Programme de mathématiques TSI1

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1 Programme de mathématiques TSI1 1. PROGRAMME DE DÉBUT D ANNÉE I. Nombres complexes et géométrie élémentaire 1. Nombres complexes 1 2. Géométrie élémentaire du plan 3 3. Géométrie élémentaire de l espace 5 II. Fonctions usuelles et équations différentielles linéaires 1. Fonctions usuelles 2 2. Équations différentielles linéaires 4 3. Courbe paramétrées, coniques 6 2. ANALYSE ET GÉOMÉTRIE DIFFÉRENTIELLE I. Nombres réels, suites et fonctions 1. Suites de nombres réels 7 2. Fonctions d une variable réelle à valeurs réelles 9 II. Calcul différentiel et intégral 1. Dérivation des fonctions à valeurs réelles Relations de comparaison, développements limités Intégration Approximation... III. Notions sur les fonctions de deux variables 1. Calcul différentiel Calcul intégral ALGÈBRE I. Nombres et structures algébriques usuelles 1. Vocabulaire relatif aux ensembles et aux applications Ensembles finis, ensembles de nombres 8 4. Polynômes 10 II. Algèbre linéaire 1. Espaces vectoriels Dimension des espaces vectoriels Calcul matriciel Complément de calcul matriciel : systèmes linéaires et déterminants 18

2 Progression de mathématiques Année scolaire 2011 / / 4 Chapitre 1 : Nombres complexes (2s) Ensemble des nombres complexes : formes algébrique et trigonométrique, conjugaison. Groupe U et applications : trigonométrie, racines n-ièmes. Compléments : équations du second degré, exponentielle complexe. Nombres complexes et géométrie plane : distance, angle, barycentre, transformations usuelles. Annexes : construction du corps C (loi de composition interne, associativité, commutativité, élément neutre, éléments inversibles pour une loi associative admettant un élément neutre, structure de groupe, de corps), trigonométrie. Chapitre 2 : Fonctions usuelles (2s) Fonctions polynômiales et rationnelles : racines, méthode d identification, limites. Fonctions exponentielles, logarithmes et puissances : propriétés, exponentielle complexe, fonctions exponentielles et logarithmes en base a, croissances comparées. Fonctions circulaires et réciproques : propriétés analytiques (dérivabilité). Fonctions circulaires hyperboliques et réciproques : propriétés, relations ch 2 t sh 2 t = 1 et e t = ch t + sh t. Annexe : vocabulaire relatif aux fonctions et aux applications (image directe et réciproque d un ensemble, injection, surjection, bijection, restriction d une application). Chapitre 3 : Géométrie élémentaire du plan (2s) Repérages du plan : coordonnées cartésiennes, polaires, changement de repères. Produit scalaire et déterminant : définition, propriétés, applications. Déterminant : définition, propriétés, applications aux alignements. Droites et cercles : équations normales de droites, représentations paramétriques de droites. Distance d un point à une droite. Équations de cercles (par un diamètre ou par centre et rayon). Intersections. Similitudes du plan : définition, écriture complexe, cas des isométries usuelles. Annexe : notion d espace vectoriel. Chapitre 4 : Équations différentielles Rappels sur les primitives et intégrales : définitions, propriété. Équations différentielles linéaires du premier ordre : définitions, caractérisations de t e at, résolution de l équation différentielle linéaire du premier ordre, principe de superposition. Équations différentielles linéaires du second ordre : définitions, résolution de l équation différentielle linéaire du second ordre sans second membre, avec second membre, principe de superposition. Annexes : continuité, dérivabilité, classe C k, primitives usuelles, complément au vocabulaire relatif aux applications (composition, application identité, prolongement). Vacances de Toussaint Chapitre 5 : Géométrie élémentaire de l espace (2s) Généralités : orientation de l espace, coordonnées cartésiennes, cylindriques, sphériques. Produit scalaire, produit vectoriel, déterminant : définition, propriétés. Droites et plans : représentation paramétrique d une droite, équation cartésienne de plan, intersection de droites et plans, distance d un point à un plan, à une droite, perpendiculaire commune à deux droites. Sphères : équation cartésienne, intersection d une sphère et d une droite, d une sphère et d un plan. Annexes : Applications affines et linéaires de l espace, vocabulaire élémentaire relatif aux ensembles (inclusion, réunion, intersection, complémentaire). Chapitre 6 : Courbes paramétrées, coniques (2s) Courbes planes paramétrées : définitions (fonction vectorielle, courbe paramétrée), continuité, dérivation, classe C k d une fonction vectorielle, tangente, interprétation cinématique, dérivation d un produit scalaire, d une norme, d un déterminant, étude des branches infinies. Coniques : définitions, étude de la parabole, coniques à centre (définition bifocale), étude de l hyperbole (équation réduite, représentation paramétrique, asymptotes), étude de l ellipse (équation réduite, représentation paramétrique, cercle principal, projection orthogonale d un cercle dans l espace). Annexe : formulaire relatif aux coniques à centre, équations des tangentes (règle du dédoublement).

