k$ sa position à l'instant $k$ et $U_k=(\P(X_k=0),\ldots,\P(X_k=n-1))^T$.
- Donner $A\in M_n(\R)$ telle que $U_{k+1}=AU_k$.
- $A$ est-elle diagonalisable ? Déterminer ses sous-espaces propres.
- Pour chaque $i$, déterminer $\lim_{k\to\infty}\P(X_k=i)$.
Soient $(X_k)_{k\geq1}$ i.i.d. de loi $\mathcal B(1/2)$, $S_n=\sum_{k=1}^nX_k$ et $u_n=\sum_{k=1}^n\binom nk\ln(k)$. Poser $f(0)=0$ et $f(x)=\ln x$ pour $x\in]0,1]$.
- Montrer que $\P(S_n/n\leq1/4)=O(1/n)$.
- Exprimer $\E(f(S_n/n))$ en fonction de $u_n$.
- Montrer que $|f(S_n/n)-f(1/2)|\leq\ln n+\ln2$.
- Montrer que $f$ est lipschitzienne sur $[1/4,1]$.
- En déduire un équivalent de $u_n$.
Soit $T$ à valeurs dans $\N$, avec $\P(T\geq n)>0$ pour tout $n\in\N$, et $t_n=\P(T=n\mid T\geq n)$.
- Exprimer $\P(T\geq n+1\mid T\geq n)$ à l'aide des $t_k$.
- Exprimer $\P(T\geq n)$ et $\P(T=n)$ à l'aide des $t_k$.
- Montrer que $t_n\in[0,1[$ et que $\sum t_n$ diverge.
- Réciproquement, pour $(t_n)\in[0,1[^\N$ telle que $\sum t_n$ diverge, construire $T$ telle que $\P(T=n\mid T\geq n)=t_n$.
On dit que $X$ est presque sûrement bornée s'il existe $c\geq0$ avec $\P(|X|\leq c)=1$ ; $X$ admet un moment d'ordre $k$ si $\E(|X|^k)<+\infty$.
- Existe-t-il des variables ayant des moments à tout ordre sans être presque sûrement bornées ?
- Soient $X,Y$ ayant des moments à tout ordre, $Y$ presque sûrement bornée et $\E(X^k)=\E(Y^k)$ pour tout $k\in\N$. Montrer que $X$ est presque sûrement bornée et que $X,Y$ ont même loi.
Soit $(p_n)_{n\in\N}\subset]0,1[$ telle que $\sum p_n$ converge. Soient $(X_n)$ indépendantes avec $X_n\sim\mathcal B(p_n)$. Poser $S_n=\sum_{k=0}^nX_k$ et $S=\lim S_n$.
- Exprimer $(S\geq m)$ en fonction des événements $(S_n\geq m)$ et en déduire que $S$ est une variable aléatoire.
- Montrer que $S$ est finie presque sûrement.
- Montrer que $S$ est d'espérance finie et la calculer.
- Donner la loi de $S$.
Soient $X,Y$ réelles et $(X_n),(Y_n)$ définies sur le même espace probabilisé, avec $X_n\to X$ et $Y_n\to Y$ en probabilité.
- Si $|x+y|\geq\varepsilon$, montrer que $|x|\geq\varepsilon/2$ ou $|y|\geq\varepsilon/2$.
- Montrer que $X_n+Y_n\to X+Y$ en probabilité.
- Pour $(U_n)$ i.i.d. de Bernoulli($p$), poser $V_k=U_k+U_{k+1}$. Montrer que $n^{-1}\sum_{i=1}^nV_i\to2p$ en probabilité.
- Montrer que $\P(|X|>M)\to0$ quand $M\to+\infty$.
- Montrer que $X_nY_n\to XY$ en probabilité.
Soit $(X_n)_{n\geq1}$ i.i.d. de loi $\mathcal B(p)$, $p\in]0,1[$. Poser $P_k=\prod_{i=1}^kX_i$, $R_n=\sum_{k=1}^nP_k$ et $R=\sum_{k\geq1}P_k$.
- Donner loi, espérance et variance de $P_k$.
- Montrer que $R$ est discrète et donner sa loi.
- Montrer que $R_n,R$ sont d'espérance finie et que $\E(|R_n-R|)\to0$.
- Montrer que $(R_n\to R)$ est un événement.
- Montrer que $\P(R_n\to R)=1$.
Soient $X,Y$ indépendantes et $A=\begin{pmatrix}X&0\\2&Y\end{pmatrix}$.
- Pour $n\geq2$, avec $X\sim\mathcal B(n,1/4)$ et $Y\sim\mathcal B(n,3/4)$, calculer les probabilités que $A$ soit inversible, diagonalisable.
- Même question avec $X\sim\mathcal G(p_1)$, $Y\sim\mathcal G(p_2)$, $p_1,p_2\in]0,1[$.
Soient $p\in]0,1[$ et $(\varepsilon_k)_{k\in\N}$ i.i.d. de loi $\mathcal B(p)$. Soit $r(n)$ le reste modulo $3$ et $X_{n+1}=r(X_n+2-\varepsilon_n)$, avec $X_0\in\{0,1,2\}$. Poser $V_n=(a_n,b_n,c_n)^T=(\P(X_n=0),\P(X_n=1),\P(X_n=2))$.
- Justifier $a_n+b_n+c_n=1$.
- Pour $Q=\begin{pmatrix}0&p&1-p\\1-p&0&p\\p&1-p&0\end{pmatrix}$, montrer $V_{n+1}=QV_n$.
- Montrer que $Q$ est diagonalisable. La suite $(V_n)$ converge-t-elle ?
Soient $(X_k)_{k\geq1}$ i.i.d. et $M_n=\max(X_1,\ldots,X_n)$.
- Si $X_1$ est uniforme sur $\{1,\ldots,N\}$, calculer $\P(M_n<N)$ et montrer $\E(|M_n-N|^p)\to0$ pour tout $p\geq1$.
- Si $X_1$ prend ses valeurs dans $0<x_1<\cdots<x_N$ et $\P(X_1=x_N)>0$, montrer $\E(|M_n-x_N|^p)\to0$ pour tout $p\geq1$.
Soient $X_1,\ldots,X_n$ i.i.d. uniformes sur $\{1,\ldots,N\}$. Poser $S_n=\sum X_k$, $m=\E(X_1)$, $V_n=(S_n-nm)/(\sqrt n\,\sigma(X_1))$ et $M_n(t)=\E(e^{tV_n})$. Montrer $M_n(t)\to e^{t^2/2}$ pour tout $t\in\R$.
Soient $(X_i)_{i\geq1}$ i.i.d. uniformes sur $\{-1,1\}$. Poser $S_0=0$, $S_n=S_{n-1}+X_n$ et $A_n=|S_n|$.
- Déterminer la loi de $(S_n+n)/2$, puis $\E(S_n)$ et $\V(S_n)$.
- Déterminer $A_n(\Omega)$.
- Montrer $\E(A_{n+1})=\E(A_n)+\P(S_n=0)$. Indication : $|x+y|=|x|+\operatorname{sgn}(x)y$ pour $x\in\Z$, $y\in\{-1,1\}$.
Soient $(\varepsilon_n)_{n\geq2}$ i.i.d. uniformes sur $\{-1,1\}$. Poser $X_n=\sum_{k=2}^n\frac{\ln k}{k+\varepsilon_k}$ et $I_n=\sum_{k=2}^n\frac{\ln k}{k}$.
- Montrer qu'il existe $M\geq0$ tel que $|X_n-I_n|\leq M$.
- Donner un équivalent simple de $I_n$.
- Montrer que, pour tout $\varepsilon>0$, $\P(|2X_n/\ln^2 n-1|\geq\varepsilon)\to0$.
Pour $n\geq1$, soient $X_n,Y_n$ indépendantes uniformes sur $\{1,\ldots,n\}$ et $Z_n=|X_n-Y_n|$.
- Calculer $\E(Z_n)$ et $\V(Z_n)$.
- Déterminer le comportement asymptotique de ces suites.
Pour $X$ réelle à image finie, poser $L_X(t)=\E(e^{tX})$. Montrer que $L_X$ caractérise la loi de $X$.
Soient $(X_n)_{n\in\N}$ i.i.d. de loi $\mathcal B(2/3)$. Pour $k\geq1$, poser $A_k=(X_{2k-1}X_{2k}=0)$ et $T=\min\{k\geq1:X_{k-1}=X_k=0\}$.
- Montrer $\P(\bigcap_{k\geq1}A_k)=1$ et en déduire $\P(T\in\N^*)=1$.
- Donner une récurrence d'ordre 2 sur $\P(T=n)$.
- Déterminer $\E(T)$, éventuellement à l'aide d'une fonction génératrice.
On lance indéfiniment une pièce donnant pile avec probabilité $p\in]0,1[$. Soit $X$ le rang du premier pile. Sachant que le premier pile est au $k$-ième lancer, choisir $Z$ uniformément entre $1$ et $k$.
- Donner la loi de $X$.
- Poser $Y=1/(X(X+1))$. Montrer que $Y$ est d'espérance finie et la calculer.
- Donner la loi de $Z$.
- Calculer $\E(Z)$.
- Soit $\alpha>0$. Montrer qu'il existe une variable $X$ à valeurs dans $\N$ telle que $G_X(t)=(2-t)^{-\alpha}$ pour tout $t\in[-1,1]$.
- Donner un équivalent de $\P(X=n)$.
Poser $g(t)=\frac{e^t}{1+e-t}$.
- Montrer qu'il existe une variable aléatoire $X$ telle que $g=G_X$ sur $[-1,1]$.
- La variance de $X$ est-elle définie ?
Soient $(X_n)_{n\geq1}$ i.i.d. à valeurs dans $\N$ et $Y$ à valeurs dans $\N^*$, indépendant des $X_n$. Poser $W=\sum_{i=1}^Y X_i$.
- Relation entre les fonctions génératrices de $X_1$ et $X_1+\cdots+X_n$.
- Pour $s\geq0$, calculer $\E(s^W\mathbf1_{Y=n})$ et en déduire $G_W=G_Y\circ G_{X_1}$.
- Calculer $\E(W)$ en fonction de $\E(X_1),\E(Y)$.
- Si $X_1,Y$ admettent des variances, calculer $\V(W)$.
- Si $X_1\sim\mathcal B(p)$, donner la loi de $W$ pour $Y\sim\mathcal G(q)$, puis pour $Y\sim\mathcal P(\lambda)$.
Soient $N\geq2$, $b\in\{0,\ldots,N\}$. Une urne contient initialement $b$ boules bleues et $N-b$ rouges. À chaque tour, tirer une boule et la remplacer par une boule de l'autre couleur. Soit $X_n$ le nombre de boules bleues après $n$ tours.
- Exprimer $\P(X_{n+1}=i)$ en fonction de la loi de $X_n$.
- Calculer $\E(X_n)$ et sa limite.
- Pour $G_n(s)=\E(s^{X_n})$, trouver une relation entre $G_{n+1},G_n,G_n'$.
- En déduire une récurrence sur $\V(X_n)$.
Centrale MP-MPI 2026
Algèbre
Soient $a=2^{1/3}$ et $L=\Q[a]$.
- Définir un polynôme irréductible dans $K[X]$ et énoncer Bézout. Montrer que $X^3-2$ est irréductible sur $\Q$.
- Montrer que $L$ est un $\Q$-espace vectoriel et un corps. En donner la dimension et une base.
- Poser $B=1+a+a^2$. Montrer que $f:x\mapsto Bx$ est un automorphisme de $L$. Donner ses polynômes caractéristique et minimal.
- Montrer que tout idéal non nul de $K[X]$, pour $K\subset\C$ un sous-corps, possède un unique générateur unitaire.
- Pour un nombre algébrique $\alpha$, montrer qu'il existe un unique polynôme minimal unitaire $\mu_\alpha\in\Q[X]$ tel que $P(\alpha)=0\iff\mu_\alpha\mid P$ pour tout $P\in\Q[X]$.
- Quels rationnels sont algébriques ? Donner leur polynôme minimal.
- $\sqrt2$ est-il algébrique ? Donner son polynôme minimal.
- Soient $\alpha,\beta$ algébriques de degrés $m,n$. Ordonner les $(\alpha^i\beta^j)_{0\leq i<m,0\leq j<n}$ en un vecteur $V$ et montrer qu'il existe $A,B\in M_{mn}(\Q)$ tels que $AV=\alpha V$, $BV=\beta V$. En déduire que $\alpha-\beta$ et $\alpha\beta$ sont algébriques.
- Soient $G$ un groupe et $x\in G$ d'ordre fini. Rappeler $o(x)$ et montrer $x^k=1_G\iff o(x)\mid k$ pour $k\in\Z$.
- Si $n\geq3$ et $a$ impair, montrer $a^{2^{n-2}}\equiv1\pmod{2^n}$. Le groupe $(\Z/2^n\Z)^\times$ est-il cyclique ?
- En admettant que $(\Z/p\Z)^\times$ est cyclique pour $p$ impair premier, montrer que $(\Z/p^n\Z)^\times$ est cyclique pour $n\geq2$.
Soit $P\in\R[X]$ scindé à racines simples, de degré $n\geq2$.
- Énoncer et démontrer Rolle dans $\R$.
- Montrer que $P'$ est scindé à racines simples.
- Montrer que $P$ n'a pas deux coefficients successifs nuls.
- Montrer qu'aucun coefficient nul de $P$ n'est encadré par deux coefficients de même signe.
Déterminer les racines de $X^2+X-6$ dans $\R$, de $X^2+X+1$ dans $\Z/7\Z$, puis dans $\Z/21\Z$.
- Si $A\in M_n(\C)$ est non inversible, montrer qu'il existe $B\neq0$ telle que $AB=BA=0$.
- Montrer que $A\in M_n(\C)$ n'est pas inversible ssi il existe $B\neq0$ telle que $(A+B)^k=A^k+B^k$ pour tout entier $k\neq0$.
- Énoncer et démontrer le petit théorème de Fermat.
- Soit $\Omega$ l'ensemble des premiers $p$ tels qu'il existe $A\in M_2(\Z)$, $A\neq I_2$, vérifiant $\sum_{k=1}^pA^k=pI_2$. Montrer $\{2,3\}\subset\Omega$.
- Si $p\in\Omega\setminus\{2,3\}$, montrer que $\det(A)\equiv0$ ou $1\pmod p$.
- Déterminer $\Omega$.
On note $T_n^+(\C),T_n^-(\C)$ les matrices triangulaires supérieures, inférieures inversibles. Les mineurs principaux de $A$ sont les déterminants des sous-matrices extraites sur les $k$ premières lignes et colonnes. Poser (P1) : $A=LU$ avec $L\in T_n^-(\C),U\in T_n^+(\C)$ ; (P2) : tous les mineurs principaux sont non nuls.
- Rappeler la caractérisation du rang par les matrices carrées extraites.
- Montrer que toute matrice vérifiant (P1) ou (P2) est inversible.
- Montrer que l'ensemble des matrices vérifiant (P2) est ouvert dans $M_n(\C)$.
- Montrer que (P1) et (P2) sont équivalentes.
Soit $V$ complexe de dimension $n\geq2$ et $A\subset\mathcal L(V)$ un sous-espace stable par composition, transitif : $V=\{a(x):a\in A\}$ pour tout $x\neq0$.
- Énoncer et démontrer le théorème du rang.
- Montrer $\dim A\geq2$.
- Pour $b\in A\setminus\{0\}$, poser $W=b(V)$ et $B=\{(b\circ u)|_W:u\in A\}$. Montrer que $B$ est stable par composition et transitif sur $W$.
- Montrer que $A$ contient un élément non nul non inversible.
- Montrer que $A$ contient un élément de rang $1$.
- Montrer $A=\mathcal L(V)$.
Soit $E$ réel de dimension finie $n\geq2$, $\varphi\in\mathcal L(E,\R)$ non nulle, $a\neq0$, $f(x)=x+\varphi(x)a$.
- Montrer que $f$ est un endomorphisme.
- Déterminer ses éléments propres.
Soit $f\in\mathcal L(\C^n)$ tel que $f^2$ soit diagonalisable avec $p$ valeurs propres distinctes.
- Si $\det(f^2)\neq0$, trouver un polynôme annulateur de $f$ et montrer que $f$ est diagonalisable.
- Si $\det(f^2)=0$ et $\Ker(f^2)=\Ker f$, montrer que $f$ est diagonalisable.
Pour $M\in M_n(\C)$, poser $\rho(M)=\max_{\lambda\in\Sp(M)}|\lambda|$.
- Montrer que $\rho(M)$ est bien défini.
- Soit $A\in GL_n(\R)$ et $X_{k+1}=2X_k-X_kAX_k$. Pour une norme sous-multiplicative, montrer $\|X_{k+1}-A^{-1}\|\leq\|A\|\|X_k-A^{-1}\|^2$.
- Montrer que si $X_k\to A^{-1}$, alors $\rho(AX_0-I_n)<1$.
- Montrer qu'une matrice est diagonalisable ssi elle admet un polynôme annulateur scindé à racines simples.
Soit $D=\begin{pmatrix}A&C\\0&B\end{pmatrix}$.
- Si $D$ est diagonalisable, montrer que $A,B$ le sont.
- Montrer qu'il existe $P=\begin{pmatrix}P_1&P_2\\0&P_3\end{pmatrix}$ inversible tel que $P^{-1}DP$ soit diagonale. En déduire qu'il existe $M$ telle que $C=MB-AM$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante sur $A,B,C$ pour que $D$ soit diagonalisable.
Soit $N\in M_n(K)$ nilpotente.
- Que dire de $\Sp(N)$ et $\chi_N$ ?
- Si $P(0)=0$, montrer $P(N)$ nilpotente.
- Si $P(0)\neq0$, montrer $P(N)$ inversible.
- Si $P(0)=0$ et $P'(0)\neq0$, montrer que pour tout $k\geq2$, il existe $U_k,V_k\in K^{k-2}[X]$ vérifiant $U_k(0)=V_k(0)=0$ et $X^k\mid U_k\circ P(X)-X$, $X^k\mid P\circ V_k(X)-X$. En déduire qu'il existe une unique matrice nilpotente $A$ telle que $P(A)=N$.
- Pour $P_k=(1+X/k)^k-1$, soit $N_k$ l'unique matrice nilpotente telle que $P_k(N_k)=N$. La suite $(N_k)$ converge-t-elle ?
- Rappeler le lemme de décomposition des noyaux et en déduire $\C^n=\bigoplus_{\lambda\in\Sp(M)}\Ker(M-\lambda I_n)^{m(\lambda)}$, en précisant $m(\lambda)$.
- Si $M\in M_3(\R)$ est diagonalisable, montrer qu'il existe $B\in M_3(\R)$ tel que $M=B^3$.
- Faire de même si $M$ possède une valeur propre non réelle.
- Décrire les matrices réelles $3\times3$ qui sont des cubes de matrices réelles.
Soit $E$ de dimension $n$, $f\in\mathcal L(E)$. On dit que $f$ est un $p$-cycle pour $a$ si $(f^i(a))_{0\leq i<p}$ est génératrice.
- Montrer que les valeurs propres de $f$ sont les racines de $\pi_f$.
- Si $f$ est un $p$-cycle, montrer $p\geq n$ et $\operatorname{rg}(f)\geq n-1$.
- Montrer $\pi_f=\chi_f$.
- Montrer que $f$ est cyclique ssi $\pi_f=\chi_f$.
Soient $E$ complexe de dimension $n$ et $u\in\mathcal L(E)$.
- Montrer que les racines de $\pi_u$ sont ses valeurs propres.
- Si $f$ est circulaire d'ordre $p$, montrer $p\geq n$, $\operatorname{rg}(f)=n$ et $\chi_f=\pi_f$.
- Pour $f\in GL(E)$, montrer que $f$ est circulaire ssi $\chi_f$ divise $X^p-1$ pour un certain $p\geq1$.
Montrer que le produit de deux fonctions de carré intégrable sur $\R$ est intégrable et que ces fonctions forment un sous-espace vectoriel de l'espace des fonctions intégrables. On munit $E$ du produit scalaire $\langle P,Q\rangle=\int_\R P(x)Q(x)e^{-x^2}\,dx$. Poser $\psi_0(x)=e^{-x^2/2}$ et $L(\psi)=-\psi'+x\psi$ pour $\psi\in C^\infty(\R,\R)$.
- Montrer que $L$ est un endomorphisme de $C^\infty(\R,\R)$.
- Pour tout $n$, montrer qu'il existe un unique polynôme $P_n$ de degré $n$ tel que $L^n(\psi_0)=P_n\psi_0$, puis un réel $\lambda_n$ tel que $-(L^n(\psi_0))''+x^2L^n(\psi_0)=\lambda_nL^n(\psi_0)$.
- Montrer que $(P_n)$ est orthogonale.
Pour $u=(u_n)_{n\geq0}$, poser $D(u)=(u_{n+1}-u_n)_{n\geq0}$ et $F=\{u\in\R^\N:\sum_{n\geq0}u_n^2<+\infty\}$. Pour $u,v\in F$, poser $\langle u,v\rangle=\sum_{n\geq0}u_nv_n$.
- Montrer que $F$ est un sous-espace vectoriel et que $\langle\cdot,\cdot\rangle$ est un produit scalaire.
- $D$ est-elle injective ? surjective ? Déterminer ses valeurs propres et espaces propres.
- Déterminer $\{\langle D(u),u\rangle/\langle u,u\rangle:u\in F\setminus\{0\}\}$.
- Définir la somme directe et démontrer la caractérisation pour deux sous-espaces.
Soient $E$ de dimension $m$, $B:E\times E\to\R$ bilinéaire symétrique et une base $(e_i)$ telle que $B(e_i,e_i)=1$. Poser $b_{ij}=B(e_i,e_j)$, $\sigma_i(v)=v-2B(v,e_i)e_i$, $\varepsilon_1=e_1$ et $\varepsilon_i=\sigma_1\circ\cdots\circ\sigma_{i-1}(e_i)$.
- Montrer que $(\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_m)$ est une base.
- En déduire la matrice de $\tau=\sigma_1\circ\cdots\circ\sigma_m$ dans la base $(e_i)$ (indication : utiliser la matrice $C$ définie par $c_{ij}=2b_{ij}$ si $i<j$, $0$ sinon).
- Rappeler la définition d'un produit scalaire euclidien.
Soient $a<b$, $\omega\in C^0(]a,b[,\R_{+}^{*})$ et $L^2(]a,b[)=\{f\in C^0(]a,b[,\R):\int_a^b f(x)^2\omega(x)\,dx<+\infty\}$, avec $\langle f,g\rangle=\int_a^b f(x)g(x)\omega(x)\,dx$.
- Montrer que c'est un produit scalaire.
- Montrer que pour tout $n$, il existe un unique polynôme unitaire $p_n$ de degré $n$ orthogonal à $\R_{n-1}[X]$.
- Montrer que $p_n$ est scindé à racines simples dans $]a,b[$.
- Montrer l'existence et l'unicité d'une formule de quadrature à $n+1$ points exacte pour les polynômes de degré au plus $2n+1$ mais pas pour tous ceux de degré $2n+2$.
Soit $E$ euclidien.
- Si $p$ est un projecteur, montrer $E=\operatorname{Im}(p)\oplus\Ker(p)$ et donner $\operatorname{tr}(p)$.
- Pour des projecteurs orthogonaux $p_1,\ldots,p_k$, poser $m=(p_1+\cdots+p_k)/k$. Montrer que $m$ est projecteur ssi tous les $p_i$ sont égaux.
- Si $H=\{A_1,\ldots,A_k\}\subset GL_n(\R)$ est finie et stable par produit, montrer que $\operatorname{tr}(A_1+\cdots+A_k)$ est un multiple entier de $k$.
