Examen - concepts fondamentaux - mathématique avancée 1, Examens de Génie mathématiques. Université Bordeaux I
Eusebe_S
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Examen - concepts fondamentaux - mathématique avancée 1, Examens de Génie mathématiques. Université Bordeaux I

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Examen sur les concepts fondamentaux de mathématique avancée 1 Les principaux thèmes abordés sont les suivants: les suites récurrentes, les nombres complexes, les équations différentielles, l'intégration.
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Opération R.O.C. I SUITES RÉCURRENTES Ce do ument a pour but de vous permettre de vous péparer aux exer i es du ba alauréat S impliquantdes R.O.C. (Restitution Organisée des Connaissan es). Les preuves dans e do ument ont été extraites1de mon ours de TS que vous pouvez trouver sur mon site ( f lien liquable en bas de page) ou dans votre ahier. Ce sont soit des preuves à onnaître, soit des démonstrations qui impliquent des raisonnementsque l'on doit savoir faire dans des ontextes légèrement diérents, ou dans des as parti uliers. Je penseen parti ulier aux hapitres ommme  Équations diérentielles  ou elui ave lequel on ommen e : Suites ré urrentes. . Lisez bien les pré-requis dans les questions R.O.C. on peut vous demander uneautre preuve que elle vue en ours ! Toutes les preuves ne sont pas omplètes, parfois je ne donne quel'idée essentielle, par exemple pour les ré urren es, je ne donne parfois que la phase d'hérédité. Le jourde l'épreuve du ba , il faut bien sûr tout é rire.Bonne le ture, et bon ourage. Vin ent PANTALONI.

I Suites ré urrentesCette se tion parle des suites (un) dénies par un premier terme et une relation de ré urren e de laforme un+1 = f(un) où f est une fon tion dénie sur un intervalle I. Vous aurez à refaire ertaines de es preuves ave des exemples on rets de suite dans les exer i es.Il est faux de dire que f roissante donne (un) roissante, on a en fait la propriété suivante à savoirmontrer.Propriété 1. On a deux as si f est monotone : ① Si f est roissante alors (un) monotone. Le sens de var est donné par le signe de u1 − u0 ② Si f est dé roissante alors (u2n) et (u2n+1) sont monotones de monotonies ontrairesDémonstration. Supposons u1 > u0.1. Par ré urren e. P(n) :  un+1 > un . Je fais l'hérédité : Si P(k) est vraie, uk+1 > uk. Or fest roissante, don :

uk+1 > uk =⇒ f(uk+1) > f(uk) =⇒ uk+2 > uk+12. On pose pn = u2n et in = u2n+1. Alors : pn+1 = f ◦ f(pn) et in+1 = f ◦ f(in)Or f de . implique fof roissante don par le 1. p et i sont monotones. Supposons p roissante,alors u2 > u0 don , en appliquant f qui est de . on a u3 6 u1 don i1 6 i0 don i est de .

R ♥

C

Un ritère donnant le sens de variation de (un). Une ré urren e fa ile à savoir refaire au as par as :Propriété 2. Si un appartient à l'intervalle I pour tout n, alors : ① Si ∀x ∈ I, f(x) > x alors (un) est roissante. ② Si ∀x ∈ I, f(x) 6 x alors (un) est dé roissante.Démonstration. Je ne montre que la ①. On suppose que I est stable par f et que u0 ∈ I :Soit P(n) la propriété dépendant de n (pour n ∈ N) :

P(n) : un+1 > unInitialisation. . u1 = f(u0) > u0. Don P(0) est vraie.Hypothèse de ré urren e. On suppose que pour un ertain k ∈ N, P(k) est vraie.Hérédité. uk+2 = f(uk+1) > uk+1. Ainsi P(k + 1) est vraie.Con lusion. Par ré urren e, on a prouvé que pour tout entier n de N : un+1 > un . Don la suite (un) est roissante.La preuve du ② est la même mutatis mutandis.1generated with the extra t pa kageMathZani 1