3 Progression de mathématiques Année scolaire 2011 / / 4 Chapitre 7 : Suites de nombres réels Nombres entiers naturels : propriétés fondamentales de N. Corps R des nombres réels : relation d ordre (compatibilité avec + et ), majorant, minorant, borne supérieure, inférieure, intervalle, valeur absolue, inégalité triangulaire. Suites de nombres réels : définitions, suites majorées, minorées, bornées, monotones, récurrence, symboles et, suites arithmétiques et géométriques. Limite d une suite : définitions, convergence et divergence, espace vectoriel des suites convergeant vers 0, opérations algébriques, passage à la limite, théorèmes de comparaison, des gendarmes. Convergence d une suite croissante majorée, suites adjacentes, suites extraites. Relations de comparaison : définitions (o, O et ), propriétés, comparaison des suites de référence. Extension au cas complexe : convergence et divergence de suites complexes, opérations algébriques et limites. Annexe : Exemples simples d algorithmes itératifs et récursifs. Fonctions d une variable réelle à valeurs réelles : définition, opérations, relation d ordre, fonctions majorées, minorées, bornées, extremum, fonctions croissantes, décroissantes. Espaces vectoriels des fonctions paires, impaires, T -périodiques. Étude locale d une fonction : voisinage, limite (limites à gauche, à droite), espace vectoriel des fonctions tendant vers 0 en a, produit par une fonction bornée. Opérations algébriques et limites, composition. Relation d ordre et limite (théorèmes de comparaison, des gendarmes). Limite d une fonction monotone. Fonctions continues sur un intervalle : définition, cas des fonctions usuelles, opérations algébriques et continuité (composition). Espace vectoriel C(I). Restriction, prolongement par continuité. Image d un intervalle, d un segment par une fonction continue, théorème des valeurs intermédiaires. Fonction réciproque. définition, parties réelles et imaginaires, module, conjugué, fonction bornée, limite d une fonction à valeurs complexes. Opérations algébriques et limites, continuité. Annexes : calcul approché des zéros d une fonction par dichotomie, par la méthode de Newton. Vacances de Noël Chapitre 8 : Ensembles finis, ensembles de nombres (2s) Ensembles finis : définitions, opérations élémentaires sur les ensembles (union, produit). Dénombrements : dénombrement des applications de E dans F, des parties de E, des permutations de E, combinaison (nombre de combinaisons, propriétés, triangle de Pascal). Vocabulaire relatif aux groupes et aux ensembles de nombres : groupe (exemples), sousgroupe, morphisme, ensemble Q (opérations). Arithmétique dans Z : ensemble Z (structure de groupe et propriété de la multiplication), multiples et diviseurs, division euclidienne, nombre premier, décomposition en produit de nombres premiers. Ensemble Q : définition, développement décimal d un nombre réel. Calculs dans R ou C : formule du binôme, factorisation de x n y n. Annexe : valeur approchée rationnelle de réels remarquables (e, π, 2,... ). Chapitre 9 : Fonctions d une variable réelle à valeurs réelles (2s) Chapitre 10 : Polynômes (2s) Ensemble K[X] des polynômes à une indéterminée : définitions (degré, polynôme unitaire, espace vectoriel K p [X]), opérations algébriques, composition, multiples et diviseurs, division euclidienne. Fonctions polynômiales : définitions, racine, ordre de multiplicité, identification P et P. Polynômes dérivés : définitions, propriétés (linéarité, dérivation d un produit), dérivées successives, formule de Leibniz, lien avec l ordre de multiplicité. Polynômes scindés : définitions, somme et produit des racines d un polynôme scindé, théorème de d Alembert-Gauss, polynôme irréductible, décomposition d un polynôme dans C[X], R[X]. Vacances de Février Chapitre 11 : Dérivation des fonctions à valeurs réelles (2s) Dérivée en un point, fonction dérivée : dérivabilité en un point (interprétations), dérivabilité sur un intervalle, opérations algébriques, dérivée d une composée, fonctions réciproques. Dérivées successives (formule de Leibniz). Étude globale des fonctions dérivables : théorème de Rolle, égalité et inégalité des accroissements finis, théorèmes limite de la dérivée. Caractérisations des fonctions constantes, monotones, strictement monotones parmi les fonctions dérivables.