Soient $a\in\R$, $n\geq1$ et $A_n=\begin{pmatrix}1&-a/n\\a/n&1\end{pmatrix}$.
- Trouver $r_n,\theta_n$ tels que $A_n=r_nR(\theta_n)$.
- Calculer $\lim_{n\to+\infty}A_n^n$.
Soit $A\in\mathcal A_n(\R)$ et $\Phi(M)=\operatorname{tr}(M)A-M^T$ sur $M_n(\R)$.
- Montrer que $\Phi$ est un automorphisme.
- Montrer que $\Phi$ est diagonalisable et déterminer ses valeurs propres et sous-espaces propres.
- Si $M\in\mathcal A_n(\R)$ et $n$ est impair, montrer que $0$ est la seule valeur propre réelle de $M$.
- Montrer que $\chi_M$ et $n$ ont même parité.
- Déterminer $\mathcal A_n(\R)\cap O_n(\R)$ pour $n=2$ puis $n=3$.
Poser $\widetilde O_n(\R)=\{M\in O_n(\R):-1\notin\Sp(M)\}$ et $\varphi(M)=(I_n-M)(I_n+M)^{-1}$.
- Rappeler la réduction des isométries.
- Déterminer l'adhérence de $\widetilde O_n(\R)$.
- Montrer que $\varphi$ est une bijection de $\widetilde O_n(\R)$ sur $\mathcal A_n(\R)$ et déterminer sa réciproque.
- Pour $E$ euclidien, montrer l'équivalence entre $f$ isométrie, $\langle f(x),f(y)\rangle=\langle x,y\rangle$ pour tous $x,y$, et l'image d'une base orthonormée par $f$ est une base orthonormée.
- Si $A\in S_n^+(\R)$, montrer $\operatorname{tr}(\Omega A)\leq\operatorname{tr}(A)$ pour tout $\Omega\in O_n(\R)$.
- Réciproquement, sous cette inégalité, poser $\varphi(t)=\operatorname{tr}(Ae^{tV})$ avec $V\in\mathcal A_n(\R)$ et montrer que $\varphi$ a un extremum local en $0$.
- En déduire $A\in S_n^+(\R)$.
- Si $G$ est un sous-groupe compact de $GL_n(\R)$ contenant $O_n(\R)$, montrer $G=O_n(\R)$.
- Montrer $\operatorname{tr}(AB)=\operatorname{tr}(BA)$.
- Soit $q:M_n(\R)\to\R$ invariante par similitude et associée à une forme bilinéaire symétrique $\beta$, avec $q(M)=\beta(M,M)$. Vérifier que $\operatorname{tr}(M^2)$ et $\operatorname{tr}(M)^2$ vérifient ces hypothèses et montrer l'unicité de $\beta$.
- Pour $A=A_1+iA_2$ avec parties réelles $A_1,A_2$, prolonger $q$ par $\widetilde q(A)=q(A_1)-q(A_2)+2i\beta(A_1,A_2)$. Montrer qu'elle est associée à une forme bilinéaire symétrique complexe et invariante par similitude.
Analyse
- Rappeler la définition de la densité et montrer $GL_n(\R)$ dense dans $M_n(\R)$.
- Soit $N:M_n(\R)\to\R$ telle que $N(A)\geq0$, $N(\lambda A)\leq|\lambda|N(A)$, $N(A+B)\leq N(A)+N(B)$. Montrer que $N$ est lipschitzienne.
- Déterminer les $N$ vérifiant ces propriétés et invariantes par similitude.
Soit $H$ l'ensemble des parties $X\subset\R$ telles que toute fonction continue $X\to\R$ soit uniformément continue. $X$ est espacée s'il existe $\delta>0$ tel que $(x-\delta,x+\delta)\cap X=\{x\}$ pour tout $x\in X$.
- Démontrer Heine.
- Donner un exemple explicite montrant $]0,1]\notin H$.
- Montrer que toute partie espacée appartient à $H$.
- Construire $X\in H$ et $f:X\to\R$ continue telle que $f(X)\notin H$.
- Montrer que tout élément de $H$ est fermé dans $\R$.
Soit $(E,\|\cdot\|)$ normé.
- Rappeler les définitions de segment, ensemble convexe, frontière, et montrer que $\operatorname{conv}(A)$ (intersection des convexes contenant $A$) est convexe et contient $A$.
- Si $K\subset E$ est convexe compact et $x\in K\setminus\partial K$, $x\neq0$, poser $D=\operatorname{Vect}(x)$. Montrer $D\cap K=[y,z]$ pour $y,z\in\partial K$.
- Si $K$ est compact convexe d'intérieur non vide, montrer $K=\operatorname{conv}(\partial K)$.
- Définir la convexité d'une fonction et la caractériser par $f'$ lorsqu'elle est dérivable.
- Pour $\ell^p=\{x\in\R^\N:\sum|x_n|^p<+\infty\}$, montrer que c'est un espace vectoriel normé pour $\|x\|_p=(\sum_{n\geq0}|x_n|^p)^{1/p}$.
- Trouver une suite $(x_k)$ dont le sous-espace engendré est dense dans $\ell^p$, puis une partie dénombrable dense.
Soient $E$ normé, $X$ compact et $f:E\to E$ continue. Que peut-on dire de $f(X)$ ? On suppose ensuite $f(X)\subset X$ et $\|f(x)-f(y)\|\geq\|x-y\|$ sur $X$.
- Pour $a\in X$, poser $u_0=a$, $u_{n+1}=f(u_n)$. Montrer qu'une sous-suite converge vers $a$.
- Montrer $\|f(a)-f(b)\|=\|a-b\|$ pour tous $a,b\in X$, puis que $f$ est bijective.
Pour $K=\R$ ou $\C$, munir $K^n$ de la norme euclidienne et noter $\|\!|\!|M\|\!|\!|_K=\sup_{\|x\|_K=1}\|Mx\|_K$.
- Montrer que c'est une norme sur $M_n(K)$.
- Pour $x\in\C^n$, montrer $\|x\|_\C^2=\|\Re x\|_\R^2+\|\Im x\|_\R^2$, puis que les normes subordonnées réelle et complexe coïncident pour $M\in M_n(\R)$.
- Si $\|\!|\!|N-I_n\|\!|\!|_\R<1$, montrer que les valeurs propres $\lambda$ vérifient $|\lambda-1|<1$, puis que $N$ est inversible.
- Montrer $\sum_{k\geq0}(I_n-N)^k=N^{-1}$ et la borne correspondante. Montrer ensuite $\Re(\lambda)>0$, donc $\det N>0$.
Munir $\C^n$ d'une norme et considérer sa norme subordonnée sur $M_n(\C)$.
- La définir, montrer que c'est une norme sous-multiplicative.
- Pour $A$ inversible, $A+\widetilde A$ inversible, $Ax_0=b$ et $(A+\widetilde A)x_p=b$, établir
$$\frac{\|x_0-x_p\|}{\|x_p\|}\leq\kappa(A)\frac{\|\!|\!|\widetilde A\|\!|\!|}{\|\!|\!|A\|\!|\!|},\qquad \kappa(A)=\|\!|\!|A\|\!|\!|\|\!|\!|A^{-1}\|\!|\!|.$$
- Si $\|\!|\!|\widetilde A\|\!|\!|<1/\|\!|\!|A^{-1}\|\!|\!|$, $b\neq0$ et $(A+\widetilde A)x_p=b+\widetilde b$, établir la borne d'erreur avec $\widetilde A,\widetilde b$. Montrer qu'il peut y avoir égalité pour des choix optimaux.
- Définir un polynôme simplement scindé, en donner et démontrer une caractérisation. Dans la suite $P=X^3+aX+b\in\C[X]$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante sur $a,b$ pour que $P$ soit simplement scindé.
- Si $a,b\in\R$, donner une condition nécessaire et suffisante pour que $\{(x,y)\in\R^2:y^2=P(x)\}$ soit connexe par arcs.
- Énoncer et démontrer l'égalité des accroissements finis.
- Pour $f(x)=\sin(x)/x$ sur $\R^*$, montrer que son prolongement en $0$ est $C^\infty$ et que toutes ses dérivées sont bornées.
- Soient $T>0$, $N\geq1$, $h=T/N$, $(\varepsilon_k)_{0\leq k<N}\subset\R$, $y_0=z_0$ et $y_{k+1}=y_k+hf(y_k)$, $z_{k+1}=z_k+hf(z_k)+\varepsilon_k$. Montrer $|z_k-y_k|\leq e^{Tk}\sum_{i=0}^{k-1}|\varepsilon_i|$.
Montrer l'existence et calculer $\int_0^1\frac{\ln(1-x^2)}{x^2}\,dx$.
- Définir les convergences simple et uniforme, puis montrer que la limite uniforme de fonctions continues sur $[0,1]$ est continue.
- Si $f_n\in C([0,1])$ converge simplement vers une fonction continue et si $(f_n(x))_n$ est croissante pour tout $x$, montrer que la convergence est uniforme.
- Poser $P_0=0$ et $P_{n+1}(x)=P_n(x)+(x-P_n(x))^2/2$. Montrer que $(P_n)$ converge uniformément vers $\sqrt{x}$ sur $[0,1]$.
Pour $n\geq1$, poser $u_n(x)=\frac{\ln(1+n^2x^2)}{n^2\ln(1+n)}$ et $S=\sum_{n\geq1}u_n$.
- Déterminer le domaine de définition $D$ de $S$.
- Montrer que $S$ est continue sur $D$.
- Montrer que $\sum u_n'$ converge sur $D$.
- Montrer que $S$ est de classe $C^1$ sur $D$.
Pour $n\geq1$, soit $\varphi_n$ nulle hors de $[1/(n+1),1/n]$, affine sur chaque moitié de cet intervalle et de valeur $1/n$ au milieu. Fixer une bijection $f:\N\to\Q$.
- Montrer que la limite uniforme d'une suite de fonctions continues est continue.
- Montrer que $u_n(t)=\sum_{k\in\N}\varphi_n(t-f(k))2^{-k}$ est continue.
- Pour $m_n(t)=\min\{k\in\N:f(k)+1/(n+1)\leq t\leq f(k)+1/n\}$, montrer $\sum_{n\geq1}2^{-m_n(t)}\leq2$.
- Montrer que $\sum u_n$ converge uniformément sur $\R$.
- Montrer que cette série ne converge pas normalement sur $\R$.
Soit $(a_n)$ telle que $a_n>-1$ et $\sum a_n^2$ converge. Poser $p_n=\prod_{k=1}^n(1+a_k)$.
- Rappeler le théorème de convergence radiale d'Abel.
- Montrer que $(p_n)$ converge vers une limite strictement positive si et seulement si $\sum a_n$ converge.
- Construire $(b_n)$ avec $b_n=O(a_n^2)$ telle que, pour $x\in[0,1]$,
$$\left|\ln(1+a_nx^n)-\ln(1+a_n)+\frac{a_n}{1+a_n}(1-x^n)\right|\leq b_n(1-x^n).$$
- Si $\sum a_n$ converge, montrer $\prod_{n\geq0}(1+a_nx^n)\to\prod_{n\geq0}(1+a_n)$ quand $x\to1^-$.
Pour $k\in\N$, poser $f_k(x)=\sin((k!)^2x)/k!$ et $W=\sum_{k\geq0}f_k$.
- Montrer que $W$ est définie sur $\R$ et continue. Poser $W_n=\sum_{k=0}^nf_k$ et $R_n=\sum_{k=n+1}^{+\infty}f_k$ ; montrer $|R_n(t)|\leq2/(n+1)!$.
- Pour $x\in\R$, poser $I_n=]x+\pi/(n!)^2,x+3\pi/(n!)^2[$. Montrer que, pour $y\in I_n$, $|W_{n-1}(x)-W_{n-1}(y)|\leq4\pi/(n\,n!)$.
- Montrer qu'il existe $x_n\in I_n$ tel que $|f_n(x)-f_n(x_n)|=1/n!$.
- En déduire que $W$ n'est dérivable en aucun point.
Déterminer le rayon de convergence et la somme de $\sum_{n\geq0}\frac{x^{2n+1}}{2n+1}$.
- Rappeler la définition du rayon de convergence d'une série entière.
- Pour $r\in\N$, déterminer le rayon de convergence de $\sum_{k\geq0}\frac{k^r}{k!}x^k$.
- Si $\alpha_n$ est le nombre de partitions de $\{1,\ldots,n\}$ et $\alpha_0=1$, calculer $\alpha_1,\ldots,\alpha_4$.
- Montrer $\alpha_{n+1}=\sum_{i=0}^n\binom ni\alpha_i$.
- Calculer le rayon de convergence de $\sum\alpha_i x^i$.
- Calculer le rayon de convergence et la somme de $\sum_{i\geq0}\frac{\alpha_i}{i!}x^i$.
- Soient $f,g:\R\to\R$ continues par morceaux avec $f=o(g)$ à $+\infty$. Donner et démontrer des conditions suffisantes pour que $\int_x^{+\infty}f(t)\,dt=o(\int_x^{+\infty}g(t)\,dt)$.
- Pour $H(x)=e^{x^2}\int_x^{+\infty}e^{-t^2}\,dt$, montrer que $H$ est développable en série entière sur $\R$ et donner son développement.
- Étudier les variations, la convexité et les limites de $H$ en $\pm\infty$.
- Montrer qu'une série entière de rayon $R$ converge normalement sur tout disque fermé de rayon $r<R$.
On suppose ensuite $a_n=O(1/n)$ et $F(x)=\sum_{n\geq0}a_nx^n\to0$ quand $x\to1^-$, et on pose $g=\mathbf1_{[1/2,1]}$, $N(x)=\lfloor-\ln2/\ln x\rfloor$.
- Montrer $\sum_{n\geq0}a_ng(x^n)=\sum_{n=0}^{N(x)}a_n$ pour $x\in[0,1[$.
- Si $P\in\R[X]$, $P(0)=0$, montrer que $\sum a_nP(x^n)$ converge et tend vers $0$ quand $x\to1^-$.
- Pour $P_1\leq g\leq P_2$ sur $[0,1]$, avec $P_1(0)=P_2(0)=0$, établir l'inégalité de comparaison donnée par $\sum|a_n|(P_2(x^n)-P_1(x^n))$ et vérifier que le majorant est fini.
- Montrer qu'on peut choisir $P_i=X+X(1-X)Q_i$ avec $\int_0^1(Q_2-Q_1)\leq\varepsilon$.
- En déduire que $\sum a_n$ converge.
- Énoncer le théorème du produit de Cauchy pour les séries entières.
- Si $A,B$ partitionnent $\N$, poser $A(x)=\sum_{a\in A}x^a$, $B(x)=\sum_{b\in B}x^b$. Montrer qu'elles sont définies sur $]-1,1[$ et calculer $A(x)+B(x)$.
- Poser $r_A(n)=\operatorname{card}\{(p,q)\in A^2:p+q=n,\ p\neq q\}$. Montrer $\sum r_A(n)x^n=A(x)^2-A(x^2)$.
- Si $r_A(n)=r_B(n)$ pour tout $n$, montrer $A(x)-B(x)=(1-x)(A(x^2)-B(x^2))$.
- Poser $D=A-B$ et supposer $0\in A$. Montrer $D(x)=D(x^{2^N})\prod_{k=0}^{N-1}(1-x^{2^k})$.
- En déduire que $A$ est l'ensemble des entiers dont l'écriture binaire comporte un nombre pair de $1$.
Soit $d_n$ le nombre de dérangements de $\{1,\ldots,n\}$.
- Montrer $|\mathfrak S_n|=n!$.
- Pour $D(z)=\sum_{n\geq0}d_nz^n/n!$, montrer $n!=\sum_{k=0}^n\binom nkd_{n-k}$.
- Montrer que son rayon de convergence est au moins $1$, puis calculer $D(t)e^t$.
- En déduire $d_n=n!\sum_{k=0}^n(-1)^k/k!$.
Pour $S_p(n)$ le nombre de surjections de $\{1,\ldots,n\}$ sur $\{1,\ldots,p\}$, poser $S(x,y)=\sum_{n,p\geq0}S_p(n)x^ny^p/(n!p!)$.
- Montrer que, pour $y\in]-1,1[$, cette série en $x$ a un rayon strictement supérieur à $1/e$.
- Montrer $p^n=\sum_{k=0}^p\binom pkS_k(n)$.
- Montrer $S(x,y)=\exp(y(e^x-1))$ pour $(x,y)\in]-1/e,1/e[\times]-1,1[$.
- En déduire $S_p(n)=\sum_{k=0}^p(-1)^{p-k}\binom pk k^n$.
Soient $(a_n)\in\C^\N$, $(b_n)\in(\R_+^*)^\N$, avec $a_n/b_n\to\ell\in\C$. Poser $f(z)=\sum a_nz^n$, $g(z)=\sum b_nz^n$ et noter $R,R'$ leurs rayons de convergence.
- Rappeler la définition du rayon de convergence.
- On suppose $R'=1$ et $\sum b_n$ diverge. Montrer $R\geq R'$, donner une condition suffisante sur $\ell$ pour $R=R'$, puis montrer $g(x)\to+\infty$ et $f(x)/g(x)\to\ell$ lorsque $x\to1^-$.
- Démontrer l'interversion limite-intégrale dans le cas de convergence uniforme.
- Soit $f(z)=\sum_{n\geq0}a_nz^n$ de rayon infini. Pour $r>0$, calculer $\int_0^{2\pi}f(re^{it})e^{-ipt}\,dt$. En déduire que si $f$ est bornée sur $\C$, elle est constante.
- S'il existe une suite $(z_k)\to0$ avec $f(z_k)=0$ pour tout $k$, montrer que $f$ est nulle.
Soit $I_n=\int_0^{+\infty}\frac{\sin(t/n)}{t(1+t^2)}\,dt$ pour $n\geq1$.
- Montrer que $I_n$ est bien définie.
- Donner un équivalent simple quand $n\to+\infty$.
- Rappeler le développement en série entière de $\arctan$ et son rayon de convergence.
- Poser $I=\int_0^1\frac{\arctan(t)}{\sqrt t}\,dt$. Exprimer $I$ sous forme de somme.
- Calculer $J=\sum_{k\geq0}\frac{(-1)^k}{4k+3}$ et en déduire $I$.
Considérer $(E):y''+y=c$, où $c\in C^0(\R,\R)$ est $2\pi$-périodique.
- Énoncer Cauchy-Lipschitz linéaire et exprimer une solution particulière sous forme intégrale.
- Si $f\in C^2(\R,\R)$ vérifie $f''+f\geq0$, montrer $f(t)+f(t+\pi)\geq0$.
- Sur les fonctions continues $2\pi$-périodiques, utiliser $\langle f,g\rangle=\int_0^{2\pi}f(t)g(t)\,dt$ pour montrer l'équivalence : $c\in\operatorname{Vect}(\cos,\sin)^\perp$ ; toute solution est $2\pi$-périodique ; $(E)$ admet une solution $2\pi$-périodique.
- Énoncer Cauchy linéaire.
- Étudier son application à $(E):xy''+y'+y=0$, après mise sous forme normalisée, notamment en $x=0$.
- Chercher une solution développable en série entière et déterminer son rayon de convergence. Préciser son domaine et vérifier l'équation.
- Justifier que les solutions sur $]0,+\infty[$ forment un espace vectoriel de dimension $2$. Cauchy s'applique-t-il en $x_0=0$ ?
- Existe-t-il une seconde solution non proportionnelle à $f$ ? On pourra chercher $g=f\ln x+h$ avec $h$ en série entière et comparer les comportements en $0^+$.
Soit $E$ un espace vectoriel réel de dimension finie.
- Rappeler la formule d'intégration le long d'un arc.
- Soit $A\neq\varnothing$, $f:A\to A$ $k$-lipschitzienne avec $k\in[0,1[$. Pour $x_0=x$, $x_{n+1}=f(x_n)$, montrer la convergence vers l'unique point fixe.
- Soit $\Omega$ ouvert contenant $0$ et $f:\Omega\to E$ de classe $C^1$, avec $f(0)=0$, $df(0)=\operatorname{id}$. Montrer qu'il existe $\alpha>0$ tel que, pour $r\in]0,\alpha]$, $(f-\operatorname{id})(B_r)\subset B_{r/2}$ et $f-\operatorname{id}$ est $1/2$-lipschitzienne sur $B_r$.
- En déduire $B_{r/2}\subset f(B_r)$.
Probabilités
Soient $n,p,k\in\N$ tels que $0<k\leq p\leq nk$.
- Expliciter la fonction génératrice de la loi uniforme sur $\{1,\ldots,n\}$.
- Montrer $\frac1{(1-x)^k}=\sum_{r\geq0}\binom{r+k-1}{k-1}x^r$ pour $x\in]-1,1[$.
- On lance $k$ fois un dé équilibré à $n$ faces numérotées de $1$ à $n$. Calculer la probabilité d'obtenir une somme égale à $p$.
$n$ personnes passent sous un échafaudage ; chacune est touchée par une goutte avec probabilité $p\in]0,1[$. Soient $X$ et $Y$ les nombres de personnes touchées et non touchées.
- Donner leurs lois et dire si elles sont indépendantes.
- Si le nombre $N$ de personnes suit une loi de Poisson de paramètre $\lambda>0$, donner les lois de $X,Y$, puis $\E(X)$ et $\V(X)$.
- Montrer que $X,Y$ sont indépendantes.
- Calculer $\operatorname{Cov}(X,N)$. $X,N$ sont-elles indépendantes ?
Soit $\mathfrak S_n$ l'ensemble des bijections de $\{1,\ldots,n\}$ et $T$ l'ensemble des transpositions.
- Montrer que $\mathfrak S_n$ est engendré par $T$.
Pour $p\geq1$, choisir uniformément $2p$ entiers dans $\{1,\ldots,n\}$, notés $X_1,Y_1,\ldots,X_p,Y_p$, et poser $S=(X_1Y_1)\circ\cdots\circ(X_pY_p)$.
- Décrire l'espace probabilisé.
- La variable aléatoire $S$ peut-elle suivre une loi uniforme sur $\mathfrak S_n$ ?
Une plateforme mobile part de $0$ sur $\Z$ et à chaque étape avance de $+1$ avec probabilité $p$, de $-1$ avec $q=1-p$. Soit $X_n$ sa position à l'étape $n$.
- Calculer $\P(X_n=0)$.
- Déterminer la loi de $X_n$.
- Calculer $\operatorname{Cov}(X_n,X_k)$ pour $k\leq n$.
- Énoncer et démontrer la loi faible des grands nombres.
- Soit $A=\Z[\sqrt2]=\{a+b\sqrt2:(a,b)\in\Z^2\}$. Montrer que $A$ est un anneau et déterminer ses inversibles, puis montrer que $A$ est dense dans $\R$.
- Rappeler la définition d'une distribution de probabilités sur $\N$.
- Soit $(u_n)$ réelle avec $u_0=1$. Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $(u_n-u_{n+1})$ soit une distribution. Soit alors $X$ de loi $\P(X=n)=u_n-u_{n+1}$.
- Étudier les liens logiques entre $\E(X)<+\infty$ et l'existence de $\rho\in]0,1[$ tel que $u_n=O(\rho^n)$.
- Rappeler la loi de Poisson $\mathcal P(\lambda)$ et donner son espérance et sa variance.
- Si $X_1,\ldots,X_n$ sont indépendantes de loi $\mathcal P(1)$, donner la loi de leur somme $S_n$.
-
Pour $a<b$, poser $x_{n,k}=(k-n)/\sqrt n$ et $I_n=\{k\in\N:x_{n,k}\in[a,b]\}$.
