Concours Ecole Nationale de la Statistique et de l Analyse Informatique. Deuxième composition de Mathématiques PARTIE I. et comme la fonction t f(t)

Transcription

1 SESSION Concours Ecole Naionale de la Saisique e de l Analyse Informaique Deuième composiion de Mahémaiques PARTIE I. Soien f E e >. La foncion f( es coninue sur ], [ en an que quoien de foncions coninues sur ], [ don le + dénominaeur ne s annule pas sur ], [. Quand end vers, f( + f( e comme la foncion f( es inégrable sur ], ], il en es de même de la foncion f( +. Quand end vers, f( + f( de la foncion f( +. Finalemen, e comme la foncion f( >, la foncion f( es inégrable sur ], [. + es inégrable sur [, [, il en es de même. a. Quand end vers, f( ln(ln e donc > qui n es pas inégrable au voisinage de car ln d = ln(ln ln f n es pas dans E. b. f es coninue sur ], [. Quand end vers par valeurs supérieures, f ( = ln( + se prolonge par coninuié en e es donc inégrable sur ], ]. Quand end vers, f( ln ( = o car 3/ ln 3/ = ln e donc la foncion f( es inégrable sur [, [. On en dédui que f es dans E. 3. a. f es coninue sur ], [, la foncion f( = Arcan négligeable devan en. Donc f E. Soi >. On peu poser u = e on obien se prolonge par coninuié en e f( = Arcan 3 es F( = Arcan u u( + u du = Arcan( ( + d = Arcan( ( + d. f E e >, F( = Arcan( ( + d. hp :// c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.

2 b. Posons Ψ : [, [ ], [ R. (, ϕ(, = Arcan( ( + Pour ou réel de [, [, la foncion Ψ(, es coninue sur ], [ e inégrable sur ], [, car es prolongeable par coninuié en (par e dominée en à qui es inégrable au voisinage de. 3 De plus, Ψ adme sur [, [ ], [ une dérivée parielle par rappor à sa première variable à savoir : La foncion Ψ (, [, [ ], [, vérifie les propriéés suivanes : Ψ (, = ( + ( +. pour ou réel de ], [, la foncion Ψ (, es coninue sur ], [ ; pour ou réel de ], [, la foncion Ψ (, es coninue par morceau sur ], [ ; pour (, ], [ ], [, Ψ (, = + ( + = ϕ(, où ϕ es une foncion coninue, + posiive e inégrable sur ], [. D après le héorème de dérivaion sous le signe somme (ou héorème de Leibniz, G es de classe C sur ], [ e, c. Pour e, G ( =, G ( = Par coninuié de G en, l égalié G ( = Ψ (, d = ( + ( + d = ( + ( + d. ( + + d = [Arcan Arcan(] = π ( = π ( +. π ( + [, [, G ( = rese valable pour =. π ( +. d. Mais alors, pour, puis, G( = G( + G ( d = π + d = π ln( +, [, [, F( = π ln( +. e. La foncion à inégrer es coninue sur ], [, prolongeable par coninuié en e équivalene en à π 4. Cee foncion es inégrable sur ], [. Soien ε e A deu réels els que < ε < A. Les deu foncions e Arcan son de classe C sur le segmen [ε, A]. On peu donc effecuer une inégraion par paries qui fourni : A ε [ Arcan d = ] A A Arcan + ε ε + Arcan d = A Arcan A Quand ε end vers e A end vers, on obien : + Arcan ε ε ( Arcan Arcan d = ( + d = G( = π ln. A Arcan + ε ( + d hp :// c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.

3 ( Arcan d = π ln. 4. a. f es coninue sur ], [, f( = cos( es prolongeable par coninuié en e f( en e donc es inégrable au voisinage de. De nouveau = cos es dominée par b. Pour n N, on a ϕ ( = n n n cos d = + f E. cos(u/n + u du (en posan = u n. Pour n N e u [, [, posons g n (u = cos(u/n + u. chaque foncion g n es coninue e inégrable sur [, [ ; la suie de foncions (g n converge simplemen sur [, [ vers la foncion g : : u qui es coninue + u sur [, [ ; Pour chaque n N e chaque u [, [, on a g n (u sur [, [. = g(u où g es une foncion inégrable + u D après le héorème de convergence dominée, ( lim ϕ = lim g n (u du = g(u du = [Arcanu] π/ n n n = π. ( lim ϕ = π n n. c. Pour >, en posan u =, on obien Par suie, pour >, ϕ( = cosu + u du = cos( + d = cos( + d. ϕ( cos( + d + d = π. d. Pour (, ], [, D aure par, ( ( + = ( +, puis ϕ es bornée sur R +. ( ( + = ( + + ( ( ( = ( + ( + = ( +, puis ( + = ( 3 ( + 3. = ( + + ( ( ( ( + 3 = ( 3 ( + 3. e finalemen, (, ], [, ( ( =. hp :// 3 c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.