Opération R.O.C. III EXPONENTIELLE

R ♥

CLe théorème suivant ne doit pas être appliqué mais vous devez savoir montrer le résultat pourune fon tion f donnée, dont on sait qu'elle est ontinue et si on sait déjà que (un) ( dénie par un+1 = f(un) ) est onvergente.Théorème 1. Si f est ontinue sur un intervalle fermé I et que (un) onverge vers un réel ℓ, alorsla limite est né essairement un point xe de f , i.e. f(ℓ) = ℓ.Démonstration. On sait que (un) onverge vers ℓ. Don lim

n→+∞ un = lim

n→+∞ un+1 = ℓ. De plus f est ontinue sur I, don en ℓ, e qui implique que lim

x→ℓ f(x) = f(ℓ). En omposant les limites, on en déduitque : lim

n→+∞ f(un) = f(ℓ). Par uni ité de la limite de (un) on a don f(ℓ) = ℓ

R ♥

C

II Limites et ontinuité Propriété 3. Une fon tion dérivable sur un intervalle est ontinue sur et intervalle.Démonstration. Soit a un réel de l'ensemble de dénition de f . On é rit l'approximation ane de fen a. Il existe une fon tion ǫ telle que : lim

x→a ǫ(x) = 0 et :

f(x) = f(a) + (x− a)f ′(a) + ǫ(x)Alors quand x tend vers a, ǫ(x) et (x− a) tendent vers zéro, et don f(x) tend vers f(a).

R ♥

C

III Exponentielle Théorème 2. Il existe une unique fon tion f dénie et dérivable sur R telle que : f ′ = f et f(0) = 1.Existen e admise, on va prouver l'uni ité.Lemme 1. Si il existe une fon tion f dénie et dérivable sur R telle que f ′ = et f(0) = 1 alors ellevérie : ∀x ∈ R f(−x)f(x) = 1 et par onséquent f ne s'annule pas.Démonstration. On pose la fon tion φ dénie par : ∀x ∈ R φ(x) = f(−x)f(x). On dérive, φ′ = 0 et φ(0) = 1On prouve maintenant l'uni ité :Démonstration. Supposons qu'il existe deux fon tions f et g qui dénies et dérivables sur R telle que : f ′ = f , g′ = g et f(0) = g(0) = 1. D'après le lemme, es fon tions ne s'annulent pas, et don on peut onsidérer la fon tion ψ dénie et dérivable sur R par : ψ = f

g . On dérive, ψ′ = 0 et ψ(0) = 1. Don

ψ est onstante, égale à 1, ainsi f = g. R ♥

C

Propriété 4. Pour tous réels a et b et tout entier relatif n, on a les formules : exp(−a) = 1

exp(a) (1)

exp(a+ b) = exp(a)× exp(b) (2) exp(a− b) = exp(a)

exp(b) (3)

exp(a× n) = (exp(a))n (4) MathZani 2

Opération R.O.C. IV NOMBRES COMPLEXES, GÉNÉRALITÉS La relation (2) s'appelle la relation fon tionnelle de l'exponentielle.Démonstration. (1) dé oule du Lemme 1. (3) dé oule de (2) et (1). (4) se prouve à partir de (2) parré urren e sur n. L'essentiel est de prouver (2) :Soit b ∈ R. On onsidère la fon tion χ de x où b est un paramètre dénie par :

χ(x) = exp(x+ b)

exp(x) .On dérive, χ′ = 0 et χ(0) = exp(b). Don pour tout réel x, exp(x+ b) = exp(x) exp(b). Ce i pour toutréel b. D'où (2)Preuve de (4) : Soit a un réel. Soit P(n) :  exp(a× n) = (exp(a))n  Prouvons par ré urren e sur

n que P(n) est vraie pour tout n ∈ N. Ini : Comme exp(a) 6= 0, exp(a)0 = 1 = exp(0) ok. . .