- Montrer que $\min I_n=i_n$ et $\max I_n=j_n$ existent pour $n$ assez grand et que $[a,b]\subset\bigcup_{k=i_n-1}^{j_n}[x_{n,k},x_{n,k+1}[$.
- On admet que les fonctions en escalier construites à partir de $\sqrt n\,\P(S_n=k)$ convergent uniformément sur $[a,b]$ vers $\eta(t)=e^{-t^2/2}/\sqrt{2\pi}$. En déduire $\P((S_n-n)/\sqrt n\in[a,b])\to\int_a^b\eta(t)\,dt$.
- Démontrer le résultat admis en utilisant Stirling.
Soit $X\sim\mathcal P(\lambda)$, $\lambda>0$.
- Montrer que $X$ est intégrable et calculer son espérance.
- Calculer $\varphi_X(t)=\E(e^{itX})$.
- Pour $k\in\N$, montrer $\int_{-\pi}^{\pi}\exp(k(e^{it}-1-it))\,dt=2\pi k^k e^{-k}/k!$.
- En admettant $\int_\R e^{-u^2/2}\,du=\sqrt{2\pi}$, retrouver Stirling.
- Rappeler l'inégalité triangulaire dans $\C$ et son cas d'égalité.
- Si $X\geq0$ est d'espérance nulle, que peut-on dire de $X$ ? Le démontrer.
- Si $X$ est de variance finie et $\V(X)=0$, que peut-on dire ? Le démontrer.
Soit $X$ à valeurs dans $\Z$ et à support fini, $(X_i)$ i.i.d. de même loi, $S_n=\sum_{i=1}^nX_i$, $g_n(t)=\E(e^{itS_n})$ et $f(t)=\E(e^{itX})$.
- Montrer que $f,g_n$ sont bien définies et continues, et préciser le lien entre elles.
- Montrer $\P(S_n=k)=\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(t)^ne^{-ikt}\,dt$.
- Si $\P(X=0),\P(X=1)>0$, montrer $|f(t)|<1$ pour $t\in[-\pi,\pi]\setminus\{0\}$, donner un DL à l'ordre 2 de $|f(t)|^2$ en 0 et établir $\sup_{k\in\Z}\P(S_n=k)\leq c/\sqrt n$.
Soit $\sigma_n$ uniforme sur le groupe $\mathfrak S_n$. Les orbites de $x$ sont $O(x,\sigma)=\{\sigma^k(x):k\in\Z\}$.
- Rappeler la définition d'une partition et montrer que les orbites partitionnent $\{1,\ldots,n\}$.
- Noter $C_n$ le nombre d'orbites, $N_{k,n}$ le nombre d'orbites de taille $k$ et $L_i$ la taille de l'orbite de $i$. Déterminer la loi de $L_1$, calculer $\E(C_n)$ et en donner un équivalent.
- Calculer $\V(C_n)$ et son équivalent, montrer $C_n/\ln n\to1$ en probabilité, puis montrer $N_{k,n}$ converge en loi vers $\mathcal P(1/k)$ pour tout $k\geq1$.
Soit $A\in S_n^{++}(\R)$, de valeurs propres ordonnées $\lambda_1\leq\cdots\leq\lambda_n$, et une base orthonormée de vecteurs propres $(e_i)$. Soit $X=\sum x_ie_i$ de norme $1$.
- Énoncer et démontrer Cauchy-Schwarz dans un espace préhilbertien.
- Pour $\lambda_i>0$, montrer $(\sum x_i^2)^2\leq(\sum\lambda_ix_i^2)(\sum x_i^2/\lambda_i)$.
- Construire $U$ telle que $\P(U=\lambda_i)=x_i^2$.
- Montrer $\E(1/U)\leq(\lambda_1+\lambda_n-\E(U))/(\lambda_1\lambda_n)$.
- En déduire $1\leq(X^TAX)(X^TA^{-1}X)\leq(\lambda_1+\lambda_n)^2/(4\lambda_1\lambda_n)$.
Centrale PSI 2026
Algèbre
Soient $n\geq2$ et $E=M_n(\R)$.
- Calculer $E_{i,j}E_{p,\ell}$.
- Pour $K,L\in E$, poser $u_{K,L}(M)=KM-ML$. Calculer $\operatorname{tr}(u_{K,L})$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $u_{K,L}=0$.
- Pour $M_0=(m_{ij})$ et $M_x=(m_{ij}+x)$, montrer qu'il existe $\alpha\in\R$ tel que $\det(M_x)=\alpha x+\det(M_0)$.
- Pour $A_{a,b,c}=(a_{ij})$ définie par $a_{ii}=a$, $a_{ij}=b$ si $i<j$ et $a_{ij}=c$ si $i>j$, calculer son déterminant si $b\neq c$, puis si $b=c$.
Soit $A\in M_n(\R)$ triangulaire supérieure de diagonale $(1,2,\ldots,n)$. Étudier les solutions de $M^2=A$.
- Résoudre pour $n=2$ et $A=\begin{pmatrix}1&1\\0&2\end{pmatrix}$.
- Pour $n=2$ et $A$ quelconque satisfaisant les hypothèses, donner le nombre de solutions.
- Pour $n$ quelconque, donner le nombre de solutions et dire si elles sont toutes triangulaires supérieures.
- Dans la base canonique $(e_1,e_2)$ de $\R^2$, soit $p$ le projecteur sur $\operatorname{Vect}(e_1)$ parallèlement à $\operatorname{Vect}(e_1+e_2)$. Donner sa matrice $A$ et déterminer les $B$ telles que $AB-BA=B$.
- Pour $f\in\mathcal L(E)$, poser $\psi_f(g)=f\circ g-g\circ f$. Si $\psi_f(g)=g$ pour un $g\neq0$, montrer $\psi_f(g^k)=kg^k$ pour $k\geq1$, puis en déduire qu'une puissance de $g$ est nulle.
Dans la base canonique $\varepsilon$ de $\R^3$, poser $e_1=\varepsilon_2+\varepsilon_3$, $e_2=-\varepsilon_1/4+\varepsilon_2/4$, $e_3=\varepsilon_1+\varepsilon_2$, et soit $f$ représenté par $\begin{pmatrix}1&1&-1\\-1&3&-3\\-2&2&-2\end{pmatrix}$.
- Montrer que $e=(e_1,e_2,e_3)$ est une base et déterminer la matrice de $f$ dans cette base.
- $f$ est-il diagonalisable ? Montrer $\R^3=\Ker(f^2)\oplus\Ker(f-2\operatorname{id})$ et donner des bases de ces noyaux.
- Si $g^2=f$, que dire de la matrice de $g$ dans la base $e$ ?
Soit $S=\begin{pmatrix}5&-3\\3&-5\end{pmatrix}$.
- Montrer que $S$ est semblable à une matrice diagonale et la préciser.
- Montrer qu'elle est semblable à une matrice de diagonale nulle.
- À l'aide de $\Phi(M)=\operatorname{diag}(1,2)M-M\operatorname{diag}(1,2)$, trouver $A,B$ telles que $S=AB-BA$.
Soit $M\in M_n(\R)$ nilpotente.
- Montrer $M^n=0$.
- Soient $\lambda_1\neq\lambda_2$ et $n=m_1+m_2$, avec $m_i\geq1$. Poser $A=\operatorname{diag}(\lambda_1I_{m_1}+N_1,\lambda_2I_{m_2}+N_2)$, où $N_1,N_2$ sont nilpotentes. Exprimer $\chi_A$ avec $\chi_{N_1},\chi_{N_2}$ et donner une condition nécessaire et suffisante pour que $A$ soit diagonalisable.
Soit $A\in GL_n(\C)$.
- Définir le polynôme minimal $\pi_A$ et exprimer $\pi_{A^{-1}}$ en fonction de $\pi_A$.
- Pour $P=\sum_{k=0}^da_kX^k$, poser $P^*=\sum_{k=0}^da_{d-k}X^k$. Pour $n=2$, donner une condition nécessaire et suffisante sur $\pi_A,\pi_A^*$ pour que $A$ soit semblable à $A^{-1}$.
- Pour $n\geq3$ et $A$ diagonalisable, montrer que cette condition n'est plus suffisante, puis donner une condition nécessaire et suffisante.
Munir $\R_n[X]$ du produit scalaire $\langle P,Q\rangle=\int_0^1P(t)Q(t)\,dt$.
- Vérifier que c'est un produit scalaire.
- Montrer que la distance de $X^n$ à $\R_{n-1}[X]$ est atteinte en un unique $P_n\in\R_{n-1}[X]$. Écrire $P_n=\sum_{j=0}^{n-1}a_jX^j$ et $f(t)=1/(t+n+1)-\sum_{j=0}^{n-1}a_j/(t+j+1)$.
- Calculer $f(k)$ pour $k=0,\ldots,n-1$.
- Montrer qu'il existe $Q\in\R_n[X]$ tel que $Q(t)=\prod_{j=0}^n(t+j+1)f(t)$ sur $\R_+$.
- En déduire la distance cherchée.
Soient $E,F$ euclidiens et $f\in\mathcal L(E,F)$.
- Pour $y\in F$, montrer qu'il existe un unique $(x,z)\in(\Ker f)^\perp\times(\operatorname{Im}f)^\perp$ tel que $y=f(x)+z$.
- Associer à $y$ le $x$ de cette décomposition. Montrer que l'application obtenue est linéaire et déterminer son noyau et son image.
- Montrer que $g\circ f$ et $f\circ g$ sont des projecteurs et les caractériser.
- Montrer que $\langle A,B\rangle=\operatorname{tr}(A^TB)$ est un produit scalaire sur $M_3(\R)$.
- Soit $F$ l'espace des matrices dont la troisième ligne est nulle. Calculer $d(M,F)$.
- Si $A\in SO_3(\R)$, calculer $d(A,F)$ puis $d(SO_3(\R),F)$.
- Décrire $O_2(\R)$ et $SO_2(\R)$ et montrer que tout élément de $SO_2$ est produit de deux éléments de $O_2\setminus SO_2$.
- Soit $E$ euclidien de dimension $4$ et $u$ une isométrie sans vecteur propre. En étudiant $M+M^T$, montrer qu'il existe un plan stable par $u$, puis une base orthonormée où $u$ a une forme bloc-diagonale $\operatorname{diag}(R_1,R_2)$ avec des rotations planes.
Soient $E$ euclidien et $p,q$ des projecteurs orthogonaux.
- Montrer que $p$ est autoadjoint et $1$-lipschitzien.
- Montrer que $\chi_{p+q}$ est scindé dans $\R[X]$ et $\Sp(p+q)\subset[0,2]$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante pour que $p+q$ soit un projecteur.
Sur $\R_n[X]$, poser $\langle P,Q\rangle=\int_{-1}^1\sqrt{\frac{1+t}{1-t}}P(t)Q(t)\,dt$ et $\varphi(P)=(1-X^2)P''+(2X-1)P'$.
- Montrer que $\langle\cdot,\cdot\rangle$ est un produit scalaire.
- Montrer que $\varphi$ est un endomorphisme autoadjoint et en déduire une unique base propre $(P_0,\ldots,P_n)$ avec $P_k$ unitaire de degré $k$.
- Expliciter les $P_k$.
Soient $E$ euclidien, $e$ une base orthonormée et $u$ un endomorphisme dont la matrice $M$ commute avec $M^T$.
- Montrer que la matrice $N$ de $u$ dans toute autre base orthonormée vérifie $N^TN=NN^T$.
- Montrer que si $F$ est stable par $u$, alors $F^\perp$ l'est aussi.
- Si $u$ est trigonalisable, montrer qu'il est diagonalisable et autoadjoint.
- Si $u$ est autoadjoint sur un espace euclidien et $\lambda_1$ sa plus petite valeur propre, montrer $\lambda_1=\min_{\|x\|=1}\langle u(x),x\rangle$.
- Soient $D=\operatorname{diag}(0,1,\ldots,p-1)$, $J$ la matrice de tous les $1$ et $M=D+\frac1nJ$. Montrer pour $x=(x_1,\ldots,x_p)^T$ que $\langle u(x),x\rangle=s^2/n+\sum_{k=1}^{p-1}kx_{k+1}^2$, où $s=\sum x_i$, puis encadrer $\lambda_1$ dans $[0,p-1]$.
Soient $E$ euclidien de dimension $n$ et $f\in\mathcal L(E)$.
- Justifier l'existence d'une base orthonormée.
- Montrer l'équivalence entre $\langle f(x),y\rangle=-\langle x,f(y)\rangle$ pour tous $x,y$ et l'existence d'une base orthonormée dans laquelle la matrice de $f$ est antisymétrique.
- Montrer que le rang de $f$ est pair.
- Si $A=P DQ$ avec $P,Q$ orthogonales et $D$ diagonale à coefficients positifs, montrer que les valeurs propres de $A^TA$ sont les coefficients diagonaux de $D^2$.
- Pour toute matrice réelle $A$, montrer $\Sp(A^TA)\subset\R_+$.
- Montrer que $\operatorname{rg}(A)$ est le nombre de valeurs propres non nulles de $A^TA$, comptées avec multiplicité.
Une contraction d'un espace euclidien est un endomorphisme $f$ tel que $\|f(x)\|\leq\|x\|$ pour tout $x$.
- Si $f$ est autoadjoint, montrer l'équivalence entre être une contraction et $|\lambda|\leq1$ pour tout $\lambda\in\Sp(f)$.
- Pour $P\in\R[X]$, montrer $\|P(f)(x)\|\leq\sup_{\lambda\in\Sp(f)}|P(\lambda)|\,\|x\|$.
- Si $f$ est un automorphisme de matrice $M$, montrer qu'il existe $S$ symétrique définie positive telle que $M^TM=S^2$.
Poser $B_n(\R)=\{A\in M_n(\R):\chi_A=\prod_{i=1}^n(X-a_{ii})\}$.
- Montrer que $B_n(\R)$ est non vide.
- Si $A$ est symétrique de valeurs propres $\alpha_i$, montrer $\sum_{i,j}a_{ij}^2=\sum_i\alpha_i^2$ et déterminer $B_n(\R)\cap S_n(\R)$.
- Déterminer $B_n(\R)\cap\mathcal A_n(\R)$.
- Si $V$ est un sous-espace de matrices inclus dans $B_n(\R)$, déterminer sa dimension maximale.
Analyse
Pour $A=(a_{ij})\in M_n(\R)$, poser $N(A)=\sum_{i,j}|a_{ij}|$ et $\|x\|_1=\sum_i|x_i|$.
- Montrer que $N$ est une norme et que $\|Ax\|_1\leq N(A)\|x\|_1$.
- Pour $0<\alpha<1$, poser $K_\alpha=\{A:N(A-I_n)\leq\alpha\}$ et $\psi(A)=\det(A^{-1})$. Vérifier que $\psi$ est bien définie, bornée sur $K_\alpha$ et y atteint ses bornes.
Soit $n\geq2$.
- Pour $M\in M_n(\C)$, rappeler la formule du déterminant et montrer que $GL_n(\C)$ est ouvert.
- Montrer dense l'ensemble $D=\{M:|\Sp(M)|=n\}$.
- Pour $M$, poser $C(M)=\{Q:QM=MQ\}$. Déterminer $\dim C(D)$ pour $D\in D$.
- Pour $a=(a_0,\ldots,a_{n-1})\in\C^n$, soit $F(a)\in M_n(\C)$ la matrice dont la dernière colonne est $(a_0,\ldots,a_{n-1})^T$, la sous-diagonale est formée de $1$ et les autres coefficients sont nuls. Montrer que $F=\{PF(a)P^{-1}:a\in\C^n,\ P\in GL_n(\C)\}$ est un ouvert dense de $M_n(\C)$ contenant $D$.
- Pour la norme euclidienne canonique sur $\R^n$, montrer que la norme d'opérateur associée est une norme matricielle.
- Pour $x\in\C^n$, montrer $\|x\|_\C^2=\|\Re x\|_\R^2+\|\Im x\|_\R^2$.
- En déduire que les normes d'opérateur réelle et complexe coïncident sur $M_n(\R)$.
- Si $B=\{M:\|M-I_n\|_R<1\}$, montrer que $|\lambda-1|<1$ pour toute valeur propre de $M\in B$.
- Si $G$ est un sous-groupe de $GL_n(\R)$ inclus dans $B$, montrer $\Sp(A)=\{1\}$ pour tout $A\in G$, puis que $G=\{I_n\}$.
- Rappeler les définitions d'un segment, d'une partie convexe et de la frontière.
- Pour $A\subset E$, poser $\operatorname{Conv}(A)$ égal à l'intersection des convexes contenant $A$. Montrer que $\operatorname{Conv}(A)$ est convexe et contient $A$.
Pour $n\geq2$, poser $u_n=\sum_{k=2}^n\frac{\ln k}{k}$.
- Par comparaison série-intégrale, donner un équivalent de $u_n$.
- Montrer que $v_n=u_n-\frac12\ln^2n$ converge.
Soient $u_n\geq0$, $u_0>0$, $S_n=\sum_{k=0}^nu_k$, et supposons $\sum u_n$ divergente.
- Si $\alpha\leq1$, étudier $\sum\ln(1-u_n/S_n)$, puis en déduire la nature de $\sum u_n/S_n$ et de $\sum u_n/S_n^\alpha$.
- Si $\alpha>1$, en utilisant $u_n=S_n-S_{n-1}$, montrer que $\sum u_n/S_n^\alpha$ converge.
- Définir la sommabilité d'une famille $(a_{i,j})_{(i,j)\in\N^2}$.
- Étudier la sommabilité pour $a_{i,j}=1/(i^2+j^2+1)$.
- Pour $x,y>0$, poser $F(x,y)=\sum a_{i,j}x^iy^j$, et $D=\{(x,y):F(x,y)<+\infty\}$, $L=\{(\ln x,\ln y):(x,y)\in D\}$. Représenter $D,L$ pour les cas $a_{i,j}=1$, $a_{i,j}=2^i\delta_{i,j}$ et $a_{i,j}=\binom{i+j}{i}$.
Soit $f\in C^1(\R,\R)$ et $S=\{\varphi\in C^2(\R,\R):\varphi''=|\varphi+f|\}$.
- Montrer $e^t\geq1+t$.
- Pour $f=\exp$, montrer qu'il existe une unique solution $\varphi\in S$ telle que $\varphi(0)=\varphi'(0)=-1$.
- Si $f$ n'est pas constante, existe-t-il une solution périodique ? bornée ?
Soit $f\in C^2(\R)$ telle que $f''>0$.
- Montrer que $f$ n'est pas majorée. Peut-elle être minorée ?
- Montrer que $f$ admet un minimum ssi $f'(a)=0$ pour un certain $a$.
- Si $f(x)/|x|\to+\infty$ quand $x\to\pm\infty$, montrer que $f'$ est une bijection de $\R$ sur $\R$.
Soit $F=C^\infty([0,+\infty[,\R)$ et $E=\{f\in F:f(0)=0,\ \lim_{x\to+\infty}f^{(m)}(x)\in\R\ \forall m\in\N\}$.
- Montrer que $E$ est un espace vectoriel.
- Poser $\Phi(f)(x)=f'(x)-f'(0)$. Montrer que $\Phi$ est un endomorphisme injectif.
- Pour $g(x)=(x+1)\sin(\pi\sqrt{x+1})-\pi x/2$, montrer que, pour $m\geq2$, $g^{(m)}(x)=P_m(1/\sqrt{x+1})\sin(\pi\sqrt{x+1})+Q_m(1/\sqrt{x+1})\cos(\pi\sqrt{x+1})$ avec $P_m,Q_m\in\R[X]$. Résoudre $\Phi(f)=g'$ dans $E$ et déterminer si $\Phi$ est surjectif.
Soit $f\in C^1(\R)$ $T$-périodique et $\int_0^T f(t)\,dt=0$.
- Poser $g(x)=\int_x^{+\infty}f(t)/t^2\,dt$ pour $x>0$. Montrer que $g$ est bien définie, $C^1$, et calculer $g'$.
- Montrer que toute primitive de $f$ est bornée sur $\R_+$.
- Trouver $a$ tel que $g(x)=a/x+O(\ln x)$ quand $x\to0^+$.
- $g$ est-elle intégrable sur $\R_+$ ?
Soit $A=\{f\in C^1([0,1]): f'(x)=x^2+f(x)^2,\ f(0)=0\}$.
- Montrer qu'un $f\in C^0([0,1])$ appartient à $A$ ssi $f(x)=x^3/3+\int_0^xf(t)^2dt$. Poser $f_0(x)=x^3/3$ et itérer cette relation pour définir $f_n$.
- Montrer $f_n(x)\leq(2/5)x^3$ et $0\leq f_{n+1}(x)-f_n(x)\leq f_{n+1}(1)-f_n(1)$.
- Étudier $(f_n)$ et en déduire que $A$ est non vide.
Poser $u_0(x)=x$ et $u_{n+1}(x)=2\sqrt{u_n(x)/(1+u_n(x))}$ pour $x>0$.
- Montrer que $(u_n)$ converge simplement sur $]0,+\infty[$.
- Poser $U_n(x)=(1+u_n(x))/(2\sqrt{u_n(x)})$. Montrer $|U_{n+1}(x)-1|\leq\frac12|U_n(x)-1|$.
- Montrer la convergence uniforme sur tout segment inclus dans $]0,+\infty[$.
- Est-elle uniforme sur tout $]0,+\infty[$ ?
Soit $\varphi(x)=\sum_{n\geq1}1/(n(n+x))$ pour $x\geq0$.
- Montrer que $\varphi$ est bien définie, continue et décroissante.
- Calculer sa limite en $+\infty$.
- Montrer $\varphi(x)=O(1/\sqrt{x})$.
- Avec $H_n=\sum_{k=1}^n1/k=\ln n+\gamma+o(1)$, exprimer $\varphi(n)$ et en déduire un équivalent.
Soit $E$ l'espace des fonctions lipschitziennes $\R\to\R$ et $F=\{f\in E:f(0)=0\}$. Pour $t\in[0,1[$, poser $\Phi(f)(x)=f(x)-f(tx)$.
- Montrer que $E$ est un sous-espace de $C^0(\R,\R)$, que $F$ en est un sous-espace et donner un supplémentaire.
- Montrer que $\Phi$ est un endomorphisme injectif de $F$.
- Si $g=\Phi(f)$, montrer $f(x)=\sum_{k\geq0}g(t^kx)$. Qu'en déduire sur $\Phi$ ?
Pour $n\geq1$, poser $f_n(x)=1/(n^2+n^4x^2)$ et $S=\sum_{n\geq1}f_n$.
- Montrer que $S$ est définie et $C^\infty$ sur $\R^*$.
- $S$ est-elle $C^1$ sur $\R$ ?
Soit $f(x)=\sum_{n\geq1}1/(x^{\sqrt n}n^{3/2})$.
- Déterminer son domaine de définition.
- Montrer que $f$ est continue sur $[1,+\infty[$ et dérivable sur $]1,+\infty[$.
- Donner un équivalent de $f$ en $+\infty$.
Soit $f(x)=\sum_{n\geq1}\ln(1+1/(n^2x^2))$.
- Déterminer son domaine et ses variations.
- Étudier sa continuité.
- Donner un équivalent lorsque $x$ tend vers la borne supérieure du domaine.
Soit $f(x)=\sum_{n\geq1}(-1)^n/(1+n^2x^2)$.
- Déterminer son domaine de définition.
- Montrer que $f$ est continue sur son domaine.
- Montrer qu'il existe $a\in\R$ tel que $f(x)\sim a/x^2$ quand $x\to+\infty$.
- Montrer que $f$ est intégrable sur $\R_+$ et calculer son intégrale.