4 Pour >, on a ϕ( = ( ( = (erreur d énoncé probable + cos d. On a aussi au vu des rôles symériques joués par e. Soien a e A deu réels els que < a < A. On peu appliquer deu fois le héorème de Leibniz sur [a, A] (e finalemen sur ], [ car pour (, [a, A] [, [, ( + = ( + + ( + = + a + = ϕ (, puis ( + = ( 3 ( + 3 A ( + = 6A ( + 6A (a + = ϕ (, où ϕ e ϕ son des foncions coninues e inégrables sur [, [ ϕ es donc de classe C sur [, [ e pour >, ϕ ( = ( + cos d = Soi alors A >. Deu inégraions par paries fournissen A Quand A end vers, on obien ( [ ( ] A + cos d = + cos [ ϕ ( = A = ( + A cosa + A + ( + cos d. ( + sin + ] A A = ( + A cosa + + A sin A ( + cos d = >, ϕ ( = ϕ(. A sin d A cos d + cos d + cos d = ϕ(. + e. Par suie, il eise deu réels A e B els que ], [, ϕ( = Ae + Be. ( La condiion : ϕ es bornée sur ], [ fourni A = e la condiion lim ϕ n n >, ϕ( = π e e donc = π fourni B = π. Par suie >, cos πe d = +. PARTIE II. On suppose que T es sricemen posiif. Pour k, u k (k+t f( d = T f( d ( f éan T-périodique. Or, la foncion f es coninue, posiive e kt kt kt T T non nulle sur [, T] e donc f( d >. On en dédui que la série de erme général f( d diverge e il en es kt de même de la série de erme général u k. La série de erme général u k diverge. hp :// 4 c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.

5 . (on suppose oujours que T > Puisque la foncion f( es coninue e posiive sur [T, [, cee foncion es inégrable au voisinage de [ si e seulemen si la série de erme général u k converge (comparaison série-inégrale, ce qui n es pas. Donc, la foncion f( n es pas inégrable au voisinage de e ( y 3. Soi y > T. Posons p = E. On a T p h(y = Mainenan, my E ce qui monre que D aure par, k= Ainsi, la foncion y. (k+t kt y f( d + f( d = ( y T mt my + mt e donc, f / E. p T k= E( y T mt my y ( y y f( d + f( d = E mt + f( d. T + T y, ( y my E mt end vers quand y end vers. T y y Finalemen, quand y end vers, h(y my y f( d f( d (p+t f( d = f( d es bornée au voisinage de, e donc end vers ou encore h(y my. y my T y f( d. f( d end vers quand y end vers 4. Soien > e A >. Les deu foncions h( e + son de classe C sur [, A]. On peu donc effecuer une inégraion par paries qui fourni A Quand A end vers, par, [ ] A f( h( A + d = ( h( + ( + d = Ah(A A + A ( h( ( + d. Ah(A + A A ma A = m e donc Ah(A a une limie réelle quand A end vers. D aure + A ( h( ( + m 4 = m >. Cee dernière foncion n éan pas inégrable au voisinage de, il en es de même de la foncion ( h( ( +. A ( h( Mais alors, cee foncion éan de signe consan au voisinage de, ( + d n a pas de limie réelle quand A f( A end vers, e finalemen d n a pas de limie réelle quand A end vers Supposons m =. Dans ce cas, le calcul fai en 3. fourni h(y = y y f( d f( d (p+t f( d = T f( d. hp :// 5 c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.

6 La foncion h es donc bornée au voisinage de. Mais alors, quand A end vers, Ah(A pariculier, end vers. + A D aure par, quand end vers, ( h( ( + = O ( ( Ah(A + A = O A ( h( e la foncion ( + es inégrable au voisinage A ( h( A f( de. On en dédui que ( + d a une limie réelle quand A end vers, e finalemen que + d a une limie réelle quand A end vers.. Pour (, (,, Puis, ( + i ( i + i ( + i( i ( k k k k + ( + ( PARTIE II = ( i i + i ( ( k k! ( i k+ ( k k! ( + i k+ = i k! i k+ + k! i k+ k N, (, R \ {(, }, k k. Mais alors, pour k N, = ( +. k! ( + (k+/. k! ( + (k+/. e en. a Posons Φ : ], [ ], ] R. f( (, + On sai déjà que, pour chaque ], [ la foncion Φ (, es coninue e inégrable sur ], ]. Φ adme sur ], [ ], ] des dérivées parielles à ou ordre de la forme où P es un polynôme à deu variables. Ensuie, k ( Φ k f( (, = k k + (, = P k(, ( + f(, k+ - pour chaque ], ], la foncion k Φ (, es coninue sur ], [ ; k - pour chaque ], [, la foncion k Φ (, es coninue sur ], ] ; k -enfin, pour majorer k Φ (, k uniformémen en, on fie deu réels a e A els que < a < A. On minore P k (, le dénominaeur de ( + k+ par (a k+, on majore le numéraeur par une somme de valeurs absolues où chaque epression en es majorée par une epression en A. Il rese k Φ (, k Q k( f( = ϕ k (, où Q k es un polynôme. Par suie, quand end vers, ϕ k ( = O(f( e donc ϕ k es une foncion coninue e inégrable sur ], ]. Le ravail précéden éan valable pour ou choi de a e A, le héorème de Leibniz généralisé, l applicaion ( f( + d es de classe d k f( C sur ], [ e >, d k + d d k ( f( = d k + d. b Posons Φ : ], [ [, [ R. f( (, + Le ravail es idenique à celui effecué pour Φ sauf la majoraion. La quesion précédene monre que pour (, ], [ [, [, hp :// 6 c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.