R ♥

C

Propriété 5. Cexp est au dessus de sa tangente en zéro. i.e. ∀x ∈ R, ex > x+ 1Démonstration. On pose φ la fon tion dénie par : φ(x) = ex −x − 1 et on veut prouver que ettefon tion est positive sur R pour elà, on l'étudie. φ est dérivable sur R et on a : φ′(x) = ex −1. Or :

ex −1 > 0 ⇐⇒ ex > e0 ⇐⇒ x > 0D'où les variations de φ qui admet ainsi un minimum en zéro qui vaut : φ(0) = 0. Don φ est positivesur R.

R ♥

C

IV Nombres Complexes, généralités Propriété 6 (Probriétés algébriques du onjugué). On a les formules suivantes pour z et z′ dans C :

z = z (5) z + z′ = z + z′ (6)

zz′ = z × z′ (7) (

1

z′

)

= 1

z′ pour z′ 6= 0 (8)

( z

z′

)

= z̄

z′ pour z′ 6= 0 (9)

zn = (z̄) n pour n ∈ Z, z ∈ C∗ (10)Démonstration. On é rit z et z′ sous forme algébrique : z = a+ ib et z′ = a′ + ib′.(5) et (6) immédiat.(7) :

zz′ = (a+ ib)(a′ + ib′) = aa′ − bb′ + i(ab′ + a′b) = aa′ − bb′ − i(ab′ + a′b)Par ailleurs : z × z′ = (a− ib)(a′ − ib′) = · · · = aa′ − bb′ − i(ab′ + a′b) = zz′.(8) : 1

z′ =

z′

z′z′ =

1

z′z′ × z′Or z′z′ ∈ R+ don il est son propre onjugué, et par (7) on a don :

(

1

z′

)

= 1

z′z′ × z′ = 1

z′z′ × z′ = 1

z′z′ × z′ = 1

z′(9) : On utilise que z z′

= z × 1 z′

puis (7) et (8).(10) : Ré urren e pour n ∈ N∗ utilisant (7), puis pour obtenir la formule pour les entiers négatifs, on MathZani 3

Opération R.O.C. V NOMBRES COMPLEXES, FORME EXPONENTIELLE. . . utilise (8) et les formules usuelles sur les puissan es. Soit n ∈ N∗. z−n = 1

zn . Don :

z−n = 1/zn = 1/zn = 1/zn =

(

1

z

)n

= (z−1)n = z−n

R ♥

C

Propriété 7 (Propriétés algébriques du module d'un nombre omplexe). Pour tous z et z′ dans C : |z̄| = |z| (11)

|zz′| = |z| × |z′| (12) |1/z′| = 1/|z′| pour z′ 6= 0 (13) |z/z′| = |z|/|z′| pour z′ 6= 0 (14) |zn| = |z|n pour n ∈ Z∗ (15)(16)Démonstration. Ces propriétés se démontrent à l'aide de elles sur les onjugués. Par exemplepour (12) :

|zz′| = √

zz′ × zz′ = √

zz′ × zz′ = √

zz × z′z′ = √ zz ×

z′z′ = |z| × |z′|

R ♥

C

V Nombres Complexes, forme exponentielle. . .Prérequis : Pour tous réels a et b, on a : cos(a+ b) = cos a cos b− sin a sin b (17) sin(a+ b) = sin a cos b+ sin b cos a (18)Propriété 8. Pour tous omplexes non nuls z et z′, on a :

① arg zz′ = arg z + arg z′ [2π]

② arg z̄ = − arg z [2π] ③ arg 1

z = − arg z [2π]

④ arg z z′

= arg z − arg z′ [2π] ⑤ arg zn = n arg z [2π]Démonstration. On note z et z′ sous forme trigonométrique :

z = |z|(cos θ + i sin θ) et z′ = |z′|(cosθ′ + i sin θ′)On va montrer ① et retrouver la propriété sur le module du produit : ① zz′ = |z|(cos θ + i sin θ)× |z′|(cosθ′ + i sin θ′) On développe et on trouve :

zz′ = |z| × |z′| (cos θ cos θ′ − sin θ sin θ′ + i(sin θ cos θ′ + sin θ′ cos θ)) = |z| × |z′| (cos(θ + θ′) + i sin(θ + θ′)) par (17) et (18)Or deux nombres omplexes sont égaux ssi ils ont même module et même argument modulo 2πdon : |zz′| = |z| × |z′| et arg zz′ = θ + θ′ = arg z + arg z′ [2π]