Poser $f_k(x)=\sin((k!)^2x)/k!$, $W_n=\sum_{k=0}^nf_k$, $R_n=\sum_{k=n+1}^\infty f_k$ et $W=\sum_{k=0}^\infty f_k$.
- Énoncer et démontrer le théorème de continuité des séries de fonctions.
- Montrer que $W,R_n$ sont définies et continues sur $\R$, puis que $|R_n|\leq2/(n+1)!$.
- Montrer $|W_n'(x)|\leq2n!$.
- À l'aide d'une suite convenable, montrer que $W$ n'est dérivable en aucun point.
Sur $]-\pi/2,\pi/2[$, poser $f(x)=(1+\sin x)/\cos x$.
- Montrer que $f$ satisfait une équation différentielle d'ordre 1.
- Poser $P_0=1+X$. Montrer qu'il existe des polynômes unitaires $P_n\in\Z[X]$ de degré $n$ tels que $f^{(n)}(x)=P_n(\sin x)/\cos^{n+1}x$.
- Pour $a_n=P_n(0)$, relier $a_1$ à $a_0$ puis exprimer $a_{n+1}$ à l'aide de $\sum_{k=0}^n\binom nk a_ka_{n-k}$.
- Pour $A(t)=\sum_{n\geq0}a_nt^n/n!$, trouver une équation différentielle et en déduire les $a_n$.
Soient $a_n>0$ et $S_n=\sum_{k=1}^na_k$.
- Si $(a_n)$ est majorée, poser $f(x)=\sum_{n\geq1}S_nx^n$, $g(x)=\sum_{n\geq0}a_nx^n$. Déterminer leurs rayons de convergence, établir une relation entre $f,g$, puis expliciter $f$ si $a_n=1/n$.
- Si $a_1=1$ et $a_{n+1}=a_n+1/S_n$, calculer le rayon de convergence de $\sum S_nx^n$.
Soient $\alpha,\lambda\in\R$, $|\lambda|<1$, et $F=\{f\in C^1(\R): f'=\alpha f+f(\lambda x)\}$.
- Montrer $F\subset C^\infty(\R)$.
- Déterminer les fonctions non nulles de $F$ développables en série entière.
- Si $f\in F$ et $f(0)=0$, montrer $f^{(n)}(0)=0$ pour tout $n$, puis en déduire une propriété de $f$.
Pour $a>-1/2$, poser $I_a(x)=\int_0^1(1-t^2)^{a-1/2}\cos(xt)\,dt$.
- Montrer que l'intégrande pondérateur est intégrable.
- Montrer que $I_a$ est $C^2$ et relier $I_a'',I_a,I_{a+1}$.
- Montrer que $I_a$ est développable en série entière sur $\R$.
Soient $u_0=a>0$ et $u_{n+1}=\ln(1+u_n)$.
- Étudier la limite de $(u_n)$.
- Déterminer le rayon de convergence de $\sum u_nx^n$.
- Poser $v_n=1/u_{n+1}-1/u_n$. La série converge-t-elle en $x=1$ et $x=-1$ ?
Pour $n,k\in\N$, poser $u_{n,k}=k^n/k!$ et noter $A_n=\sum_{k\geq0}u_{n,k}$.
- Montrer la convergence et exprimer $A_{n+1}$ en fonction des $A_i$.
- Montrer $0\leq A_n/n!\leq e$.
- Trouver une équation différentielle satisfaite par $f(x)=\sum_{n\geq0}A_nx^n/n!$.
Soit $\varphi:[n_0,+\infty[\to\R_+^*$ continue décroissante telle que $\sum_{n\geq n_0}\varphi(n)$ diverge.
- Pour $\alpha\geq0$, déterminer la nature de $\sum_{n\geq2}1/(n(\ln n)^{1-\alpha})$.
- Déterminer le rayon de convergence de $\sum_{n\geq n_0}\varphi(n)x^n$.
- Montrer que cette somme tend vers $+\infty$ quand $x\to1^-$ et qu'elle est équivalente à $\int_{n_0}^{+\infty}\varphi(t)x^t\,dt$.
Poser $N_0=1$, $N_k=\frac1{k!}\prod_{i=0}^{k-1}(X-i)$, $F_P(x)=\sum_{k\geq0}P(k)x^k/k!$ et $P_j=j!N_j$.
- Pour $P_j$, déterminer le rayon de convergence de $F_{P_j}$ et sa somme.
- Pour $P\neq0$, déterminer le rayon de convergence de $F_P$ et montrer qu'il existe un unique $Q_P$, de même degré que $P$, tel que $F_P(x)=Q_P(x)e^x$.
- Poser $I_k=\int_0^1N_k(t)\,dt$. Pour $k\geq2$, montrer $1/(6k^2)\leq|I_k|\leq1/(6k)$ et déterminer le rayon de convergence de $\sum I_kx^k$.
Poser $I_n=\int_0^n(1-t/n)^n\ln(t)\,dt$ et $J_n=\int_0^1u^n\ln(1-u)\,du$.
- Montrer que $I_n$ converge et tend vers $\int_0^\infty e^{-t}\ln(t)\,dt$.
- Montrer que $J_n$ converge et vaut $-\frac1{n+1}\sum_{k=1}^{n+1}1/k$.
- En déduire $\int_0^\infty e^{-t}\ln(t)\,dt=-\gamma$.
Poser $I_n=\int_0^\infty(1+t^3)^{-n}\,dt$, $u_n=\sum_{k=1}^n1/k-\ln n$, $v_n=\sum_{k=1}^n1/k-\ln(n+1)$.
- Montrer que $u_n,v_n$ convergent vers une même limite $\gamma$.
- Montrer $I_{n+1}/I_n=1-1/(3n)$.
- Montrer qu'il existe $C>0$ tel que $I_n\sim C/n^{1/3}$.
Soit $f(x)=\int_0^{\pi/2}\sin^x(t)\,dt$.
- Déterminer son domaine, de la forme $]a,+\infty[$.
- Sur $J=]a+1,+\infty[$, poser $\varphi(x)=xf(x)f(x-1)$. Montrer $\varphi(x+1)=\varphi(x)$ et que $\varphi(x)/x$ est décroissante.
- Calculer $\varphi(n)$ et montrer que $\varphi$ est constante.
Définir $f(x)=\sin(x^2)/x^2$ pour $x>0$ et $f(0)=1$. Poser $S(x)=\int_0^\infty f(\lfloor t/x\rfloor x)\,dt$.
- Montrer que $S(x)$ converge pour tout $x>0$.
- Si $x_n\to0^+$, montrer $S(x_n)\to\int_0^\infty f(t)\,dt$.
- Pour $G(x)=\sum_{n\geq1}\sin(n^2x)/n^2$, exprimer $G(x)$ à l'aide de $S(\sqrt{x})$ et déterminer un équivalent en $0^+$.
Poser $f(x)=\int_0^\infty\frac{\sin t}{t}e^{-xt}\,dt$.
- Montrer que $f$ est définie sur $\R_+$ et que $|f(x)|\leq1/x$ pour $x>0$.
- Montrer que $f$ est $C^1$ sur $]0,+\infty[$, puis calculer $f'$ et $f$.
- Montrer la continuité en $0$ et en déduire $\int_0^\infty\sin(t)/t\,dt$.
Poser $f(x)=\int_0^\infty\arctan(tx)e^{-t}\,dt$.
- Montrer que $f\in C^3(\R)$.
- Montrer que $f(x)$ a le signe de $x$ et $|f(x)|\leq|x|$.
- Pour $x_{n+1}=f(x_n)$, montrer $x_n\to0$. Trouver $\alpha$ tel que $x_{n+1}^\alpha-x_n^\alpha$ ait une limite non nulle pour $x_0>0$, puis en déduire un équivalent de $x_n$ si $x_0\neq0$.
Soit $f(x)=\int_0^1\frac{\cos(xt)}{\sqrt{1-t^2}}\,dt$.
- Montrer que $f$ est définie et continue, calculer $f(0)$.
- Montrer $f(x)=\int_0^{\pi/2}\cos(x\sin u)\,du$ et que $f\in C^2(\R)$.
- Montrer que $f$ admet un développement en série entière en $0$ et l'expliciter.
Pour $p\in\N$, poser $I_p(x)=\int_0^\infty e^{-(2p+1)t}\cos(xt)\,dt$.
- Montrer que $\int_0^\infty\cos(xt)/\cosh(t)\,dt$ est définie et poser $G(x)=\int_0^\infty\cos(xt)/\sinh(t)\,dt$.
- Calculer $I_p$.
- Exprimer $G(x)$ à l'aide des $I_p(x)$.
- Montrer que $G$ est développable en série entière en zéro.
Soient $\varphi(x)=\int_x^\infty\sin(t)/t\,dt$ et $\psi(x)=\int_x^\infty\cos(t)/t\,dt$ pour $x>0$, avec $\psi'(x)=-\cos(x)/x$ admis.
- Montrer $\varphi$ est $C^1$ et $\varphi'(x)=-\sin(x)/x$.
- Montrer que $f(x)=\varphi(x)\cos x-\psi(x)\sin x$ résout $y''+y=1/x$.
- Montrer que $g(x)=\int_0^\infty e^{-tx}/(1+t^2)\,dt$ résout aussi cette équation.
- En déduire $\int_0^\infty\sin(t)/t\,dt$.
Pour $\alpha>0$, poser $I(\alpha)=\int_0^1\ln(t)\ln(1-t^\alpha)\,dt$.
- Rappeler que la limite uniforme de fonctions continues est continue.
- Montrer que $I(\alpha)$ est bien définie.
- Écrire $I(\alpha)$ comme somme d'une série.
Soit $f:[0,1]\to\R$ continue et $u_n=\int_0^1f(x)^n\,dx$.
- Si $f(1)>1$, montrer qu'il existe $c>1$ et $a<1$ tels que $f(t)\geq c$ pour $t\in[a,1]$.
- Montrer que si $\sum u_n$ converge, alors $f(1)=0$.
- Si $f\in C^1([0,1])$, montrer que $\sum u_n$ converge ssi $f(1)=0$, puis calculer $\sum_{n\geq0}u_n$.
Soit $E$ l'ensemble des fonctions continues $f:\R_+^*\to\R$ pour lesquelles $x^\alpha f(x)\to0$ pour un certain $\alpha\geq0$.
- Montrer que $E$ est un sous-espace vectoriel de $C^0(\R_+^*,\R)$.
- Pour $f\in E$, poser $\varphi_f(x)=e^x\int_x^\infty e^{-t}f(t)\,dt$. Montrer que c'est l'unique solution dans $E$ de $y'-y+f=0$.
Soit $f(x,y)=(x-xy)\sqrt y-yx^2$, $K=[-1,1]\times[0,1]$, $O=]-1,1[\times]0,1[$.
- Montrer que $f$ atteint un maximum et un minimum sur $K$.
- Déterminer ses extrema locaux sur $O$.
- Déterminer maximum et minimum sur $K$.
Soit $F(x,y)=\sin(x)\cosh(y)-\sin(y)\cosh(x)$ et $\Delta=\{(x,x):x>0\}$.
- Montrer $F\in C^2(\R^2)$.
- Montrer que le gradient s'annule sur $\Delta$ en des points $(x_n,x_n)$ avec $x_n\in[n\pi+\pi/4,n\pi+\pi/2]$.
- $F$ possède-t-elle des extrema sur $\Delta$ ? sur $\R^2$ ?
Soit $f(x,y)=x^4+y^4-x^2-y^2-xy$.
- Déterminer le plan tangent au graphe en $(0,0,f(0,0))$ et préciser sa position locale.
- Montrer que $f$ admet un minimum global sur $\R^2$, et déterminer sa valeur et ses points d'atteinte.
Probabilités
Soit $(\Omega,\P)$ fini et $F$ l'espace des fonctions $\Omega\to\R$. Poser $\Phi(X,Y)=\E(XY)$. Montrer que $\Phi$ est un produit scalaire ssi $\P(\{\omega\})>0$ pour tout $\omega\in\Omega$.
Deux joueurs $A,B$ jouent à tour de rôle. À son tour, $A$ gagne avec probabilité $p$, $B$ avec probabilité $q$ ; en cas de victoire, l'autre joue au tour suivant, en cas de défaite le même joueur rejoue. Soit $X_n$ l'identité du joueur au tour $n$, et $U_1=(1/3,2/3)^T$.
- Déterminer $A$ telle que $U_{n+1}=AU_n$.
- Diagonaliser $A$ et en déduire la loi de $X_n$.
Soient $A,B,C$ indépendantes de loi $\mathcal B(n,p)$ et $M=\begin{pmatrix}A&B&C\\A&B&C\\A&B&C\end{pmatrix}$.
- Calculer les probabilités que $M$ soit inversible, nilpotente ou matrice d'un projecteur.
- Déterminer la loi, l'espérance et la variance du nombre de valeurs propres de $M$, puis la probabilité que $M$ soit diagonalisable.
Soient $(X_n)_{n\in\N}$ i.i.d. géométriques de paramètre $p\in]0,1[$. Poser $I_n=\min(X_1,\ldots,X_n)$ et $M_n=\max(X_1,\ldots,X_n)$.
- Montrer que $I_n$ est géométrique.
- Calculer $\E(I_n)$ et $\V(I_n)$.
- Montrer que l'événement où $(I_n)$ est constante à partir d'un certain rang est de probabilité $1$.
- Montrer que $M_n$ admet une espérance.
- Déterminer la limite de $\E(M_n)$.
- Résoudre $U_0=U_1=1$, $U_{n+2}=U_{n+1}+\frac12U_n$.
-
Soient $(X_n)$ i.i.d. de loi $\mathcal B(1/2)$ et $U_0=U_1=1$, $U_{n+2}=U_{n+1}+X_nU_n$.
- Montrer que, pour tout $\omega$, $(U_n(\omega))$ admet une limite dans $\R_+\cup\{+\infty\}$.
- Pour $A=\{\omega:(U_n(\omega))\text{ admet une limite finie}\}$, montrer $\P(A)=0$.
- Donner un équivalent de $\E(U_n)$.
Centrale PC 2026
Algèbre
- Montrer $2^nn!\leq(2n)!$ et $\cosh(t)\leq e^{t^2/2}$.
- Pour $X$ uniforme sur $\{-1,1\}$, montrer $\E(e^{tX})\leq e^{t^2/2}$.
- Pour $x\in[-1,1]$, montrer $e^{tx}\leq\frac{1+x}{2}e^t+\frac{1-x}{2}e^{-t}$.
- Si $X\in[-1,1]$ et $\E(X)=0$, montrer $\E(e^{tX})\leq e^{t^2/2}$, puis $\P(|X|\geq\lambda)\leq2e^{-\lambda^2/2}$.
- Montrer que $E=\{(a_n):\sum a_n^2<+\infty\}$ est un espace préhilbertien pour $\langle a,b\rangle=\sum a_nb_n$.
-
Pour $X\in\N$ de loi $(u_k)$, dire que $(\star)$ signifie $u_k>0$, $\E(X^2)<+\infty$ et $\sum_{k\geq0}(u_k-u_{k-1})^2/u_k<+\infty$, avec $u_{-1}=0$.
- Si $X\sim\mathcal P(\lambda)$, montrer $(\star)$ et calculer $S(X)\V(X)$, où $S(X)$ est la série ci-dessus.
- Pour $X$ vérifiant $(\star)$, montrer que $\sum_n(u_n-u_{n-1})(n-\E(X))$ converge et que $S(X)\V(X)\geq1$.
Soient $A\in S_n^{++}(\R)$ de valeurs propres $\lambda_1\leq\cdots\leq\lambda_n$.
- Énoncer et démontrer Cauchy-Schwarz.
- Pour $x\in\R^n$, montrer $(\sum x_k^2)^2\leq(\sum\lambda_kx_k^2)(\sum x_k^2/\lambda_k)$.
- Si $\sum x_i^2=1$, construire $I$ à valeurs dans $\{1,\ldots,n\}$ avec $\P(I=i)=x_i^2$ et poser $U=\lambda_I$. Montrer $\E(1/U)\leq(\lambda_1+\lambda_n-\E(U))/(\lambda_1\lambda_n)$.
- En déduire $\|X\|^4\leq\langle AX,X\rangle\langle A^{-1}X,X\rangle\leq\frac{(\lambda_1+\lambda_n)^2}{4\lambda_1\lambda_n}\|X\|^4$.
Trouver tous les polynômes $P\in\R[X]$ tels que $P(X)P(X+1)=P(X^2+X+1)$.
Poser $P_n=(X+1)^n-(X-1)^n$.
- Résoudre $z^n=1$, puis $z^n=\omega^n$.
- Trouver degré et coefficient dominant de $P_n$.
- Calculer $\sum_{k=1}^n\cot(k\pi/n)$.
- Calculer $\prod_{k=1}^n\cot(k\pi/(2n+1))$ à l'aide de $P_{2n+1}$, puis en déduire $\sum_{k=1}^n\cot^2(k\pi/n)$.
Soit $P=\sum_{k=0}^na_kX^k\in\C[X]$ de degré $n$ et $Q=\sum_{k=0}^na_{n-k}X^k$ son symétrique.
- Quel est le degré de $Q$ ?
- Déterminer les $P$ tels que $P(\mathbb U)\subset\mathbb U$. Indication : considérer $f(z)=Q(1/z)z^q$.
Pour $n\geq2$, montrer $(H_n)$ : pour tous $P,Q\in\C[X]$ de degrés $n,n-1$, il existe $a\in\C$ tel que $P-aQ$ ait une racine multiple.
- Vérifier $(H_2)$ et supposer les résultats établis jusqu'à $n$.
- Si $P,Q$ ont une racine commune, montrer $(H_{n+1})$.
- Sinon, poser $R=P'Q-PQ'$. Si $\alpha$ est racine de multiplicité $m$ de $P-aQ$, montrer que sa multiplicité dans $R$ vaut $m-1$, puis conclure.
Soit $(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)\in\R^n$. Calculer $\det(\cos((j-1)\alpha_i))_{1\leq i,j\leq n}$.
- Pour $n\geq2$, déterminer le sous-espace de $M_n(\C)$ engendré par les matrices nilpotentes.
- En déduire que tout hyperplan de $M_n(\C)$ contient une matrice inversible.
Soit $\mathcal N=\{M\in M_n(\C):M^p=0\text{ pour un }p\}$ et $(E_{i,j})$ la base canonique.
- Montrer que si $M\in\mathcal N$, alors $M^n=0$.
- Calculer $E_{i,j}E_{k,\ell}$.
- Si $i\neq j$, montrer que $I_n-E_{i,j}$ est inversible et calculer son inverse.
- Déterminer une base de $\Ker\operatorname{tr}$.
- Montrer $\Ker\operatorname{tr}=\operatorname{Vect}(\mathcal N)$.
Soient $E$ réel et $p_1,\ldots,p_n\in\mathcal L(E)$ vérifiant $p_i\circ p_j=\delta_{i,j}p_i$. Poser $F_i=\operatorname{Im}p_i$ et supposer les $F_i$ de dimension finie.
- Montrer que les $F_i$ sont en somme directe ssi $\dim(\sum_iF_i)=\sum_i\dim F_i$.
- Pour $a\in\R^n$, poser $u_a=\sum_i a_ip_i$. Calculer $u_a^k$ et caractériser quand $u_a$ est un projecteur.
- Si $\sum_i p_i=\operatorname{id}$, montrer $E=\bigoplus_iF_i$.
- Exprimer $\Ker p_i$ à l'aide des $F_j$.
- Montrer que, pour $A\in M_n(\R)$ et $\lambda\geq0$, $\det(A^2+\lambda I_n)\geq0$.
- Si $n$ est impair et $B$ inversible, montrer $A^2+B^2\neq-I_n$.
- Si $n$ est pair, donner $A,B$ telles que $A^2+B^2=-I_n$.
Pour $n\geq2$ et $M\in M_n(\C)$, montrer que $M$ n'est pas inversible ssi il existe $P\in GL_n(\C)$ tel que $P+zM$ soit inversible pour tout $z\in\C$.
Soient $A,B\in M_n(\R)$ avec $\operatorname{rg}(B)=1$ et $A^3=B$.
- Donner une relation entre $\operatorname{tr}(A)$ et $\operatorname{tr}(B)$.
- Si $\operatorname{tr}(B)=0$, montrer que $A$ n'est pas diagonalisable.
Soient $E$ complexe de dimension finie et $u\in\mathcal L(E)$. Poser $\C[u]=\{P(u):P\in\C[X]\}$ et $S_u=\{f\in\C[u]:f\text{ est une symétrie}\}$. Si $u$ est diagonalisable avec $p$ valeurs propres distinctes, calculer $\dim\C[u]$ et $\operatorname{card}(S_u)$.
Soit $A\in M_n(\C)$ et $\varphi_A(B)=AB$.
- Si $A=\begin{pmatrix}a&b\\b&a\end{pmatrix}$, montrer $\varphi_A$ diagonalisable et $\chi_{\varphi_A}=\chi_A^2$.
- Si $D$ est diagonale, montrer $\varphi_D$ diagonalisable et $\chi_{\varphi_D}=\chi_D^n$.
- Étendre à $A$ diagonalisable, puis à toute matrice $A\in M_n(\C)$.
Soient $n\geq1$, $A\in M_n(\R)$ et $B=\begin{pmatrix}4A&2A\\-3A&-A\end{pmatrix}$. Montrer que $B$ est diagonalisable sur $\R$ ssi $A$ l'est sur $\R$.
Soit $A=(a_{ij})$ une matrice stochastique : $a_{ij}\geq0$ et chaque ligne somme à $1$.
- Montrer que $1$ est valeur propre et que toute valeur propre $\lambda$ vérifie $|\lambda|\leq1$.
- Montrer que $A^p$ est stochastique et étudier la convergence de $(A^p)$.
- Pour $\lambda\in]-1,1]$ et $N$ nilpotente, montrer que $((\lambda I_n+N)^p)_p$ converge.
Soient $U=\begin{pmatrix}A&A\\0&A\end{pmatrix}$ et $V=\begin{pmatrix}A&0\\0&A\end{pmatrix}$. On suppose $A$ diagonalisable et $U,V$ semblables.
- Montrer qu'il existe un polynôme $\pi$ scindé à racines simples tel que $A\pi'(A)=0$.
- Montrer $A=0$.
- Le résultat subsiste-t-il sans l'hypothèse de diagonalisabilité de $A$ ?
Soient $E$ complexe de dimension $n$ et $\mathcal A\subset GL(E)$ tel que, pour $u\neq v$ dans $\mathcal A$, $u\circ v=-v\circ u$.
- Si $n$ est impair, montrer que $\mathcal A$ a au plus un élément.
- Si $\mathcal A$ a au moins deux éléments, montrer que pour $u\in\mathcal A$, toute valeur propre $\lambda$ entraîne la valeur propre $-\lambda$ de même multiplicité.
- Si $n=2$, trouver une base où la matrice de $u$ est $\operatorname{diag}(\lambda,-\lambda)$.
- Montrer que $\mathcal A$ a au plus trois éléments.
- Montrer que $\langle f,g\rangle=\int_0^1fg$ est un produit scalaire sur $E=\{f\in C^0(]0,1],\R):f^2\text{ est intégrable}\}$.
- Pour $F(x,y)=\int_0^1(\ln t-tx-y)^2dt$, calculer $\inf_{(x,y)\in\R^2}F(x,y)$.
Soient $E$ euclidien de dimension $3$, $H$ un plan, $u\neq0$ normal à $H$, $f$ une isométrie et $s$ la réflexion orthogonale par rapport à $H$. Poser $h=f\circ s\circ f^{-1}$. Montrer que $h$ est une réflexion et préciser ses éléments caractéristiques.