7 k Φ (, k k! k! f( f( ( + (k+/ k+ f( = ϕ k (, avec encore une fois ϕ k coninue e inégrable sur [, [. Par suie, l applicaion d k ( f( sur ], [ e >, d k + d d k ( f( = d k + d. Finalemen F es de classe C sur ], [ e k N, ], [, F (k ( = f( d es de classe C + k ( k + d. PARTIE IV. Pour chaque [, [, l applicaion f( es coninue par morceau sur [, [ ; + Pour haque [, [, l applicaion f( es coninue sur [, [ ; + Pour (, [, [ [, [, f( + f( = f( = ϕ(. Puisque ϕ es coninue e inégrable sur [, [, le héorème de coninuié des inégrales à paramères perme d affirmer que Φ es coninue sur R +.. Soi >. Les deu foncions f( e ln( + son de classe C sur le segmen [, ]. On peu donc effecuer une inégraion par paries e on obien [ ] + f( d = ln( + f( ln( + f ( d = f( ln( + f(ln ln( + f ( d. Quand end vers, on a déjà f( ln( + f(ln = f(ln + O(. Ensuie, f es de classe C sur R + e en pariculier, f es bornée sur [, ]. On noe M un majoran de f sur [, ]. On suppose de plus ], ]. Pour [, ], on a alors ln ln( + ln( + e donc { ln( + f ( ma M ln, M } ln( + = g(. Chacune des deu foncions g : M ln e g : M ln( + es coninue e inégrable sur ], ] e donc g : (g + g + g g l es aussi. Ainsi, pour ou [, ], ln( + f ( d ln( + f ( d g( d <. Mais alors, quand end vers, on a ln( + f ( d = O( e on en dédui que + f( d = f(ln + O(. Enfin, puisque Φ es coninue sur R +, Φ es en pariculier bornée au voisinage de e donc quand end vers, F( = + f( d + + f( d = f(ln + O( + Φ( = f(ln + O(. Comme la foncion ln n es pas bornée au voisinage de e que f(, on a finalemen F( f(ln. hp :// 7 c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.

8 [ 3. a. Pour >, + d = Arcan ] = Arcan. >, + d = Arcan. b. Soi >. F( = f( + d + = Arcan + f( + d = + d (f( d + Φ( = π Arcan + Φ( + π Puisque φ es coninue en, on a déjà lim Arcan +Φ( = π > (f( d + Φ(. Il rese à vérifier que lim > + (f( d. + (f( d =. Soi ε >. Puisque f( équivau à quand end vers, a ], [ el que, pour ], a], f( ε. Pour ou réel π >, on a alors a + (f( d + (f( d + a + (f( d ε a π + d + a + (f( d ε π + d + ε π Arcan + a + (f( d ε + a + (f( d. Mainenan, pour chaque [, [, la foncion + la foncion + (f( es coninue sur [, [. Enfin, à fié, d que à fié, l epression (, [, [ [a, ], avec ϕ foncion coninue e inégrable sur [a, ]. + croî sur [, ] de à puis décroî sur [, [ de a + (f( d (f( es coninue sur [a, ] e pour chaque [a, ], ( d + = ( +. Ce qui monre + (f( f( = ϕ(, à. On en dédui que pour ou Le héorème de coninuié des inégrales à paramères monre que la foncion foncion a + (f( d es coninue sur R + e en pariculier, lim a + (f( d = a + (f( d =. Par suie, il eise α > el que pour ], α[, + (f( d < ε. Pour ], α[, on a alors donc que a + (f( d < ε + ε lim F( = π. = ε. On a monré que lim + (f( d = e hp :// 8 c Jean-Louis Rouge, 8. Tous drois réservés.