② C'est évident. Pensez le géométriquement, par symétrie d'axe (Ox) : Si M est d'axe z, et M ′d'axe z̄ alors M et M ′ sont symétriques par rapport à l'axe des réels. Don : (~u ;

−−−→ OM ′) = −(~u ;−−→OM). Ce qui se traduit en omplexes par ②

③ 1/z = (1/|z|2)× z̄.. On utilise alors ① et ②. Comme 1/|z|2 ∈ R+, alors arg(1/|z|2) = 0. ④ On utilise ① et ③ ar z/z′ = z × (1/z′). ⑤ Ré urren e sur n en utilisant ①.

MathZani 4

Opération R.O.C. VII ÉQUATIONS DIFFÉRENTIELLES

R ♥

CPropriété 9. Pour A et B deux points distin ts du plan, d'axes respe tives zA et zB, (de mêmepour C et D) on a : ① Argument de l'axe d'un ve teur : arg(z−−→

AB ) = arg (zB − zA) = (~u ;

−−→ AB)

② arg

(

zB − zA zD − zC

)

= ( −−→ CD;

−−→ AB)Démonstration. On ommen e par l'axe d'un ve teur :

① Cela vient de e que si M est le point d'axe (zB − zA) alors −−→OM = −−→AB. Ainsi : arg (zB − zA) = (~u ;

−−→ OM) = (~u ;

−−→ AB)

② D'après la formule sur l'argument d'un quotient : arg

(

zB − zA zD − zC

)

= arg(zB − zA)− arg(zD − zC)

= arg(z−−→ AB

)− arg(z−−→ CD

)

= (~u ; −−→ AB)− (~u ;−−→CD)

= ( −−→ CD; ~u ) + (~u ;

−−→ AB) Par antisymétrie des angles orientés

= ( −−→ CD;

−−→ AB) Par la relation de Chasles sur les angles

R ♥

C

VI Produit s alaire dans l'espa e.Distan e d'un point à un plan. La distan e d'un point A(xA; yA; zA) au plan P d'équation artésienne ax+ by + cz + d = 0 est notée d(A;P). Elle vaut : d(A;P) =

|axA + byA + czA + d|√ a2 + b2 + c2Démonstration. d(A;P) = AH où H est le projeté orthogonal de A sur P. Soit B un point de P.Justier que : −−→AB · ~n = −−→AH · ~n puis que :

AH = | −−→ AB · ~n | ‖~n ‖Enn, justier que : d = −(axB + byB + czB) puis on lure.

R ♥

C

VII Équations diérentielles Théorème 3 (Solution générale). Les fon tions dénies et dérivables sur R solutions de l'équationdiérentielle y′ = ay sont les fon tions fk dénies par :

fk(x) = k e axOù k est une onstante réelle quel onque.Démonstration. On doit prouver deux hoses :

① fk est bien solution pour tout réel k. (Fa ile) MathZani 5

Opération R.O.C. VIII LOGARITHME NÉPÉRIEN ② Si il existe une solution g à y′ = ay alors elle est de la forme fk. Pour elà on pose ϕ = g

f1 (où

f1(x) = e ax). On dérive ϕ, on trouve ϕ′ = 0, don ϕ = constante, et don toute solution de

y′ = ay s'é rit omme une onstante multipliée par f1.

R ♥

C

Dans ette partie, a et b désignent deux réels, a non nul. On onsidère l'équation diérentielle : y′ = ay + b (19)La propriété suivante est à savoir redémontrer dans un as parti ulier, omme y′ = ay − 1 ou y′ =

−2y + 3. . .Propriété 10. Soit f0 une solution parti ulière de (19). f est une solutions de (19), ssi la diéren e (f − f0) est solution de l'équation sans se ond membre asso iée : y′ = ay.Démonstration. Il y a deux sens à prouver.