- Pour $A,B\in M_n(\R)$, montrer que si $0$ est valeur propre de $AB$, alors c'est une valeur propre de $BA$.
- Même question pour une valeur propre non nulle.
- Comparer les spectres et dimensions des espaces propres de $AA^T$ et $A^TA$.
Soient $A\in S_n^{++}(\R)$ et $U\in M_n(\R)$ tels que $AU=U^TA$. Poser $\langle X,Y\rangle=X^TAY$.
- Montrer que c'est un produit scalaire.
- Montrer qu'il existe $P\in GL_n(\R)$ et $D$ diagonale telles que $P^TAP=I_n$ et $P^{-1}UP=D$.
Soient $x_0,\ldots,x_{n-1}>0$, $A=\frac1n\sum x_k$ et $G=(\prod x_k)^{1/n}$.
- Montrer $\exp(t/A-1)\geq t/A$ pour $t>0$, puis $A\geq G$. L'inégalité vaut-elle pour des $x_k\geq0$ ?
- Si $S\in S_n^+(\R)$, montrer $\det(S)^{1/n}\leq\operatorname{tr}(S)/n$.
- Pour $A\in M_n(\R)$, montrer $\det(A)^2\leq(\frac1n\sum_{i,j}a_{ij}^2)^n$.
Soit $F=\{A\in S_n^+(\R):a_{ij}<0\text{ si }i\neq j\}$.
- Pour $a_{ii}=a$ et $a_{ij}=-b$ hors diagonale, caractériser l'appartenance à $F$.
- Si $A\in F$ et $X^TAX=0$, montrer $X\in\Ker(A)$.
- En déduire $a_{ii}>0$ pour tout $i$.
Dire que $A\in M_n(\R)$ est de type $m$ si $A^m=A^T$.
- Déterminer les matrices de type $m$ pour $m=0,1$.
- Si $A$ est de type $m$, poser $B=A^{m+1}$. Montrer $B^m=B$ et $B$ symétrique, puis que $B$ est un projecteur orthogonal.
- Si $A$ est inversible et de type $m$, montrer $A\in O_n(\R)$.
- Pour $\omega\in M_{n,1}(\R)$, montrer $\omega\omega^T\in S_n^+(\R)$ et est de rang $0$ ou $1$.
- Pour $B\in S_n(\R)$ de spectre $(x_1,\ldots,x_n)$, construire une base $(f_k)$ telle que $Bf_k=x_kf_k$, $\sum f_kf_k^T=I_n$ et $B=\sum x_kf_kf_k^T$.
- Si $B\in S_n^+(\R)$, montrer qu'il existe $\Omega$ telle que $B=\Omega\Omega^T$.
- Montrer que $S\in M_n(\R)$ est symétrique définie positive ssi $S=P^TP$ pour un $P$ inversible.
- Montrer que $A$ est diagonalisable ssi il existe $S$ symétrique définie positive tel que $A^T=S^{-1}AS$.
- L'assertion reste-t-elle vraie si l'on remplace $S$ par un $P$ inversible quelconque ?
Poser $\|M\|=\sqrt{\operatorname{tr}(M^TM)}$.
- Montrer que c'est une norme et qu'elle est invariante par multiplication à gauche et à droite par des matrices orthogonales.
Soient $A,B$ symétriques, de valeurs propres ordonnées $\lambda_i(A),\lambda_i(B)$, et $D_A,D_B$ les diagonales correspondantes.
- Montrer qu'il existe $P\in O_n(\R)$ tel que $\|A-B\|=\|D_AP-PD_B\|$, puis que $\|A-B\|^2=\sum_{i,j}p_{ij}^2(\lambda_i(A)-\lambda_j(B))^2$.
- Pour $f_{A,B}(M)=\sum_{i,j}m_{ij}(\lambda_i(A)-\lambda_j(B))^2$, montrer qu'elle est bornée sur les matrices bistochastiques.
- Par une transformation élémentaire, montrer que $f(M)\geq f(I_n)$ pour toute matrice bistochastique.
- En déduire $\sum_i(\lambda_i(A)-\lambda_i(B))^2\leq\|A-B\|^2$.
Soit $u$ autoadjoint sur un espace euclidien, de spectre ordonné $\lambda_1\leq\cdots\leq\lambda_n$.
- Montrer que $\lambda_1=\min_{\|x\|=1}\langle u(x),x\rangle$ et $\lambda_n=\max_{\|x\|=1}\langle u(x),x\rangle$.
- Si $v$ est autoadjoint de spectre $\mu_1\leq\cdots\leq\mu_n$, montrer $\Sp(u+v)\subset[\lambda_1+\mu_1,\lambda_n+\mu_n]$.
- Montrer $|\lambda_1-\mu_1|\leq\sup_{\|x\|=1}\|u(x)-v(x)\|$.
- Si $\mu_1<\cdots<\mu_n$, $x_i\neq0$, $D=\operatorname{diag}(\mu_i)$ et $M=\begin{pmatrix}D&X\\X^T&\alpha\end{pmatrix}$, montrer l'entrelacement strict des valeurs propres de $M$ et $D$.
- Pour $S$ symétrique de valeurs propres $\mu_i$ et $N=\begin{pmatrix}S&X\\X^T&\alpha\end{pmatrix}$, montrer l'entrelacement large.
- Pour des variables $R_i$ à moment d'ordre $2$, avec matrice de covariance $\Sigma_n$ et $U=(u_i)^T$, montrer $\V(\sum_i u_iR_i)=U^T\Sigma_nU$.
Analyse
Pour $C$ convexe fermé d'un espace vectoriel réel de dimension finie, $x$ est extrémal si $x=(y+z)/2$ avec $y,z\in C$ entraîne $x=y=z$.
- Déterminer les points extrémaux de $\{x\in\R^n:\sum|x_k|\leq1\}$.
- Déterminer ceux de la boule unité d'un espace euclidien.
- Montrer que tout convexe fermé borné non vide en dimension finie possède un point extrémal.
Soit $E$ l'espace des fonctions continues bornées $\R\to\R$, muni de la norme uniforme. Pour $|a|<1$, poser $T(f)(x)=f(x)-af(\ell x)$. Montrer que $T$ est un automorphisme continu de $E$ et que $T^{-1}$ est continue.
Soit $E=C^1([0,1],\R)$ et $T(f)(x)=\int_0^xf(t)\,dt$, muni de la norme uniforme.
- Montrer que $T$ est un endomorphisme continu.
- Calculer $\|T\|$.
- Montrer $|T^n(f)(x)|\leq x^n\|f\|_\infty/n!$.
- En déduire une borne pour $\|T^n\|$ et la déterminer.
Poser $A_n=\min\{p\geq1:\sum_{k=1}^p1/k\geq n\}$. Montrer que $A_n$ est bien défini et donner la limite et un équivalent de $(A_n)$.
Soit $u_0=1$, $u_{n+1}e^{u_{n+1}}=u_n/2$.
- Montrer que $(u_n)$ est bien définie et déterminer sa limite.
- Montrer que $\sum u_n$ converge.
- Montrer qu'il existe $c>0$ tel que $u_n\sim c/2^n$.
Pour $n\geq1$, considérer $x=1+\ln(n+x)$.
- Montrer qu'il existe une unique solution $x_n\geq0$.
- Montrer $x_n\to+\infty$ et donner un équivalent.
- Déterminer la limite de $x_n-\ln n$.
Soient $u_0=\alpha>0$ et $u_{n+1}=u_n^2+u_n$.
- Montrer $u_n\to+\infty$.
- Poser $v_n=2^{-n}\ln u_n$. Montrer que $(v_n)$ converge vers $\beta$.
- Montrer $|v_n-\beta|=o(2^{-n})$.
Soit $\theta\in]0,\pi/2[$, $x_0=\cos\theta$, $y_0=\sin\theta$, et $$x_{n+1}=\frac{2+2y_n+x_n}{3+2x_n+2y_n},\qquad y_{n+1}=\frac{2+2x_n+y_n}{3+2x_n+y_n}.$$
- Montrer que $(x_n,y_n)$ est bien définie et reste sur le quart de cercle unité.
- Montrer sa convergence et déterminer sa limite.
Étudier la convergence de $\sum\sin\left(\frac{\pi n!}{\sum_{k=0}^nk!}\right)$ et de $\sum\sin(\pi n!e)$.
Soient $\ell\in\N$ et $f\in C^1([\ell,+\infty[,\R)$.
- Montrer $\sum_{k=\ell+1}^nf(k)=\int_\ell^nf(t)\,dt+\int_\ell^n(t-\lfloor t\rfloor)f'(t)\,dt$.
- Si $f'$ est intégrable sur $[\ell,+\infty[$, comparer la nature de $\sum_{k\geq\ell}f(k)$ et de $\int_\ell^\infty f$.
- Déterminer la nature de $\sum\cos(\ln n)/n$.
Soit $\mathcal C$ l'ensemble des suites croissantes à valeurs dans $\N\setminus\{0,1\}$. Pour $u\in\mathcal C$, poser $v_n=\sum_{k=0}^n1/(u_0\cdots u_k)$.
- Étudier la limite de $v_n$ si $u$ est constante, $u_n=n+2$, puis $u_n=2n+2$.
- Montrer pour tout $u$ que $v_n$ converge avec limite dans $]0,1]$.
- Montrer que $u\mapsto\lim v_n$ est injective.
Soient $\alpha,\beta\in\R$, $a_1=1$ et, pour $n\geq2$, $a_n\sum_{k=1}^{n-1}a_k^\alpha=n^{-\beta}$.
- Montrer $a_n>0$.
- Si $\sum a_n^\alpha$ diverge, montrer $a_n^\alpha=o(n^{-\alpha\beta})$.
- En déduire que si $\alpha\beta>1$, cette série converge.
- Montrer que si $\alpha\beta\leq1$, alors $a_n=o(n^{-\beta})$.
- Pour $\lambda\geq0$, montrer $\int_0^\pi\frac{dx}{1+\lambda\sin^2x}=2\int_0^{\pi/2}\frac{dx}{1+\lambda\sin^2x}$.
- Calculer cette intégrale.
- Pour $\alpha\geq0$, étudier $\int_0^\infty\frac{dx}{1+x^\alpha\sin^2x}$.
Soit $f\in C^0(\R_+,\R_+)$ décroissante vers $0$ et $g(u)=f(u)\sin u$.
- Montrer que $\int_0^\infty g(u)\,du$ converge.
- Montrer que $f$ est intégrable sur $\R_+$ ssi $g$ l'est.
Soient $f,g$ continues et de carré intégrable sur $\R$. Montrer que $fg$ est intégrable.
Étudier et représenter le graphe de $f(x)=\sum_{n\geq1}\frac{\cos^n(x)\sin(nx)}n$.
- Donner un équivalent simple de $u_n=\ln(\ln(n+1))-\ln(\ln n)$.
- Pour $n\geq1$, poser $f_n(x)=x(1-x)^n/\ln(n+1)$. Déterminer le domaine de $F=\sum f_n$ et étudier la convergence uniforme et normale.
Soient $a>0$ et $f\in C^1(\R_+,\R_+^*)$ décroissante avec $f(x)\sim a\ln x$. Déterminer le domaine de $u(x)=\sum_{n\geq0}f(n)e^{-nx}$ et les limites aux bornes.
Soit $f(x)=\sum_{n\geq1}\ln(n)x^n$.
- Donner le rayon de convergence.
- Pour $0<x<1$, montrer $-x\ln(1-x)-1\leq(1-x)f(x)\leq-x\ln(1-x)$ et trouver un équivalent en $1^-$.
- Montrer que $f$ admet une limite en $-1^+$.
Soit $(a_n)\subset\C$ telle que $na_n\to0$.
- Si $u_n\to0$, montrer $\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}u_k\to0$.
- Montrer que $\sum a_nz^n$ converge pour $|z|<1$.
- Si $f(x)=\sum_{n\geq0}a_nx^n$ et $f(x)\to\ell$ quand $x\to1^-$, montrer que $\sum a_n$ converge et vaut $\ell$.
Poser $I_0=1$, et $I_n$ le nombre d'involutions de $\{1,\ldots,n\}$.
- Montrer $I_n=I_{n-1}+(n-1)I_{n-2}$.
- Montrer que $\sum I_nx^n/n!$ converge pour $|x|<1$.
- Pour $F(x)=\sum I_nx^n/n!$, trouver une équation différentielle et en déduire une expression de $I_n$.
Soit $f(x)=\sum_{n\geq0}\binom{2n}{n}x^n$.
- Donner son rayon et son domaine de définition.
- Trouver une équation différentielle vérifiée par $f$ et calculer $f(-1/4)$.
Soient $n\geq1$, $1\leq k\leq n$ et $S_{n,k}$ le nombre de partitions d'un ensemble de cardinal $n$ en $k$ parties.
- Montrer $S_{n,k}=S_{n-1,k-1}+kS_{n-1,k}$.
- Pour $k\geq1$, déterminer le rayon de convergence de $A_k(x)=\sum_{n\geq k}S_{n,k}x^n/n!$.
- Exprimer $A'_{k+1}$ à l'aide de $k,A_k,A_{k+1}$.
- Montrer $A_k(x)=(e^x-1)^k/k!$.
Soit $f(x)=e^{-x^2}$ et $I=\int_0^\infty f(x)\,dx$.
- Justifier la convergence de $I$ et, pour $|x|<1$, celle de $\sum x^{n^2}$. Poser $g(x)=\sum_{n\geq0}x^{n^2}$.
- Donner un équivalent de $g(x)$ en $1$ faisant intervenir $I$.
- Soit $h\in C^0(\R_+,\R)$ décroissante avec convergente non nulle intégrale sur $\R_+$. Pour $\theta\geq0$, étudier $\sum_{n\geq1}h(n\theta)$, puis donner son équivalent quand $\theta\to0$.
Soit $f(z)=\sum_{n\geq0}a_nz^n$ de rayon $R>0$, et $S_n(z)=\sum_{k=0}^na_kz^k$.
- Calculer $\int_0^{2\pi}e^{ik\theta}\,d\theta$ pour $k\in\Z$.
- Pour $0<r<R$, calculer $\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}|S_n(re^{i\theta})|^2\,d\theta$.
- Étudier la convergence de $\sum|a_k|^2r^{2k}$ et calculer sa somme si elle converge.
- Pour $A\in M_n(\C)$, poser $Q(X)=X^n\chi_A(1/X)$ et $R=\sup_{\lambda\in\Sp(A)}1/|\lambda|$. Montrer, pour $|z|<R$, $\frac{Q'(z)}{Q(z)}=-\sum_{k\geq0}\operatorname{tr}(A^{k+1})z^k$.
- Déterminer les matrices $A$ telles que $\operatorname{tr}(A^k)=0$ pour tout $k\geq1$.
Pour $n\geq1$, poser $I_n=\frac1{n!}\int_0^nt^ne^{-t}\,dt$. Montrer que $(I_n)$ possède une limite $\ell$ et que $\ell\in[0,1/2]$.
Pour $n\geq1$, $\alpha>1$, poser $I_n(\alpha)=\int_0^\infty(1+t^\alpha)^{-n}\,dt$.
- Montrer que $I_n(\alpha)$ est définie.
- Relier $I_{n+1}(\alpha)$ à $I_n(\alpha)$ et en déduire une expression.
- Déterminer la limite de $I_n(\alpha)$.
- Montrer qu'il existe $K(\alpha)>0$ tel que $I_n(\alpha)\sim K(\alpha)n^{-1/\alpha}$.
Pour $n\geq1$, poser $u_n=\int_0^\infty\frac{t-\lfloor t\rfloor}{t(t+n)}\,dt$.
- Montrer l'existence et établir $u_n=\ln(1+1/n)+\sum_{k=1}^{\infty}\bigl((n+k)\ln(1+1/(n+k))-k\ln(1+1/k)\bigr)$.
- Montrer $1-\frac1{2n}\leq n\ln(1+1/n)\leq1-\frac1{2n}+\frac1{3n^2}$.
- Montrer $\sum_{k\geq1}(1/k-1/(k+n))\sim\ln n$.
- Déterminer un équivalent de $u_n$.
Soient $F=\{f\in C^1([0,1]):f(0)=0,f(1)=1\}$, $g\in F$ croissante, $g'(1)=0$. Pour $n\geq1$, poser $f_n(x)=g(nx)e^{1-x}$ si $x\in[0,1/n]$, et $0$ sinon.
- Montrer $f_n\in F$.
- Poser $I_n=\int_0^1|f_n-f'_n|$. Calculer $\ell=\lim I_n$ et donner un équivalent de $I_n-\ell$.
Poser $F(x)=\int_0^{\pi/2}\frac{\arctan(x\tan\theta)}{\tan\theta}\,d\theta$.
- Montrer que $F$ est définie sur $\R$ et de classe $C^1$.
- Calculer $F(x)$.
- Après justification de convergence, calculer $\int_0^{\pi/2}\ln(\sin\theta)\,d\theta$.
Poser $f(x)=\int_0^\infty\frac{t-\lfloor t\rfloor}{t(t+x)}\,dt$.
- Déterminer son domaine, ses variations et ses limites aux bornes.
- Calculer $f(1)$.
Poser $f(x)=\int_1^\infty\frac{dt}{t^x(1+t)}$.
- Déterminer son domaine.
- Montrer que $f$ est $C^\infty$ et donner $f^{(n)}$.
- Donner des équivalents en $0$ et en $+\infty$.
Pour $x\in[0,\pi/2]$, poser $f(x)=\int_0^1\frac{\ln(1+2t\cos x+t^2)}t\,dt$.
- Montrer que $f$ est de classe $C^1$.
- Donner une expression simple de $f$.
Étudier $f(x)=\int_0^1\frac{\ln(1-x\cos t+t^2)}t\,dt$.
Poser $f(x)=\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{xe^{it}}{x^2+t^2}\,dt$.
- Montrer que $f$ est définie pour $x>0$.
- Montrer $f(x)=\int_\R\frac{e^{ixu}}{u^2+1}\,du$ et en déduire sa limite en $0$.
- Calculer le laplacien de $G(x,t)=x/(x^2+t^2)$.
- Montrer que $f\in C^2(\R_+^*)$ et résout une équation différentielle linéaire d'ordre 2.
- Donner une expression simple de $f$.
Soit $f\in C^1([0,1],\R_+^*)$. Pour $x>0$, poser $F(x)=\int_0^1f(t)^x\,dt$ et $G(x)=F(x)^{1/x}$.
- Montrer $G\in C^1(\R_+^*)$.
- Déterminer les limites de $G$ en $0^+$ et $+\infty$.
Soit $f(x,y)=x^2y^2+\frac12(x+y)^2+xy+\frac34$.
- Déterminer les points critiques et leur nature.
- $f$ admet-elle des extrema globaux ?
- Soient $P,Q\in\R[X]$, $Q$ de degré $2$ à racines distinctes $r_1,r_2$. Montrer que $P/Q$ est développable en série entière et préciser le rayon.
- Sur $U=(\R\setminus\{-1\})\times]0,\pi/2[$, poser $f(x,t)=\arctan\left(\frac{1-x}{1+x}\tan t\right)$. Étudier ses extrema.
- Pour $t$ fixé, montrer que $x\mapsto f(x,t)$ est développable en série entière en $0$.
Sur $\R^2\setminus\Delta$, avec $\Delta=\{(x,x)\}$, poser $f(x,y)=(h(x)-h(y))/(x-y)$.
- Si $h\in C^1$, montrer que $f$ se prolonge continûment à $\R^2$.
- Si $h\in C^2$, montrer que ce prolongement est $C^1$.
Soit $n\geq1$, $f\in C^1(\R^2,\R)$. Dire que $f$ vérifie $H_n$ si $f(tx,ty)=t^nf(x,y)$ pour tous $x,y$ et $t\geq0$.
- Montrer que $H_n$ équivaut à $x\partial_xf+y\partial_yf=nf$.
- Si $n\geq2$, montrer $\partial_xf(0,0)=\partial_yf(0,0)=0$.
- Montrer que $f$ ne s'annule qu'en $(0,0)$ ssi $|f(x,y)|\to+\infty$ lorsque $\|(x,y)\|\to+\infty$.
Soit $f\in C^2(\R^n,\R)$ radiale : $f(x)=\varphi(\|x\|)$ pour $x\neq0$.
- Montrer $\Delta f(x)=\varphi''(\|x\|)+\frac{n-1}{\|x\|}\varphi'(\|x\|)$.
- Déterminer les fonctions radiales harmoniques de classe $C^2$ sur $\R^n$.
Soit $f\in C^2(\R^n,\R)$ telle que le spectre de sa hessienne soit inclus dans $[1,+\infty[$ en tout point.
- Montrer $y^TH_f(x)y\geq\|y\|^2$.
- En déduire $f(x)\geq f(0)+\nabla f(0)^Tx+\|x\|^2/2$.
- Montrer que $f$ admet un minimum, puis qu'il est unique.
Probabilités
Soit $n\geq3$. Placer successivement $n$ billes, uniformément et indépendamment, dans trois boîtes initialement vides. Soit $N$ le nombre de boîtes vides.
- Calculer $\E(N)$.
- Donner la loi de $N$.
- En déduire le nombre de surjections de $\{1,\ldots,n\}$ dans $\{1,2,3\}$.
Une urne contient une boule blanche et une noire. À chaque tirage, remettre la boule tirée en ajoutant deux boules : une de sa couleur et une noire. Soit $T_n$ le nombre de boules blanches après $n$ tirages. Préciser $X_n=T_n-T_{n-1}$ et sa loi, calculer $\E(T_n)$ et donner un équivalent en $+\infty$.
Soient $n=2q+1$, $A_k$ les racines $n$-ièmes de l'unité d'arguments $2k\pi/n$, et $B_k$ l'intersection de $(A_0A_k)$ avec la droite $x=-1$. Si $W_n$ est uniforme sur $\{1,\ldots,n-1\}$, poser $Z_n=2\cot(\pi W_n/n)$.
- Montrer que l'ordonnée de $B_k$ vaut $2\cot(k\pi/n)$.
- Calculer $\E(Z_n)$.
- Donner un équivalent de $\E(|Z_n|)$.
Soit $n\geq2$ et $\mathcal P_n$ l'ensemble des parties de $\{1,\ldots,n\}$.
- Si $A$ est uniforme sur $\mathcal P_n$, donner la loi de $|A|$.
- Pour $A,B$ uniformes indépendantes, calculer $\P(A\cap B=\varnothing)$.
- Pour $n$ parties uniformes indépendantes $A_1,\ldots,A_n$, poser $Z=|\bigcap_iA_i|$. Donner $\E(Z)$ et la loi de $Z$.
On lance indéfiniment une pièce équilibrée et numérote les séries de lancers identiques consécutifs. Soit $N_n$ le numéro de la série contenant le lancer $n$.
- Donner $N_n(\Omega)$, $\P(N_n=1)$ et $\P(N_n=n)$.
- Relier $\P(N_n=k)$ aux probabilités $\P(N_{n-1}=i)$.
- Donner la fonction génératrice de $N_n$ et son espérance.
- Calculer $\V(N_n)$.
Soit $X\geq0$ à support fini et $k\geq1$. Montrer $\E(X^k)=\int_0^\infty kt^{k-1}\P(X>t)\,dt$.
Soit $\mathfrak S_n$ uniforme, $n\geq2$, et $X_i(\sigma)=1$ si $\sigma(i)=i$, $0$ sinon.
- Donner la loi de $X_i$. Les $X_i$ sont-elles indépendantes ?
- Pour $Y$ le nombre de points fixes, calculer espérance et variance.
Soit $f\in C^1([0,1])$ et $B_n(x)=\sum_{k=0}^n\binom nkf(k/n)x^k(1-x)^{n-k}$.