① Si f est solution de (19), alors f ′ = af + b. Comme f0 est aussi solution de (19), on a aussi f ′0 = af0 + b. On soustrait es deux égalité et on obtient :

f ′ − f ′0 = af + b− af0 − b don : (f − f0)′ = a(f − f0)i.e. (f − f0) est solution de l'équation y′ = ay. ② Si (f−f0) est solution de l'équation y′ = ay, alors en reprenant le al ul pré édent, on est amenéà faire apparaitre b par la ruse extraordianire : 0 = b− b on a don : f ′ − f ′0 = af + b− af0 − b.Et omme f0 est solution de (19), alors f ′0 = af0 + b et don il reste f ′ = af + b. Ainsi f estsolution de (19).L'équivalen e est ainsi montrée.On en déduit que toute solution de (19) est de la forme : la solution générale de y′ = ay plus unesolution parti ulière de (19).

R ♥

C

VIII Logarithme népérien f T.D. pour les preuves :Relation fon tionnelle Soient deux réels a et b stri tement positifs.1. Simplier eln(a), eln(b), eln(ab). E rire le produit ab de deux manières.2. En déduire la relation fon tionnelle : ln(ab) =3. L'exponentielle transforme les sommes en produits. Que fait sa fon tion ré iproque ?Puissan e1. Par ré urren e on peut montrer que pour tout entier naturel n on a don : ln(an) =2. En posant a = eα (don α = . . .) prouver ette même propriété dire tement.3. Etablir une formule pour ln(√a) = On remarquera que (√a)2 = a.

Inverse et quotients1. En al ulant ln(a× 1 a ) de deux manières, ompléter la formule : ln(1

a ) =2. En déduire la formule : ln(a

b ) =

MathZani 6

Opération R.O.C. IX INTÉGRATION.

R ♥

C

Limites à base de ln • En +∞. lim

x→+∞ ln(x) = +∞.Soit A>0. Si x > eA alors ln(x) > A, ar ln est roissante.

• En 0. lim x→0+

ln(x) = −∞.On pose X = 1 x et on se ramène au as pré édent.

• Croissan e omparée : ① lim

x→∞ ln(x)/x = 0 On pose X = lnx et on utilise le résultat de roissan e omparée vupour exp.

② lim x→0+

x ln(x) = 0. Idem, ou bien on utilise ln(1/x) = − ln(x) et on se ramène au aspré édent.

R ♥

C

IX Intégration.Relation de Chasles. Cette formule est en ore vraie si f n'est plus supposée positive ou si c n'estpas entre a et b :Propriété 11 (Relation de Chasles). Soit c un réel ompris entre a et b. On a : ∫ b

a

f(x)dx =

∫ c

a

f(x)dx+

∫ b

c

f(x)dxDémonstration. Soit F une primitive de f . (F (c)− F (a)) + (F (b)− F (c)) = F (b)− F (a)

R ♥

C

Propriété 12 (Intégrer une inégalité). Si f et g sont deux fon tions ontinues sur [a ; b], telles que : ∀x ∈ [a ; b] , f(x) > g(x) alors :

∫ b

a

f(x) dx >

∫ b

a

g(x) dxDémonstration. Par hypothèse, la fon tion f − g est positive, don son intégrale (vue omme une airepar exemple) est positive, puis par linéarité de l'intégrale, on a le résultat. R ♥

C

Propriété 13 (Inégalités de la moyenne). Si f admet un minimum m et un maximum M sur [a ; b],alors on a l'en adrement : m(b− a) 6

∫ b

a

f(x) dx 6 M(b− a)Autrement dit la moyenne est omprise entre le minimum et le maximum de f : m 6 f̄ 6 MDémonstration. On intègre l'en adrement : ∀x ∈ [a ; b] ,m 6 f(x) 6 M sur [a ; b]

R ♥

C

Propriété 14 (I.P.P.). Si u et v sont deux fon tions dérivables de dérivées ontinues sur un intervalle [a ; b], alors la fon tion u′v est intégrable sur [a ; b] et on a la formule :

∫ b

a

u′(x)v(x) dx =

MathZani 7

Opération R.O.C. X LOIS DE PROBABILITÉS Démonstration. On a (uv)′ = u′v + uv′. On intègre ette égalité sur [a ; b] et on utilise la linéarité del'intégrale.

R ♥

C

X Lois de probabilités Propriété 15 (Relation de Pas al).

(

n

p

)

+

(

n

p+ 1

)

=

(

n+ 1

p+ 1

)

Démonstration. Straight forward, just remember that : (p+ 1)! = p!× (p+ 1).

R ♥

C

La belle formule suivante est à onnaître. La preuve, si ça vous amuse.Propriété 16 (Formule du binme). Pour tous nombres omplexes a et b non nuls, et n dans N on a : (a+ b)n =

n ∑

p=0

(

n

p

)

an−pbp

Démonstration. Par ré urren e à partir de (a+b)n+1 = a(a+b)n+b(a+b)n et la Relation de Pas al 15.Je ne fais que l'hérédité : (a+ b)n+1 =

n ∑

p=0

(

n

p

)

an+1−pbp +

n ∑

p=0

(

n

p

)

an−pbp+1

=

n ∑

p=0

(

n

p

)

an+1−pbp +

n ∑

p=0

(

n

p

)

an+1−(p+1)bp+1

= n ∑

p=0

(

n

p

)

an+1−pbp +

(

n−1 ∑

p=0

(

n

p

)

an+1−(p+1)bp+1

)

+

(

n

n

)

bn+1

=

(

n ∑

p=1

(

n

p

)

an+1−pbp

)

+ an+1

(

n ∑

p=1

(

n

p− 1

)

an+1−pbp

)

+ bn+1

=

(

n ∑

p=1

[(

n

p

)

+

(

n

p− 1

)]

an+1−pbp

)

+

(

n+ 1

0

)

an+1 +

(

n+ 1

n+ 1

)

bn+1

=

(

n ∑

p=1

(

n+ 1

p

)

an+1−pbp

)

+

(

n+ 1

0

)

an+1 +

(

n+ 1

n+ 1

)

bn+1

= n+1 ∑

p=0

(

n+ 1

p

)

an+1−pbp

R ♥

C

Propriété 17. Si X ∼ E (λ), alors pour t positif, P (X ∈ [0; t]) = P (X 6 t) =

∫ t

0

λ e−λx dx et P (X > t) = 1− ∫ t 0

λ e−λx dxL'intégrale ∫ t 0 λ e−λx dx se al ule et vaut : [− e−λx]t0 = 1− e−λt.

R ♥

C

MathZani 8

Opération R.O.C. X LOIS DE PROBABILITÉS Propriété 18 (Espéran e). Si X ∼ E (λ), alors

E(X) =

∫ +∞

0

xλ e−λx dx = lim A→+∞

∫ A

0

xλ e−λx dx = 1

λDémonstration. Il faut savoir refaire e al ul. Soit A ∈ R+, on al ule l'intégrale suivante par parties : ∫ A

0 xλ e−λx dx. On pose u(x) = x et v′(x) = λ e−λx, don u′(x) = 1 et v(x) = − e−λx. D'où :

∫ A

0

xλ e−λx dx = [−x e−λx]A0 − ∫ A

0

− e−λx dx

= −A e−λA −[ 1 λ e−λx]A0

= −λA e−λA− e−λA+1

λComme λ est stri tement positif, quand A tend vers +∞, λA aussi et don lim A→+∞

e−λA = 0. En posant B = −λA qui tend vers −∞ quand A tend vers +∞, on obtient :

lim A→+∞

−λA e−λA = lim B→−∞

B eB = 0

Par roissan e omparée. Ainsi, lim A→+∞

−λA e−λA− e−λA+1 λ

= 0− 0 + 1

λ =

1

λ

R ♥

C

MathZani 9

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