- Montrer que $f$ est lipschitzienne.
- Réécrire $B_n(x)-f(x)$ comme somme pondérée des écarts.
- Pour $X_i$ i.i.d. Bernoulli($x$), poser $X_n=(\sum X_i)/n$. Donner loi, espérance, variance et montrer $\V(X_n)\leq1/(4n)$.
- Montrer $\E(f(X_n))=B_n(x)$.
- Pour $\varepsilon>0$, majorer la contribution des indices avec $|x-k/n|\geq\varepsilon/M$ par $2\|f\|_\infty\P(|X_n-x|\geq\varepsilon/M)$.
- En déduire $B_n\to f$ uniformément.
Soit $X$ à valeurs dans $\N$ et $(X_n)$ i.i.d. de même loi. Pour $n\geq2$, poser $Y_n=\min(X_1,\ldots,X_n)$. Dire que $X$ est implosive si $\E(X)=+\infty$ et $\E(Y_n)<+\infty$ pour un certain $n$.
- Si $\P(X=k)=1/\sqrt{k+1}-1/\sqrt{k+2}$, montrer que $X$ est implosive et donner son indice d'implosion.
- Poser $u_n=a/(n\ln^2n)$ pour $n\geq2$. Choisir $a$ pour que $(u_n)$ soit une loi et montrer que la variable associée n'est pas implosive.
Soient $(X_n)$ i.i.d. avec $\P(X_n=1)=p$, $\P(X_n=-1)=q=1-p$, et $S_n=\sum_{k=1}^nX_k$.
- Étudier $\sum\P(S_n=0)$.
- Pour $t>0$, montrer $\P(S_n>a)\leq e^{-ta}(qe^{-t}+pe^t)^n$.
- Donner une condition nécessaire et suffisante sur $p$ pour que $\sum\P(S_n\in A)$ converge pour toute partie bornée $A\subset\R$.
Soit $M_n=(X_{ij})$ avec coefficients i.i.d. uniformes sur $\{-1,1\}$ et $\Delta_n=\det M_n$.
- Calculer $\E(\Delta_n)$.
- Montrer $\V(\Delta_n)=n!$.
- Donner une condition suffisante sur $(a_n)\subset\R_+$ pour que $\P(\Delta_n\geq a_n)\to0$.
- Calculer $\E(\operatorname{tr}(M_n^k))$.
- Pour des variables bornées $(X_1,\ldots,X_n)$, montrer que leur matrice de covariance est dans $S_n^+(\R)$.
- Réciproquement, toute matrice de $S_n^+(\R)$ est-elle matrice de covariance d'un n-uplet de variables réelles bornées ?
Soient $(X_n)$ indépendantes, de même espérance $m$ et variance $\sigma^2$, et $\overline X_n=n^{-1}\sum_{k=1}^nX_k$. Soit $f:\R\to\R$ continue bornée.
- Montrer $\P(|f(\overline X_n)-f(m)|>\varepsilon)\to0$.
- Montrer $\E(f(\overline X_n))\to f(m)$.
Soit $Y_n\sim\mathcal G(1/n)$.
- Pour $x>0$, déterminer si elle existe la limite de $\P(Y_n/n\leq x)$.
- Pour $f$ continue bornée sur $\R_+$, déterminer si elle existe la limite de $\E(f(Y_n/n))$.
Soient $(X_i)_{i\geq1}$ i.i.d. à valeurs dans $\N$, $E_k=\bigcup_{i=1}^n(X_i=k)$ et $Y_n=|\{X_1,\ldots,X_n\}|$.
- Montrer $Y_n=\sum_{k\geq0}\mathbf1_{E_k}$.
- Pour $m\in\N$, poser $R_m=\sum_{k=m+1}^\infty\mathbf1_{E_k}$. Montrer $\E(R_m)\leq n\P(X_1\geq m+1)$.
- Pour $n\geq2$, montrer qu'une matrice $A\in M_n(\C)$ est de rang $1$ ssi elle s'écrit $A=UV^T$ avec $U,V\in\C^n\setminus\{0\}$.
-
Pour $(X,Y)$ à valeurs dans $\{1,\ldots,n\}^2$, poser $A=(\P(X=i,Y=j))$.
- Montrer que $\operatorname{rg}(A)=1$ ssi $X,Y$ sont indépendantes.
- Montrer que l'indépendance équivaut à $\E(e^{sX+tY})=\E(e^{sX})\E(e^{tY})$ pour tous $s,t\in\R$.
Soient $(X_i)_{i\geq1}$ i.i.d. à valeurs dans $\N$ et $T\in\N$ indépendante de chaque famille finie $(X_1,\ldots,X_n)$; poser $S_T=\sum_{i=1}^T X_i$. Supposer $X_1,T$ intégrables.
- Exprimer $G_{X_1+\cdots+X_n}$ en fonction de $G_{X_1}$.
- Montrer $G_{S_T}(s)=G_T(G_{X_1}(s))$ pour $s\in[0,1]$.
- Montrer $\E(S_T)=\E(X_1)\E(T)$.
- Application : des poules pondent un nombre d'œufs de loi de Poisson ; chaque œuf éclot avec probabilité $p$.
Autres Écoles MP-MPI 2026
Algèbre
[IMT] $f:\N\to\N$, $f(m+1)>f(f(m))$. Montrer par récurrence $m\geq p\Rightarrow f(m)\geq p$, puis $f(m)\geq m$, que $f$ est croissante et conclure $f=\operatorname{id}$.
[IMT] Factoriser $X^n-1$ et $1+X+\cdots+X^{n-1}$ dans $\C[X]$, puis calculer $\sum_{k=1}^{n-1}\sin(2k\pi/n)$ et $\prod_{k=1}^{n-1}\sin(k\pi/n)$.
[IMT] Pour $A,B\in M_n(\R)$, calculer la trace de $\varphi:M\mapsto AMB$.
[IMT] Montrer que $A^2=A$ ssi $\operatorname{rg}(A)\leq\operatorname{tr}(A)$ et $\operatorname{rg}(I_n-A)\leq\operatorname{tr}(I_n-A)$.
[IMT] Soient $P_1,P_2$ deux plans distincts de $\R^3$ et $S$ l'espace des endomorphismes les laissant stables. Montrer que $S$ est un sous-espace, étudier si les plans sont supplémentaires et montrer qu'ils ont un vecteur propre commun à tout $u\in S$. Trouver une base où les matrices de $S$ sont de la forme $\begin{pmatrix}a&0&0\\b&c&d\\0&0&e\end{pmatrix}$.
Diagonaliser la matrice $A$ de taille $4$ dont tous les coefficients valent $1$, ainsi que $B$ à diagonale $16$ et hors-diagonale $1$. Déterminer $\pi_B$.
[CCINP] Pour $a,b,c,d\in\C$, $M=\begin{pmatrix}a&b&c&d\\b&a&-d&c\\-c&d&a&-b\\-d&-c&b&a\end{pmatrix}$. Calculer $MM^T$, en déduire $\det M$, son rang selon $a^2+b^2+c^2+d^2$, puis son spectre et discuter la diagonalisabilité si $b^2+c^2+d^2=0$.
[CCINP] Soient $a,b\in\R$, $A$ la matrice de taille $n$ à diagonale $b$ et hors-diagonale $a$, et $J$ la matrice de tous les $1$. Montrer que $A,J$ sont diagonalisables, déterminer les éléments propres de $J$, donner une condition d'inversibilité de $A$ et exprimer $A^{-1}$.
[IMT] Soient $A\in M_{3,2}(\R)$, $B\in M_{2,3}(\R)$. Montrer $\operatorname{rg}(AB)\leq2$, discuter l'inversibilité. Si $AB=\begin{pmatrix}1&0&x\\0&1&0\\1&0&1\end{pmatrix}$, déterminer les $x$ possibles et discuter la diagonalisabilité de $BA$.
[CCINP] Pour $n\geq2$, $f(P)=(X^2+X)P(1)+(X^2-X)P'(1)$ sur $\R_n[X]$. Déterminer noyau, image, valeurs propres, espaces propres et diagonalisabilité.
[IMT] Pour des endomorphismes $u,v$ d'un espace de dimension finie, montrer que toute valeur propre de $u\circ v$ est valeur propre de $v\circ u$.
[IMT] Si $A^2+A+I_n=0$ pour $A\in M_n(\R)$, montrer $n$ pair et calculer $\det A,\operatorname{tr}A$.
[IMT] Soit $A\in M_n(\R)$ avec $n$ valeurs propres distinctes. Si $A$ est diagonale, montrer $\R[A]$ égale les matrices diagonales. En général, construire $M_i$ tels que $A^p=\sum_i\lambda_i^pM_i$.
[IMT] Soit $M$ à diagonale nulle et coefficients hors diagonale égaux à $1$. Déterminer son spectre puis montrer qu'aucune forme linéaire $\varphi$ ne donne une valeur propre de $A$ pour toute matrice $A$.
[IMT] Pour $f\in\mathcal L(E)$, $\dim E=n$, déterminer $\dim\{g:f\circ g=g\circ f=0\}$.
[IMT] Si $\operatorname{tr}(A)\neq0$, montrer que $M\mapsto\operatorname{tr}(M)A-\operatorname{tr}(A)M$ est diagonalisable et déterminer ses espaces propres.
[IMT] Soit $M\in M_2(\R)$, $\det M=0$, $M^T=M^2$. Montrer $M^4=M$, que $M$ est semblable à $\begin{pmatrix}0&a\\0&b\end{pmatrix}$, $b\in\{0,1\}$, puis discuter $b=0$, l'idempotence, diagonalisabilité et trigonalisabilité.
[CCINP] Pour $E$ réel de dimension $4$ et $\pi_f=(X^2+1)(X^2+4)$, décomposer les noyaux, trouver $x,y$ tels que $f^2(x)=-x$, $f^2(y)=-4y$, montrer $(x,f(x),y,f(y))$ base et écrire la matrice.
[CCINP] Soit $A$ stochastique. Montrer $1\in\Sp(A)$ et $|\lambda|\leq1$. Si la diagonale est strictement positive, montrer $|\lambda-w|\leq1-w$ pour un $w\in]0,1]$, puis situer le spectre dans un disque fermé de rayon $<1$ tangent au cercle unité en $1$.
[IMT] Sur $C^1([0,1])$, $\langle f,g\rangle=\int_0^1xfg$. Montrer que c'est un produit scalaire et calculer le projeté de $1$ sur $\operatorname{Vect}(x,x^2)$.
[CCINP] Sur $\R_n[X]$, $\langle P,Q\rangle=\sum_{i=0}^nP(a_i)Q(a_i)$ pour $a_i$ distincts. Montrer que c'est un produit scalaire. Pour $H=\{P:\sum\alpha_iP(a_i)=0\}$, $\alpha\neq0$, donner $\dim H$ et calculer $d(Q,H)$ pour le générateur unitaire $Q$ de $H^\perp$.
[CCINP] Soient $u$ isométrique et $v=\operatorname{id}-u$. Montrer $\operatorname{Im}v\perp\Ker v$. Pour $f_n(x)=\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}u^k(x)$, établir la décomposition puis la convergence simple vers le projecteur orthogonal sur $\Ker v$.
[CCINP] Montrer successivement que toute matrice positive admet une racine carrée positive, que $M^TM$ est positive, que toute matrice positive est de la forme $M^TM$, et que $A$ est diagonalisable réelle ssi $A^T=SAS^{-1}$ pour un $S$ symétrique définie positive.
[IMT] Si $f$ est autoadjoint sur un espace euclidien, montrer que $\langle f(x),x\rangle=0$ pour tout $x$ entraîne $f=0$. Donner une condition nécessaire et suffisante pour $\|f(x)\|^2=\langle x,f(x)\rangle$ pour tout $x$.
Analyse
[IMT] Si $f\in\mathcal L(E,F)$ est continue entre espaces normés, montrer $\Ker f$ fermé. La réciproque est-elle vraie ? Montrer qu'elle l'est pour $F=\R$ ou $\C$.
[IMT] Sur $C^1([0,1])$ muni de $\|\cdot\|_\infty$, poser $A=\{f:f(0)=0,\int_0^1f\geq1\}$. Montrer que $A$ est fermé non vide, que $\|f\|_\infty>1$ sur $A$, et calculer $d(0,A)$.
[IMT] Pour $n\notin\{0,1\}$, montrer qu'il existe un unique $x_n>0$ tel que $x_n+e^{x_n}=n$, avec $\frac12\ln n<x_n<\ln n$. Donner un équivalent et un développement à deux termes.
[IMT] Étudier les séries de termes généraux $1/(n\ln n)^2$, $(\ln n/n)^2$, et la queue alternée $\sum_{k>n}(-1)^k/(k\ln k)^2$.
[CCINP] Soit $u_0>0$, $u_{n+1}=1-e^{-u_n}$. Étudier $(u_n)$ et les séries $\sum(-1)^nu_n,\sum u_n^2,\sum u_n$.
[IMT] Pour $x>0$, poser $I(x)=\int_x^{7x}(1-e^{-t})/t^2\,dt$. Déterminer les limites en $0^+$ et $+\infty$.
[IMT] Pour $f(t)=\ln(t)/(1-t)$, montrer que $\int_0^1f$ et $\int_0^11/f$ convergent puis que leur produit est au moins $1$.
[IMT] Montrer que $\int_0^\infty\cos(t^2)\,dt$ existe et est strictement positive.
[CCINP] Poser $f(x)=\int_x^1e^t/t\,dt$.
- Montrer $f(x)\geq-\ln x$ et sa limite en $0^+$.
- Pour tout $n\geq1$, montrer qu'il existe un unique $u_n\in]0,1]$ tel que $f(u_n)=n$ et déterminer sa limite.
- Montrer $I=\int_0^1(e^t-1)/t\,dt$ converge et $u_n\sim e^{I-n}$.
[CCINP] Pour $|x|<1$, $f_x(\theta)=\sum_{n\geq1}x^n\cos(n\theta)/n$. Étudier convergence et régularité, calculer $f_x(0),f_x(\pi)$, montrer $f'_x=-x\sin\theta/(1-2x\cos\theta+x^2)$, en déduire $f_x$ et calculer $\int_0^\pi\ln(1-2x\cos\theta+x^2)d\theta$.
[CCINP] Poser $f_n(x)=\cos^n(x)\sin(nx)/n$. Montrer $\sum f_n$ converge simplement, que sa somme est $C^1$ sur $\R\setminus\pi\Z$ et de dérivée $-1$, puis l'expliciter.
[IMT] Pour $f(x)=\sum_{n\geq0}n^3x^n/n!$, déterminer le rayon et exprimer $f$ à l'aide de fonctions usuelles.
Soit $a_1=a_0>0$, $a_n=a_{n-1}+2a_{n-2}/n$.
- Montrer que $(a_n)$ croît, que $a_n=a_1+2\sum_{k=2}^na_{k-2}/k$, et qu'elle diverge; établir $a_n\leq n^2a_1$.
- Pour $f(x)=\sum a_nx^n$, trouver le rayon et vérifier $(1-x)y'=(1+2x)y$.
- Résoudre l'équation et en déduire $a_n$.
[IMT] Poser $a_n=\int_0^\infty(\cosh t)^{-n}dt$. Montrer l'existence, étudier $(a_n)$, la série alternée $\sum(-1)^na_n$ et le rayon de $\sum a_nx^n$.
[IMT] Poser $a_n=\int_0^1t^n/\sqrt{1-t^3}\,dt$. Montrer l'existence, calculer la limite et le rayon de $\sum a_nx^n$.
[CCINP] Poser $I_n=\int_0^\infty(1+x^3)^{-n}dx$. Montrer l'existence et la limite, puis calculer la somme de $\sum_{k\geq1}(-1)^kI_k$.
[IMT] Poser $\psi(x)=\int_0^\infty\sin(xt)e^{-t}/t\,dt$. Montrer $\int_0^\infty\cos(xt)e^{-t}dt=1/(1+x^2)$, puis que $\psi$ est $C^1$ et calculer $\psi',\psi$.
[CCINP] Pour $f(x)=\int_0^\infty e^{-t}e^{ixt}/\sqrt t\,dt$, déterminer son domaine, montrer $C^1$, calculer $f(0)$, établir une équation différentielle et en déduire une expression.
[IMT] Poser $f(x)=e^{-x^2/2}\int_0^xe^{-t^2/2}dt$. Montrer $C^\infty$, trouver une équation différentielle et le développement en série entière.
[IMT] Soit $f$ continue et $f(x)=1-\int_0^x(x+t)f(x-t)dt$. Poser $F(x)=\int_0^xf(t)dt$. Montrer $f\in C^1$, $F''+xF'+2F=0$, $F(0)=0,F'(0)=1$, puis expliciter $f$.
[IMT] Soient $q\leq0$ continue et $y''+qy=0$. Montrer $y^2$ convexe, qu'une solution ayant deux zéros distincts est nulle, que toute solution bornée est nulle et, si $y(0)=y_0>0,y'(0)=0$, que $y\geq y_0$ et est convexe.
[IMT] Résoudre sur $\R_+^*$ $x^2y''+y=0$, d'abord avec $y=x^\alpha$.
[CCINP] Soit $y\in C^3(\R)$ vérifiant $(E):y^{(3)}-5y''+7y'-3y=0$.
- Montrer que $y$ vérifie $(E)$ si et seulement si $Y'=AY$, où $Y=(y,y',y'')^T$ et $A=\begin{pmatrix}0&1&0\\0&0&1\\3&-7&5\end{pmatrix}$.
- Pour $M=\begin{pmatrix}0&1&0\\0&0&1\\3&-7&5\end{pmatrix}$, trouver $P\in GL_3(\R)$ tel que $P^{-1}MP=\begin{pmatrix}1&1&0\\0&1&0\\0&0&3\end{pmatrix}$.
- Poser $Z=P^{-1}Y$, établir l'équation vérifiée par $Z$, la résoudre puis en déduire les solutions de $(E)$.
[CCINP] Pour $A(-1,1),B(0,1),C(0,-1),D(-1,-1)$ et $f(x,y)=-2x^3+x^2-y^2+5$, montrer que $f$ est bornée sur le rectangle et déterminer ses extrema.
Probabilités
[IMT] Un lion chasse un jour sur deux : après avoir mangé, il ne chasse pas le lendemain ; sinon il chasse et mange avec probabilité $1/2$. La veille du jour 1 il n'a pas mangé.
- Probabilité qu'il ne mange pas durant les $n$ premiers jours.
- Probabilité de son premier repas le jour $n$.
- Si $p_i$ est la probabilité qu'il mange le jour $i$, établir une récurrence et l'expliciter.
[CCINP] Marche aléatoire sur $\Z$ depuis $0$, vers la gauche avec probabilité $p$, vers la droite avec $q=1-p$. Noter $r_n$ la probabilité d'être en $0$ au temps $n$, et $s_n$ celle du premier retour à $0$ au temps $n$.
- Calculer $r_n$.
- Pour $F(x)=\sum_{n\geq0}r_nx^n$, $G(x)=\sum_{n\geq1}s_nx^n$, étudier les domaines et continuité.
- Montrer $F(t)G(t)=F(t)-1$ sur $[0,1[$.
[CCINP] Deux urnes contiennent respectivement $(2\,blanches,3\,noires)$ et $(4\,blanches,3\,noires)$. À chaque tirage, choisir une urne au hasard, tirer avec remise, puis tirer au tour suivant dans $U_1$ si la boule était blanche, $U_2$ sinon. Pour $p_n=\P(B_n)$, calculer $p_1$, établir $p_{n+1}=-6p_n/35+4/7$ et résoudre.
[IMT] Soient $X\sim\mathcal P(\lambda)$ et $Y$ indépendantes avec $\P(Y=n)=p(1-p)^n$.
- Calculer $\E(Y),\V(Y),\P(X\neq0,Y\neq0)$.
- Pour $M_{a,b}=\begin{pmatrix}-a&a&0\\2a&0&0\\0&0&b\end{pmatrix}$, déterminer le spectre.
- Calculer $\P(M_{X,Y}$ inversible).
[IMT] Soient $X,Y\sim\mathcal G(p)$ et $Z\sim\mathcal P(\lambda)$ indépendantes. Soit $M_n\in M_n(\R)$ la matrice symétrique dont les coefficients $(1,1)$ et $(n,n)$ valent $X$, les coefficients $(1,n)$ et $(n,1)$ valent $Y$, les autres coefficients diagonaux valent $Z$, et les autres coefficients sont nuls. Calculer $\P(M_n\in S_n^{++}(\R))$ puis $\E(M_n)$.
Autres Écoles PSI 2026
Algèbre
[Navale] Pour $n\geq2$, montrer qu'un hyperplan de $M_n(\C)$ ne contenant aucune matrice inversible contient toutes les nilpotentes, puis en déduire que tout hyperplan contient une matrice inversible.
[CCINP] Soient $p,q\in\mathcal L(E)$ avec $p+q=\operatorname{id}$ et $\operatorname{rg}(p)+\operatorname{rg}(q)\leq\dim E$. Rappeler la définition d'un projecteur et montrer que $p,q$ sont des projecteurs.
[IMT] Pour $A\in M_n(\R)$, poser $\varphi(X)=X+\operatorname{tr}(X)A$. Montrer que $\varphi$ est un endomorphisme, bijectif si $\operatorname{tr}(A)\neq-1$, puis déterminer rang et image lorsque $\operatorname{tr}(A)=-1$.
[ENSEA] Pour $T=\begin{pmatrix}1&1&1&1\\0&0&1&0\\0&0&1&0\\0&0&1&0\end{pmatrix}$, déterminer rang, valeurs propres sans calculer $\chi_T$, et diagonalisabilité.
[IMT] Sur $E=\C^3$, définir $f_a(e_1)=f_a(e_3)=ae_1+e_2-ae_3$, $f_a(e_2)=0$.
- Déterminer image et noyau, puis sa matrice.
- Calculer $A^2$ et en déduire des propriétés de $f_a$.
- $A$ est-elle inversible ou diagonalisable ?
[ENSEA] Pour $a\neq b$, décomposer $\frac{nx+\lambda}{(x-a)(x-b)}$ en éléments simples. Montrer ensuite que $\Phi(P)=(X-a)(X-b)P'-nXP$ est un endomorphisme de $\R_n[X]$ et déterminer ses éléments propres.
[ENSEA] Poser $\Phi(P)=P(X+1)$ sur $\R_n[X]$. Vérifier que c'est un endomorphisme, étudier sa diagonalisabilité et ses éléments propres, donner sa matrice, calculer ses puissances et discuter son inversibilité.
[CCINP] Soit $u\in\mathcal L(\R^3)$ avec $u^3+u=0$.
- Montrer $\operatorname{Im}(u^2+\operatorname{id})\subset\Ker u$ et que $\Ker(u^2+\operatorname{id})$ et $\Ker u$ sont en somme directe.
- Montrer que $0$ est sa seule valeur propre réelle.
- En déduire que les deux noyaux sont non nuls et qu'il existe une base où $u$ a la matrice $\begin{pmatrix}0&0&0\\0&0&-1\\0&1&0\end{pmatrix}$.
[IMT] Si $A\in M_n(\R)$ est diagonalisable, montrer $(\operatorname{tr}A)^2\leq\operatorname{rg}(A)\operatorname{tr}(A^2)$.
[CCINP] Si $f^3+f=0$, montrer $\Ker f$ et $\operatorname{Im}f$ supplémentaires et, en dimension finie, que $\operatorname{rg}f$ est pair.
[IMT] Soient $\lambda_0,\ldots,\lambda_n$ distincts.
- Construire les polynômes de Lagrange $L_i$ avec $L_i(\lambda_j)=\delta_{ij}$.
- Pour $A\in\C[X]$, $B=\prod_{k=0}^n(X-\lambda_k)$, montrer que $\Phi(P)$ égale le reste de $AP$ modulo $B$ définit un endomorphisme de $\C_n[X]$.
- Montrer que les $L_i$ forment une base propre et donner les valeurs propres.
[IMT] Pour $A\in M_n(\R)$, poser $B=\begin{pmatrix}0&A\\A&I_n\end{pmatrix}$.
- Exprimer $\det B$ en fonction de $\det A$.
- Déterminer $\chi_B$ et relier les spectres.
- Rappeler deux critères de diagonalisabilité et montrer $B$ diagonalisable ssi $A$ l'est.
[IMT] Pour $u,v\in\mathcal L(E)$, montrer qu'une valeur propre non nulle de $u\circ v$ est valeur propre de $v\circ u$. En dimension finie, montrer l'égalité des spectres. Donner un contre-exemple sur $\R[X]$ avec $u(P)=XP$, $v(P)=P'$.
[IMT] Déterminer les matrices $M\in M_3(\R)$ telles que $\operatorname{tr}(M)=3$ et $M^5=M^2$.
[CCINP] Soit $u$ en dimension $n$ ayant $n$ valeurs propres distinctes, et $Z(u)=\{v:uv=vu\}$.
- Montrer que $Z(u)$ est un espace vectoriel et que les sous-espaces propres de $u$ sont stables par $v\in Z(u)$.
- Déterminer leurs dimensions et montrer qu'une base propre de $u$ existe.
- Montrer que $v\in Z(u)$ ssi sa matrice dans cette base est diagonale, déterminer $\dim Z(u)$ et en donner une base parmi $\operatorname{id},u,\ldots,u^{n-1}$.
[CCINP] Pour $A=B^2$.
- Combien $I_n$ a-t-elle de racines carrées diagonales réelles ?
- Montrer que $-I_{2n+1}$ a des racines carrées complexes mais aucune réelle.
- La matrice nulle a-t-elle des racines carrées non nulles ?
[CCINP] Déterminer les $M\in M_n(\R)$ vérifiant $M^3=4M$ et $\operatorname{tr}(M)=0$.
[IMT] Dans une base orthonormée directe d'un espace euclidien de dimension $3$, déterminer la matrice de la rotation d'angle $2\pi/3$ autour de l'axe dirigé par $(e_1-e_2+e_3)/\sqrt3$.
[CCINP] Soient $(e_1,\ldots,e_n)$ unitaires dans un espace préhilbertien réel, avec $\|x\|^2=\sum_i\langle x,e_i\rangle^2$ pour tout $x$.
- Montrer que la famille est orthonormale.
- Montrer que l'espace est de dimension $n$.
[CCINP] Si $u$ est orthogonal sur un espace euclidien et $v=\operatorname{id}-u$, montrer $\Ker v=(\operatorname{Im}v)^\perp$.
[IMT] Pour $M\in GL_n(\R)$, poser $A=M^TM$.
- Montrer $A\in S_n^{++}(\R)$ et qu'il existe $S\in S_n^{++}$ tel que $A=S^2$.
- En déduire une décomposition $M=OS$ avec $O$ orthogonale et $S$ symétrique définie positive.
Analyse
[IMT] Soit $F_n$ l'ensemble des polynômes unitaires de degré $n$. Montrer $\inf_{P\in F_n}\int_0^1|P(t)|dt>0$.
[IMT] Pour $n\geq1$, $u_n=\frac{1\cdot3\cdots(2n+1)}{2\cdot4\cdots2n}$. Montrer $u_n\to0$.
[IMT] Pour $n\geq2$, $f_n(x)=nx^3+n^2x-2$.
- Montrer qu'il existe un unique $u_n\in(0,1)$ tel que $f_n(u_n)=0$.
- Étudier la monotonie et la limite de $u_n$.
- Donner un équivalent de $u_n-\ell$.
[IMT] Soit $u_0\in]0,1[$ et $u_{n+1}=(u_n+u_n^2)/2$. Étudier $(u_n)$ et la série $\sum u_n$.
[IMT] Pour $u_n=\int_0^{\pi/2}\cos^n(t)\sin(nt)\,dt$.
- Établir la convergence de $(u_n)$.
- Montrer $u_{n+1}-u_n=1/(n+1)-u_{n+1}$.
- Déterminer la nature de $\sum u_n$.
[ENSEA] Déterminer les fonctions continues $f:\R\to\R$ telles que $f(x)-\int_0^1f(t)dt=1$ pour tout $x$.
[CCINP] Sur $E=C^0([0,1])$, poser $\Phi(f)(0)=f(0)$ et $\Phi(f)(x)=x^{-1}\int_0^xf(t)dt$ si $x>0$.
- Montrer que $\Phi$ est un endomorphisme.
- Montrer que $0$ n'est pas valeur propre et déterminer l'espace propre associé à $1$.
- Déterminer toutes les valeurs propres et leurs espaces propres.
[CCINP] Poser $f_n(x)=x^2/(x^2+n^2+\sin x)$.
- Montrer la convergence simple sur $\R$ et donner la limite.
- Étudier la convergence uniforme sur $[-a,a]$, puis sur $\R$.
[CCINP] Poser $f(t)=\sum_{n\geq1}\frac{t^n}{1+t^n}$. Déterminer son domaine, sa continuité et un équivalent lorsque $t\to1$.
[Navale] Poser $u_n(x)=e^{-xn}$.
- Étudier la convergence de la série en fonction de $x$.
- Montrer que sa somme est continue sur $\R_+^*$.
- Déterminer sa limite à $+\infty$ et un équivalent en $0^+$.
[CCINP] Si $\varphi\in C^0(\R)$ et $|\varphi(x)|\leq C/(1+x^2)$, poser $f(x)=\varphi(x)+\sum_{n\geq1}(\varphi(x+n)+\varphi(x-n))$.
- Montrer que $f$ est définie, continue et $1$-périodique.
- Pour $g$ continue $1$-périodique, montrer $\varphi g$ intégrable et $\int_\R\varphi g=\int_0^1fg$.
[IMT]
- Montrer que la convergence uniforme de $\sum g_n$ implique $g_n\to0$ uniformément.
- Pour $f_n(x)=nx^2e^{-\sqrt{nx}}$ sur $\R_+$, déterminer la limite simple et étudier la convergence uniforme de $(f_n)$, puis de $\sum f_n$.
[CCINP]
- Décomposer $\frac1{1+x^3}=\frac a{x+1}+\frac{bx+c}{x^2-x+1}$ et en déduire une primitive sur $]-1,1[$.
- Déterminer le rayon de $\sum_{n\geq0}(-1)^nx^{3n+1}/(3n+1)$, sa somme, puis $\sum_{n\geq0}(-1)^n/(3n+1)$.
[ENSEA] Poser $I_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n(x)\,dx$.
- Déterminer rayon et somme de $\sum_{n\geq0}x^{n+1}/(n+1)$.
- Montrer $0\leq I_n\leq\pi/4$ et en déduire une minoration du rayon de $\sum I_nx^n$.
- Montrer $I_n+I_{n+2}=1/(n+1)$ et en déduire le rayon.
- Montrer $\sum I_n$ diverge et $\sum(-1)^nI_n$ converge.
[CCINP] Poser $I_{k,n}=\int_0^\infty t^ke^{-nt}dt$ et $a_n=n!/n^{n+1}$.
- Calculer $\lim(1-1/n)^n$ et $I_{k,n}$.
- Déterminer le rayon de $\sum a_nx^n$ et étudier $\sum a_ne^n,\sum a_n(-e)^n$.
- Pour $x$ dans l'intervalle de convergence, montrer $\sum_{n\geq1}a_nx^n=\int_0^\infty\frac{xt}{e^t-xt}\,dt$.
[CCINP] Poser $I_n=\int_0^\infty\frac{e^{nx}}{(1+2e^x)^{n+1}}dx$.
- Justifier la convergence.
- Montrer pour $n\geq2$ que $I_n=\dfrac{1}{2n3^n}+\dfrac{n-1}{2n}I_{n-1}$.
- Étudier la convergence et la limite de $(I_n)$.
- Exprimer $n2^nI_n$, puis déterminer rayon et somme de $\sum I_nx^n$.
[CCINP] Poser $u_n=\int_0^1\frac{t^n}{1+t^2}dt$, $S(x)=\sum_{n\geq0}u_nx^n$.
- Rappeler le rayon de convergence et le déterminer.
- Trouver $a,b,c$ tels que $\frac1{(1+t^2)(1-xt)}=\frac{ax+b}{1+t^2}+\frac c{1-xt}$.
- Calculer $S(x)$ pour $|x|<R$, puis montrer la continuité en $-1$ et calculer $S(-1)$.
[ENSEA] Pour $F(x)=\int_0^\infty \frac{\sin(xt)}t e^{-t}dt$, montrer que $F$ est définie et $C^1$, calculer $F'$ et en déduire $F$.
[IMT] Pour $f(x)=\int_0^\infty e^{-xt}\sinh(t)/t\,dt$, déterminer son domaine, montrer $C^1$, calculer $f'$ et sa limite en $+\infty$.
[IMT] Pour $f(x)=\int_0^1\frac{t^{x-1}}{1+t}dt$, déterminer son domaine, montrer la continuité et, en considérant $xf(x)$, donner des équivalents aux bords.
[CCINP] Poser $f(x)=\int_0^\infty t^xe^{-t}dt$.
- Montrer que $f$ est définie et continue sur $\R_+$ et $f(x)=xf(x-1)$ pour $x\geq1$.
- Poser $V_n=\int_n^{n+1}\ln(f(u))du$, $\Phi(x)=\int_x^{x+1}\ln(f(u))du$. Montrer $\Phi'(x)=\ln x$, déterminer sa limite et conclure sur la série $\sum(-1)^nV_n$.
[CCINP] Pour $g(x)=\int_0^\infty e^{-xt}\sin^2(t)/t\,dt$, $x>0$ :
- Montrer l'existence et calculer la limite en $+\infty$.
- Montrer $g\in C^1$, calculer $g'$ puis $g$.
[IMT] Justifier l'existence puis calculer $\int_0^\infty\frac{t}{e^t-1}dt$. Indication : $\sum_{n\geq1}1/n^2=\pi^2/6$.
[CCINP] Soit $I=\int_0^\infty\sin(t)/\sinh(t)\,dt$.
- Établir la convergence et développer $\sin t/\sinh t$ en série exponentielle.
- En déduire $I=\sum_{n\geq0}2/((2n+1)^2+1)$ et montrer $\pi/4\leq I\leq\pi/4+1$.
[CCINP] Justifier l'existence de $I=\int_0^\infty x^2/(e^x-1)\,dx$ et montrer $I=\sum_{n\geq1}2/n^3$.
[CCINP] Pour $I=\int_0^1\frac{\ln t}{t^2-1}dt$, montrer que l'intégrale converge puis que $I=\sum_{n\geq0}1/(2n+1)^2$.
[IMT]
- Selon $\lambda\in\R$, déterminer le nombre de solutions de $xe^{-x}=\lambda$.
- Pour $K=\{(x,y)\in\R_+^2:x+y\leq1\}$ et $f(x,y)=xy(1-x-y)$, montrer sans calcul que $f$ atteint un maximum et le déterminer.
[IMT] Soient $n\geq3$, $h=1/n$, $D_1=(d_{ij})$ définie par $d_{11}=1$, $d_{k,k} = 1$ et $d_{k,k-1}=-1$ pour $2\leq k\leq n$, les autres coefficients étant nuls, et $D_2$ la matrice symétrique tridiagonale de diagonale $(2,\ldots,2,1)$ et de coefficients sous- et sur-diagonaux $-1$. Sur $\R^n$, poser $\langle X,Y\rangle_h=h\sum_{k=1}^n x_ky_k$ et $f(X)=\|D_1X\|_h^2-\langle X,V\rangle_h$.
- Calculer $D_1^TD_1$.
- Montrer $f\in C^1$ et calculer son gradient.
- Montrer $D_2$ inversible, déterminer l'unique point critique $X_c$ en fonction de $D_2,V$, puis exprimer $f(X_c)$ en fonction de $\langle X_c,V\rangle_h$.
Probabilités
[CCINP] Tirages indépendants avec remise, probabilité $p$ d'obtenir une verte.
- Pour $X_1$ rang de la première verte, donner loi et espérance.
- Pour $X_2$ rang de la deuxième verte, donner loi et espérance.
[CCINP] Deux dés donnent $X_1,X_2$, fonctions génératrices $G_1,G_2$. Poser $P(X)=\sum_{k=0}^{10}X^k$.
- Expliciter $G_1$.
- Montrer que si $X_1+X_2$ était uniforme sur $\{2,\ldots,12\}$, alors $G_1(t)G_2(t)=t^2P(t)/12$.
- Trouver les racines de $P$ et conclure.
[CCINP] La probabilité qu'une famille ait $n\geq1$ enfants vaut $\alpha\lambda^n$, avec $0<\lambda<1$, $(1+\alpha)\lambda<1$. Chaque enfant est garçon avec probabilité $q=1-p$.
- Calculer la probabilité qu'une famille n'ait aucun enfant.
- Montrer $\sum_{n\geq k}\binom nkx^n=x^k/(1-x)^{k+1}$.
- Calculer la probabilité d'avoir exactement $k$ garçons puis celle d'en avoir au moins deux sachant qu'il y en a au moins un.
[CCINP] Pour $(X,Y)\in\N^2$, $\P(X=k,Y=n)=\binom nkp(1-p)^{n/2-n}$ si $k\leq n$, et $0$ sinon.
- Déterminer la loi de $Y$.
- Montrer $\sum_{n\geq k}\binom nkx^{n-k}=(1-x)^{-k-1}$.
- Déterminer la loi de $X$ et étudier l'indépendance.
[IMT] Si $X_\lambda\sim\mathcal P(\lambda)$ :
- Pour $\lambda$ fixé, déterminer le $n$ maximisant $\P(X=n)$.
- Pour $n$ fixé, déterminer le $\lambda$ maximisant $\P(X=n)$.
[ENSEA] Pour $p\in]0,1[$, $\P(X=n)=p^2n(1-p)^{n-1}$ pour $n\geq1$.
- Vérifier qu'il s'agit d'une loi.
- Calculer $\E(X-1)$ et $\E((X-2)(X-1))$.
- En déduire espérance et variance.
[CCINP] Soient $X_1,X_2$ indépendantes de loi $\mathcal B(n,1/2)$.
- En développant $(1+X)^{2n}$ de deux façons, montrer $\sum_{k=0}^n\binom nk^2=\binom{2n}n$.
- En déduire la probabilité que $\begin{pmatrix}X_1&1\\0&X_2\end{pmatrix}$ soit diagonalisable.
[CCINP] Pour $M=\begin{pmatrix}0&-a\\a&2b\end{pmatrix}$, montrer $\chi_M=(X-b)^2+a^2-b^2$ et caractériser sa diagonalisabilité réelle. Pour $X\sim\mathcal G(p)$, calculer $\P(X\geq n)$. Si $X,Y$ géométriques indépendantes de paramètres $p_1,p_2$, déterminer la probabilité que $\begin{pmatrix}0&-X\\X&2Y\end{pmatrix}$ soit diagonalisable, puis calculer $\P(X=Y)$.
Autres Écoles PC 2026
Algèbre
[CCINP] Si $E$ est réel et $f,g\in\mathcal L(E)$ avec $E=\Ker f+\operatorname{Im}g$, montrer $\operatorname{Im}f=\operatorname{Im}(f\circ g)$.
[IMT] Pour $A\in M_n(\R)$, poser $E_A=\{M:AMA=0\}$. Montrer que $E_A$ est un espace vectoriel et préciser sa dimension.
[CCINP] Soit $A\in M_3(\R)$ non nulle telle que $A^3+9A=0$.
- Montrer $A$ diagonalisable sur $\C$ et $\Sp(A)\subset\{0,\pm3i\}$, puis que $\det A=0$.
- Par conjugaison, établir $\Sp(A)=\{0,\pm3i\}$.
- Construire une base réelle où $A=P\begin{pmatrix}0&3&0\\-3&0&0\\0&0&0\end{pmatrix}P^{-1}$.
[IMT] Pour $A$ à diagonale $3$ et coefficients hors diagonale $1$, déterminer les éléments propres.
[IMT] Pour $A=\begin{pmatrix}1&1&1&1\\2&2&2&2\\3&3&3&3\\4&4&4&4\end{pmatrix}$, discuter la diagonalisabilité et déterminer ses éléments propres.
[CCINP] Poser $M(a,b,c)=\begin{pmatrix}a&b&c\\c&a&b\\b&c&a\end{pmatrix}$.
- Écrire $M(a,b,c)$ avec $J=M(0,1,0)$ et $J^2$; montrer que ces matrices forment une algèbre stable par produit.
- Diagonaliser $J$ sur $\C$ et en déduire les valeurs propres de $M(a,b,c)$.
- Montrer que $M$ est diagonalisable sur $\R$ ssi $b=c$.
- Déterminer les triplets donnant un projecteur autre que $0,I_3$ et préciser noyau et image.
[IMT] Soient $f,g\in\mathcal L(E)$ complexes et $fg-gf=\beta f$.
- Montrer $fg^n-g^nf=n\beta g^n$.
- En déduire que $g^n=0$ à partir d'un certain rang.
- Montrer que $f,g$ ont un vecteur propre commun.
[CCINP] Soient $\varphi:E\to\C$ non nulle, $a\in\Ker\varphi\setminus\{0\}$ et $t(x)=x-\varphi(x)a$.
- Rappeler qu'une symétrie est diagonalisable, avec quelles valeurs propres.
- Montrer qu'une forme linéaire non nulle est surjective; construire $b\neq0$ avec $t(b)=b$.
- Déterminer $\operatorname{Im}(t-\operatorname{id})$, $\Ker(t-\operatorname{id})$, le spectre et la diagonalisabilité de $t$.
[CCINP] Soit $M=(m_{jk})\in M_n(\C)$ définie par $m_{jj}=0$, $m_{jk}=i$ si $j<k$ et $m_{jk}=-i$ si $j>k$, et soit $B$ la matrice dont tous les coefficients valent $1$. Pour $\lambda\in\C$, poser $A(\lambda)=\lambda I_n-M$ et $P(z)=\det(A(\lambda)+zB)$.
- Pour $\alpha=e^{i\pi/n}$, calculer $\alpha^n$ et résoudre $z^n=-1$.
- Montrer $(X-i,X+i)$ est une base de $\C_1[X]$.
- Trouver $a,b$ dépendant de $\lambda$ tels que $P(z)=a(z-i)+b(z+i)$.
- $M$ est-elle diagonalisable ?
[CCINP] Sur $E=C^0(\R)$, poser $\varphi(f)(x)=x^{-1}\int_0^xf(t)dt$ si $x\neq0$ et $\varphi(f)(0)=f(0)$.
- Montrer que $\varphi$ est linéaire et envoie $E$ dans $E$.
- Étudier la stabilité de $\R[X]$ et $\R_n[X]$, l'injectivité et la surjectivité des applications induites.
- Résoudre $\lambda xy'+(1-\lambda)y=0$ avec continuité en $0$, selon $\lambda\neq0$.
- Déterminer les valeurs propres de $\varphi$ et des restrictions.
[CCINP] Si $f$ est de rang $1$ sur un espace complexe de dimension $n\geq2$, montrer $\chi_f(X)=X^{n-1}(X-\operatorname{tr}f)$ et que $f$ est diagonalisable ssi $\operatorname{tr}f\neq0$.
[CCINP] Soit $E$ réel de dimension impaire et $f+f^3=0$. Préciser le spectre, discuter l'automorphisme, et montrer $\operatorname{Im}f$ et $\Ker f$ supplémentaires.
[CCINP] Soient $A\in M_{20,5}(\R)$ et $B=A^TA$. Montrer $B$ diagonalisable sur $\R$, que $0$ est valeur propre, et donner une borne sur la dimension du noyau.
[CCINP]
- Pour $A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$, montrer que l'endomorphisme associé est autoadjoint, trouver ses valeurs propres et une base propre orthonormée.
- Pour $u$ autoadjoint de spectre ordonné $\lambda_1\leq\cdots\leq\lambda_n$, montrer $\langle u(x),x\rangle=\sum\lambda_kx_k^2$ dans une base propre orthonormée et $\lambda_n=\max_{\|x\|=1}\langle u(x),x\rangle$.
Analyse
[CCINP] Une suite $(u_n)$ est adaptée à $f$ si $u_nf(nx)=\sum_{j=0}^{n-1}f(x+j/n)$.
- Montrer que les fonctions $1$ et $x-1/2$ appartiennent à $E$ avec suites adaptées respectives $u_n=n$ et $u_n=1$.
- Si $f\neq0$ admet une suite adaptée, montrer son unicité. Si $f\in C^p$ et $f^{(p)}\neq0$, montrer que les dérivées $f^{(k)}$ sont dans $E$ et relier les suites adaptées.
- Définir les polynômes $B_0=1$, $B'_p=pB_{p-1}$, $\int_0^1B_p=0$. Calculer $B_1,B_2$, leurs degrés et montrer $B_p\in E$ avec sa suite adaptée.
[IMT] Soit $E=\{f\in C^0(\R): f(2x)=1+\int_0^x(x-t)f(2t)dt\}$.
- Montrer que $f\in E$ implique $f$ dérivable et exprimer $f'$.
- En déduire une équation différentielle linéaire d'ordre 2.
- Déterminer $E$.
[CCINP] Poser $f(x)=\sum_{n\geq1}(-1)^n/(x+n)$.
- Déterminer son domaine et montrer la continuité sur $\R_+$.
- Montrer $\sum_{n\geq0}(-1)^n/(x+n)\sim1/x$ quand $x\to0^+$.
[CCINP] Pour $f_n(x)=x/[n(1+n^2x^2)]$ :
- Dresser son tableau de variations.
- Pour $f=\sum_{n\geq1}f_n$, déterminer le domaine et étudier la continuité.
- Étudier $\sum f_n'$ et la régularité de $f$ sur $\R^*$.
- Pour $x>0$, montrer $\dfrac{f(x)-f(0)}{x}\geq\displaystyle\int_x^{+\infty}\dfrac{du}{2u(1+u^2)}$ et étudier la dérivabilité en $0^+$.
[IMT] Développer en série entière $x\mapsto\int_0^1\arctan(xt)\,dt$ et préciser le rayon.
[CCINP] Pour $f(x)=\ln(1+x)/x$, préciser le domaine, prolonger en $0$, puis montrer par série entière que $f\in C^\infty$.
[IMT] Soit $u_0=1$, $u_{n+1}=\sum_{k=0}^nu_ku_{n-k}$. Trouver $u_n$ en étudiant $f(x)=\sum_{n\geq0}u_nx^n$ et $xf(x)$.
[CCINP] Poser $I_n=\int_0^1x^n/(1+x)\,dx$.
- Étudier la convergence de $(I_n)$ et calculer la limite.
- Calculer $I_n+I_{n+1}$.
- Déterminer $\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n(-1)^{k+1}/k$.
[IMT] Soit $f\in C^1([0,1],\R_+)$ et $I_n=\int_0^1\sin(f(t)/n)dt$.
- Déterminer la limite de $I_n$.
- Donner un équivalent puis un développement à deux termes.
[CCINP] Poser $I_n=\int_0^\infty\frac{dt}{1+t^2+t^n}$. Justifier l'existence et déterminer la limite.
[Actuariat] Poser $f(x)=\int_0^\infty e^{-t}t^{x-1}dt$.
- Montrer que $f$ est définie pour $x>0$.
- Montrer sa convexité directement par définition, puis par la dérivée seconde.
[CCINP] Rappeler $\arctan t\leq t$ pour $t\geq0$. Pour $f(x)=\int_0^\infty e^{-xt}\arctan(t)dt$, déterminer le domaine et la limite en $+\infty$, puis établir $xf(x)=\int_0^\infty e^{-xt}/(1+t^2)dt$ et calculer la limite de $xf(x)$ en $0$.
[CCINP] Pour $F(x)=\int_0^\infty \frac{\sin t}{t}e^{-tx}dt$, montrer $|\sin t|\leq|t|$, justifier l'existence et étudier la continuité sur $\R_+$.
[CCINP] Montrer la convergence et calculer $\int_0^\infty\frac{\ln t}{1+t^2}dt$.
[CCINP] Pour $f(x,y)=x^2+y^2$, étudier les points critiques et extrema, déterminer les équipotentielles et représenter $z=f(x,y)$.
Probabilités
[IMT]
- Déterminer $a>0$ pour que $(a/(i!j!))_{(i,j)\in\N^2}$ soit une loi.
- Pour $\P(X=i,Y=j)=a/(i!j!)$, déterminer les lois marginales et l'indépendance.
[IMT] Soit $X$ intégrable avec $\E(X)\neq0$. Pour $A$, poser $\P_X(A)=\E(\mathbf1_AX)/\E(X)$.
- Calculer $\E(\mathbf1_A)$.
- Si $X\sim\mathcal P(\lambda)$ et $A=2\N$, calculer $\P(A)$ et $\P_X(A)$.
[IMT] Deux urnes contiennent respectivement $(2\,blanches,3\,noires)$ et $(4\,blanches,3\,noires)$. Choisir une urne, tirer avec remise, puis tirer au tour suivant dans $U_1$ après une blanche et $U_2$ après une noire. Pour $p_n=\P(B_n)$, calculer $p_1$, établir une récurrence et expliciter $p_n$.
[CCINP] Soit $U_n$ l'ensemble des racines $n$-ièmes de l'unité, $X$ uniforme sur $U_n$.
- Montrer $\sum_{k=0}^{n-1}z_k=0$.
- Calculer $\E(X),\E(\overline X),\E(|X|^2)$.
- Pour $(X_i)$ i.i.d. de même loi, calculer $\E(|S_p|^2)$ où $S_p=\sum_{k=1}^pX_k$, puis illustrer Markov.
- Pour $T_p=\prod_{k=1}^pX_k$, montrer que $T_p$ a la loi de $X$.
[CCINP] Une urne contient $n$ boules numérotées de $1$ à $n$. On tire une boule de numéro $k$ ; si $k=1$, on s'arrête, sinon on retire les boules numérotées de $k$ à $n$ et on recommence. Soient $I_n$ le premier numéro tiré et $X_n$ le nombre de tirages jusqu'à obtenir la boule $1$.
- Donner la loi et l'espérance de $I_n$.
- Déterminer les valeurs prises par $X_n$.
- Donner la loi et l'espérance de $X_2$.
- Calculer $\P(X_n=1)$ et montrer $\P(X_n=n)=1/n!$.
- Pour $2\leq j\leq n$, montrer $\P(X_n=j)=\frac1n\sum_{k=1}^{n-1}\P(X_k=j-1)$.
- Montrer $\E(X_n)=\E(X_{n-1})+1/n$ et en déduire $\E(X_n)$.
Soient $X,Y$ indépendantes de loi géométrique de paramètre $p\in]0,1[$. Déterminer la loi de $U=\min(X,Y)$.
De Christophe xens
On munit $\R^2$ d'une norme $\|\cdot\|$. On note $B = \{x \in \R^2, \|x\| \le 1\}$ et $$\Delta_3(B) = \sup_{x,y,z \in B} \min(\|x - y\|, \|y - z\|, \|x - z\|)$$
- Montrer que $\Delta_3(B)$ est atteint.
- Montrer que $\Delta_3(B) \le 2$.
- Calculer $\Delta_3(B)$ pour chacune des normes $\|\cdot\|_1, \|\cdot\|_\infty$ et $\|\cdot\|_2$.
- Trivial.
- Trivial.
- Pour $\lN \cdot \rN_2$, se placer en un minimum.
Soit $a > 0$. On considère l'équation différentielle $$y_a''(t) = \frac{1}{2y_a(t)^{1+a}}, y_a(0) = 1, y_a'(0) = 0$$ On suppose qu'il existe $T_a$ et $y_a \in C^2([0, T_a[, \R^+)$ solution telle que $T_a = +\infty$ ou $y_a(t) + \frac{1}{y_a(t)} \xrightarrow[t \to T_a]{} +\infty$.
- Trouver une relation entre $(y_a')^2$ et $y_a$.
- Montrer que le cas $\frac{1}{y_a(t)} \xrightarrow[t \to T_a]{} +\infty$ est impossible pour $T_a$ fini.
- Montrer que le cas $y_a(t) \xrightarrow[t \to T_a]{} +\infty$ est impossible pour $T_a$ fini.
- Montrer que $y_a$ est strictement croissante sur $\R^+$ et de limite $+\infty$ en $+\infty$.
- Donner un équivalent de $y_a$ en $+\infty$.
- Question bonus : lemme de Gronwall
- On considère un sous-groupe $G$ de $\Z/n\Z$. Soit $\varphi \colon G \to \Z/n\Z$ un morphisme de groupe. Montrer qu'il existe un morphisme $\psi \colon \Z/n\Z \to \Z/n\Z$ tel que $\forall x \in G, \psi(x) = \varphi(x)$.
- Soit $(G, +)$ un groupe fini, commutatif. Montrer qu'il existe $n \in \N^*$ tel que $\forall x \in G, n.x = 0$ et $n$ minimal pour la division. Montrer qu'il existe un sous-groupe $H$ de $G$ tel que $G = \Z/n\Z \oplus H$.
- Montrer que tout groupe fini commutatif est isomorphe à un unique groupe de la forme $\prod \Z/d_i\Z$, où $\forall i,\, d_i \mid d_{i+1}$.
- Écrire $G = \langle x\rangle$, et $\phi(x)$ doit vérifier…
- On veut construire un morphisme $G\ra \Z/n\Z$ qui étend celui de $\langle x\rangle$. On procède petit à petit. Si $y\not\in \langle x\rangle$, on a déjà un morphisme de $\langle y\rangle \cap \langle x\rangle\ra \Z/n\Z$, que l'on peut étendre à $\langle y\rangle$, donc à $\langle x, y\rangle$.
- Soit $(c_n) \in [0, 1]^\N$. Montrer que $$\prod_{i=0}^{n-1} (1 - c_i) \le e^{-\sum_{i=0}^{n-1} c_i}$$
- Soit $f \in C^2(\R^2, \R)$ telle qu'il existe $\alpha > 0$ et $m \ge \alpha$ vérifiant $$\forall x \in \R^2, H_f(x) - \alpha I_n \in S_n^{++}(\R) \text{ et } m I_n - H_f(x) \in S_n^{++}(\R)$$ Montrer que $\exists! x^* \in \R^2, \nabla f(x^*) = 0$.
- Soient $x_0 \in \R^2$ et $s > 0$. On définit $\forall n \ge 0, x_{n+1} = x_n - s\nabla f(x_n)$ Montrer que $$\|x_{n+1} - x^*\| \le \max((1 - \alpha s)^2, (1 - ms)^2)\|x_n - x^*\|^2$$
- trivial.
- Unicité claire, existence aussi via un élément dont la valeur de $f$ est minimale. En partant de $\nabla f(0)$, on est convexe dans chaque direction (avec un contrôle explicite), donc on sait que sur une boule éloignée, on est grand.
- $x_{n+1} - x^* = (I_2 - s \nabla f(x_n)) (x_n - x^*)$, et appliquer taylor lagrange pour $\nabla f(x_n)$.
Soit $(p_k)_{k\in\N^*}$ une suite à valeurs dans $[0, 1]$, et soit $(X_k)_{k\in\N^*}$ une suite de variables aléatoires indépendantes suivant chacune une loi de Bernoulli de paramètre $p_k$.
Montrer que, pour toute distribution de probabilité $(q_i)_{i\in\N}$, il existe une suite de fonctions $f_n \colon \{0, 1\}^n \longrightarrow \N$ telle que la suite de variables aléatoires $(f_n(X_1, \dots, X_n))_{n\in\N^*}$ converge presque sûrement vers une variable aléatoire $X$ de loi $(q_i)$ si et seulement si la série $\sum_{k=1}^{+\infty} p_k(1 - p_k)$ diverge.
Si les $p_k$ valent $\frac{1}{2}$ (alors $\sum p_k(1-p_k)$ diverge), étant donné une loi $(q_i)$, on découpe $[0,1]$ suivant les $q_i$, et suivant $\frac{1}{2^n}$, on choisit aussi une bijection de $\{0,1\}^n\ra \db{0, 2^n-1}$, et cela définit $f_n$ qui marche, pour une convergence en loi. Pour une convergence presque sûr, hm, oui ça marche aussi (du moment que $X_n$ est le bit faible).
On peut supposer que les $p_k\leq \frac{1}{2}$, auquel cas l'hypothèse est la divergence, ou convergence de $\sum p_k$.
Si $\sum p_k$ diverge, alors $\prod (1-p_k)$ tend vers $0$, donc quand on découpe naturellement $[0,1]$ en morceau (obtenus en écrivant $1 = (p_0 + (1-p_0)) (p_1 + (1-p_1)),\dots$, chaque morceau tend vers $0$, ce qui suffit.
Réciproquement, si $\sum p_k$ converge, $\prod (1-p_k)$ converge, donc l'évènement tous les $X_i$ donnent $1$ a une grosse probabilité, donc si on converge vers une loi, au moins un des $q_i$ a une grosse probabilité.
Soient $m$ et $N$ dans $\N^*$. On considère $X_1, \dots, X_m$ variables aléatoires mutuellement indépendantes, respectivement à valeurs dans $E_1, \dots, E_m$ qui sont des parties de $\R$. On suppose que $X_1 + \dots + X_m$ suit une loi uniforme sur $\db{0, N - 1}$. Les $X_i$ suivent-ils une loi uniforme ?
- On se ramène au cas où les $X_i$ sont à valeurs entières.
- Quitte à translater $\db{0, N - 1}$, on peut supposer les $X_i$ positifs.
- On est ramené à écrire $X^n \frac{X^m - 1}{X-1}$ comme un produit.
- Ensuite, on prend le produit de deux polynômes $1 + \dots + X^{p-1}$ avec $p-1$ premier.
Soit $(A, +, \times)$ un anneau qui n'est pas un corps et vérifiant $$\forall x \in A \setminus A^\times, \exists n_x \in \N^*, x = \sum_{k=2}^{2^{n_x}} x^k$$
- Montrer que $\forall x \in A \setminus A^\times, x + x = 0_A$. On pourra considérer $y_x = \sum_{k=1}^{2^{n_x}-1} x^k$.
- Montrer que $1_A + 1_A = 0_A$.
- Montrer que $\forall x \in A \setminus A^\times, x = x^2$. On pourra d'abord montrer que $x = x^{2^{n_x}+1}$.
On pose $E = \C[X] \oplus \C[X]$. Soient $\varphi_1, \varphi_2 \in \mathcal{L}(E)$ tels que pour tous $r, s$ de $\N$, $$\varphi_1(X^r, X^s) = (-X^{r+2}, X^s + X^{r+1}) \text{ et } \varphi_2(X^r, X^s) = (X^{s+1} + X^r, -X^{s+2})$$
- Déterminer les spectres de $\varphi_1$ et $\varphi_2$.
- $\varphi_1$ et $\varphi_2$ sont-ils des automorphismes de $E$ ?
- Mêmes questions avec $E = \C(X) \oplus \C(X)$.
- On pose $B_n = \{\varphi_{i_1} \circ \dots \circ \varphi_{i_n}, i_1, \dots, i_n \in \{1, 2\}\}$ pour $n \in \N^*$. Trouver le cardinal de $B_1, B_2, B_3$.
Soit $M \in \mathcal{M}_2(\R)$ vérifiant $$\det(M^{2024} + I_2) = \det(M^{2024} - I_2) \text{ et } \det(M^{2026} + I_2) = \det(M^{2026} - I_2)$$ Montrer que $\quad\forall n \ge 1, \det(M^n + I_2) = \det(M^n - I_2)$.
$M$ est tri sup.
On note $\mathbb{H}$ l'algèbre des quaternions sur $\R$. C'est un $\R$-espace vectoriel de dimension 4 muni d'une base canonique $(1, i, j, k)$ dont la multiplication est régie par : $i^2 = j^2 = k^2 = ijk = -1$ Pour tout quaternion $z = a + bi + cj + dk \in \mathbb{H}$, on définit son conjugué par $\bar{z} = a - bi - cj - dk$. On admet que $\overline{wz} = \bar{z}\bar{w}$.
- Inversibilité dans $\mathbb{H}$. Montrer que tout élément non nul $z \in \mathbb{H}$ admet un inverse pour la loi de multiplication, et exprimer explicitement $z^{-1}$ en fonction de $\bar{z}$ et $N(z)$. En déduire que $\mathbb{H}$ est un corps non commutatif.
- Anneaux de Lipschitz et de Hurwitz. On note $\mathbb{H}(\Z) = \{a + bi + cj + dk \in \mathbb{H} \mid a, b, c, d \in \Z\}$. On pose $\delta = \frac{1+i+j+k}{2}$ et on définit $A = \mathbb{H}(\Z) + \Z\delta$. Montrer que $\mathbb{H}(\Z)$ et $A$ sont des sous-anneaux de $\mathbb{H}$.
- Lien avec la somme de quatre carrés. Soit $n \in \N$. Démontrer que $n$ s'écrit comme la somme de quatre carrés d'entiers si et seulement s'il existe un quaternion de Hurwitz $z \in A$ tel que $n = N(z)$.
-
Structure euclidienne et application au théorème de Lagrange.
- Démontrer que l'anneau $A$ est euclidien (à droite) pour la norme $N$.
- Soit $p$ un nombre premier impair. On admet qu'il existe $x, y \in \Z$ tels que $x^2 + y^2 + 1 \equiv 0 \pmod p$. Montrer que $p$ n'est pas irréductible dans $A$, puis qu'il existe $z \in A$ tel que $p = N(z)$.
- En déduire le théorème des quatre carrés de Lagrange.
- Démontrer la propriété admise.
Soit $(u_n)_{n\ge 1}$ une suite de variables aléatoires telle que $u_1$ suit la loi uniforme sur $\db{1, N}$ ($N \in \N^*$ fixé) et pour $n \ge 1$, $u_{n+1}$ suit la loi uniforme sur $\db{1, u_n}$. On pose $E_N = \{u_i, i \ge 1\}$.
- Montrer que $\mathbb{P}(1 \in E_N) = 1$.
- Pour $k \in \db{1, N}$, on pose $p_{N,k} = \mathbb{P}(k \in E_N)$. Calculer $p_{N,k}$.
- L'évènement complémentaire est exactement la réunion, d'évènements $u_k = i$ et $\forall j\geq k,\, u_j = i$, chacun étant de probabilité nulle.
- Pour $N = 1$, trivial. Pour $N = 2$, on a $\P(2\in E_2) = \frac{1}{2}$. Par récurrence, on a ce qu'on veut.
Soit $T > 0$ et $[a, b]$ un intervalle de $\R$. On considère une fonction $u : [a, b] \times [0, T] \to \R$ de classe $C^4$ solution de : $$\begin{cases} \frac{\partial u}{\partial t}(x, t) - \nu \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x, t) = 0 & \text{pour } (x, t) \in ]a, b[ \times ]0, T[ \\ u(a, t) = 0 \text{ et } u(b, t) = 0 & \text{pour tout } t \in [0, T] \end{cases}$$ où $\nu > 0$. On définit un maillage régulier : $\Delta x = \frac{b-a}{M+1}$ et $\Delta t = \frac{T}{N}$. On note $u_j^n$ l'approximation de $u(x_j, t_n)$ par le schéma : $$\frac{u_j^{n+1} - u_j^n}{\Delta t} - \nu \frac{u_{j+1}^n - 2u_j^n + u_{j-1}^n}{(\Delta x)^2} = 0$$
- En définissant $U^n = (u_1^n, \dots, u_M^n)^\top \in \R^M$, montrer que $U^{n+1} = AU^n$.
- On définit l'erreur de troncature $\varepsilon_j^n$. Montrer qu'il existe $C > 0$ telle que $\max |\varepsilon_j^n| \le C(\Delta t + (\Delta x)^2)$.
Soient $a, b \in \C$ avec $|a| > \sqrt{3}$ et $b \neq 0$ et $n \ge 3$ un entier. On note $B = \begin{pmatrix} a & b \\ \frac{1-a^2}{b} & -a \end{pmatrix}$ et pour $k \in \db{1, n - 1}$, $A_k = \text{diag}(I_{k-1}, B, I_{n-k-1}) \in \mathcal{M}_n(\C)$.
- Soient $k, k' \in \db{1, n - 1}$. Donner l'ordre du sous-groupe de $GL_n(\C)$ engendré par $A_k$ et $A_{k'}$.
- Trouver un vecteur propre commun à tous les $A_k$.
- On a $B^2 = I_2$. Si $|k-k'| = 1$, alors $A_k A_{k+11}$ a comme polynôme caractéristique $(X - 1)(X^2 + (a^2+1)X + 1)$, qui est d'ordre infini.
- On peut trouver un vecteur propre de valeur propre $1$ commun à tous les $A_k$
Soit $n \ge 1$ un entier. On considère $G_n = \{ \frac{j}{2^n} \mid j \in \{0, 1, \dots, 2^n - 1\} \}$. Soit $(X_1, \dots, X_n)$ un échantillon de variables indépendantes uniformes sur $G_1, \dots, G_n$. Pour $\varphi : [0, 1] \to \R$, on définit $\hat{\varphi}_n = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n \varphi(X_i)$. Soit $\mathcal{L}_1$ l'ensemble des fonctions 1-lipschitziennes de $[0, 1]$ dans $\R$.
- Montrer que $\sup_{\varphi \in \mathcal{L}_1} |\hat{\varphi}_n - \int_0^1 \varphi(x) \dx| \ge \frac{1}{2^{n+2}}$.
- Soit $M \ge 1$. Montrer que $\sup_{\varphi \in \mathcal{L}_1} |\hat{\varphi}_n - \int_0^1 \varphi(x) \dx| \le \frac{2}{M} + \sum_{m=1}^M |\frac{1}{n} \text{Card}\{i \mid X_i \in B_m\} - \frac{1}{M}|$.
- Pas d'aléa.
Soient $f, g \colon \R \to \R$ telles que $\forall x \in \R, g(x) = 2f(x) + f(x^2)$.
- On suppose $g$ continue en $0$ et $f$ bornée au voisinage de $0$. Montrer que $f$ est continue en $0$.
- Donner un exemple où $g$ est continue en $0$ et $f$ discontinue en $0$.
- On a $f(x) = \frac{g(x)}{2} - \frac{g(x^2)}{4} + \frac{g(x^4)}{8}\dots$.
- Il faut donc que $f$ soit non bornée. On prend $g = 0$, et on peut poser $x = e^{-t}$ pour obtenir $h(2t) = - 2h(t)$.
Soit $P \in \C[X]$ tel que $\forall z \in \C, P(z) = 0 \implies \text{Im}(z) > 0$. On écrit $P = A + iB$ avec $A, B \in \R[X]$. Montrer que $A$ et $B$ sont scindés sur $\R$.
Soit $f \colon x \mapsto x(1 + \ln |1 - |x||)$.
- Étudier $f$.
- Soit $(x_n)$ définie par $x_0 \in \R \setminus \{-1; 1\}$ et $x_{n+1} = f(x_n)$. Trouver les $x_0$ tels que $(x_n)$ soit 3-périodique.
- $f$ est impaire, asymptotes verticales en $\pm 1$, s'annule en $1 \pm e^{-1}$. Sur $[1,+\i[$, $f$ est croissante. Sur $\interval]{0,1, b}[$, $f$ est concave.
- On considère les intervalles $\interval]{1-e^{-1}, 1}[$, $\interval]{1, 1+e^{-1}}[$ et $\interval]{1+e^{-1}, +\i}[$. Sur l'intervalle $\interval]{0, 1-e^{-1}}[$, il est stable et $f(r)\lt r$ dessus. Sur les autres intervalles, on a $T'\gt 1$, donc $T^3 - \op{id}$ est strictement monotone. Chaque cycle doit passer par $\interval]{1+e^{-1}, +\i}[$. On énumère les cycles en énumérant les «trajectoires» possibles dans les trois intervalles précédents. On trouve $4$ cycles possibles, auquel il faut ajouter les points fixes $0$ et $2$.
Soit $E$ un $\C$-espace vectoriel de dimension $n$.
- Soit $f \in \mathcal{L}(E)$ tel que $\forall x \in E, \exists \lambda \in \C, f(x) = \lambda x$. Que dire de $f$ ?
- Soit $f \in \mathcal{L}(E)$ tel que $f$ n'est pas une homothétie. Montrer qu'il existe une base de $E$ dans laquelle la matrice $M$ de $f$ vérifie $\forall i, M_{i,i+1} \neq 0$.
Soit $V$ un espace euclidien. Pour $B = (e_1, \dots, e_n)$ une base de $V$, on note $L = \text{vect}_\Z(e_1, \dots, e_n)$.
- Montrer que $L = \{ \sum_{i=1}^n m_i e_i, m_i \in \Z \}$.
- Soit $B'$ une autre base. Montrer qu'elle engendre $L$ ssi la matrice de passage est dans $GL_n(\Z)$ avec un déterminant $\pm 1$.
- Justifier que $\lambda_1(L) = \min \{ \|x\|, x \in L \setminus \{0\} \}$ est bien défini.
- Montrer qu'il existe une base $(b_1, b_2)$ de $\R^2$ qui engendre $L$ avec $\|b_1\| = \lambda_1(L)$ et $\frac{|(b_1|b_2)|}{\|b_1\|^2} \le \frac{1}{2}$.
- C'est l'équivalence des normes. De manière élémentaire ?
Pour $n \in \Z$ et $x \in \R$, on pose $J_n(x) = \frac{1}{2\pi i^n} \int_0^{2\pi} e^{i(n\theta + x\cos\theta)} \dt\theta$.
- Montrer que $J_n(x) \in \R$ et relier $J_n$ et $J_{-n}$.
- DSE et équation différentielle vérifiée par $J_0$.
- Pour le premier, développer $e^{i\theta}$ et poser $u = \pi + \theta$. Pour le second, $J_{-n}(-x) = J_n(x)$.
Soit $(X_i)_{i\in\N^*}$ une suite de variables aléatoires indépendantes de même lois telle que $X_i \sim \mathcal{B}(p)$ avec $p \in ]0, 1[$. On pose $q = 1-p$, $S_n = X_1 + \dots + X_n$ et $T_n$ le nombre minimal d'expériences pour avoir $n$ échecs.
-
Soit $n \in \N^*$. Montrer que $∀ k ∈ \db{0, n}, (S_n ≥
- = (Tn+1-k ≥ n + 1)$.
- Montrer que $\mathbb{P}(S_n \ge k) = {n \choose n - k} p^k q^{n-k+1} \sum_{\ell=0}^\infty \frac{(n + 1)\dots(n + \ell)}{(k + 1)\dots(k + \ell)} p^\ell$.
- Soit $j \ge 3$. On suppose $p = 1/2$. Montrer que $\mathbb{P}(S_{nj} \le n) \sim 2^{-jn} {jn \choose n} \frac{j-1}{j-2}$.
Todoes todo ignore
{{{enlargepage}}}