4 Progression de mathématiques Année scolaire 2011 / / 4 dérivabilité en un point, opérations algébriques, caractérisation des fonctions constantes (contre-exemple concernant le théorème de Rolle dans le cas complexe), dérivées successives (formule de Leibniz). Annexes : dérivées des fonctions usuelles, règles de dérivation, application du théorème des accroissements finis au calcul approché du point fixe d une fonction par utilisation d une suite définie par récurrence. Chapitre 12 : Espaces vectoriels (2s) Espaces vectoriels : espaces vectoriels sur K et sousespaces vectoriels (exemples usuels), combinaisons linéaires, intersection de sous-espaces vectoriels (sousespace engendré), somme de deux sous-espaces vectoriels (sous-espaces supplémentaires). Applications linéaires : définitions, opérations algébriques (structure de L(E, F ), composition, réciproque, isomorphisme, automorphisme, groupe linéaire GL(E, F )), équation linéaire (noyau et image), projecteurs et symétries. Annexe : exemples d endomorphismes de #» P et #» E. Chapitre 13 : Relations de comparaison, développements limités Relations de comparaison : définitions (prépondérance, domination, équivalence), opérations relatives à la prépondérance, la domination, opérations relatives à l équivalence, comparaison des fonctions de référence. Développements limités : définition, propriétés (unicité, parité), formule de Taylor-Young, opérations algébriques (somme, produit, composition, inverse), dérivation et primitive. Applications aux calculs de limites, à l étude des points singuliers. Annexe : Développements limités usuels. Chapitre 14 : Dimension des espaces vectoriels (2s) Famille de vecteurs : rappel sur les combinaisons linéaires, image par une application linéaire, familles génératrices, familles libres, liées, bases, bases canoniques. Dimension d un espace vectoriel : espace vectoriel de dimension finie, théorème de la base incomplète (existence de bases), théorie de la dimension, espaces vectoriels isomorphes. Dimension d un sous-espace vectoriel : propriétés de la dimension d un sev d un ev de dimension finie (cas d égalité), rang d une famille de vecteurs, sous-espace vectoriel supplémentaire, formule de Grassmann. Rang d une application linéaire : définition, théorème du rang, caractérisation des isomorphismes, automorphismes, des hyperplans. Vacances de Pâques Chapitre 15 : Intégration (2s) Fonctions en escalier, fonctions continues par morceaux : défintions, espaces vectoriels des fonctions en escalier, continues par morceaux, approximation des fonctions continues par morceaux par des fonctions en escalier. Intégrale d une fonction en escalier : définition (intéprétation géométrique), propriétés (linéarité, croissance, relation de Chasles). Intégrale d une fonction continue par morceaux : définition (intéprétation), propriétés (linéarité, relation de Chasles), invariance par translation, propriétés liées à la croissance, inégalité de la moyenne, valeur moyenne, cas où l intégrale d une fonction continue positive est nulle. définitions, propriétés. Primitives et intégrale d une fonction continue : définition d une primitive (cas où la fonction est continue par morceaux), lien entre primitive et intégrale, intégration par parties, changement de variables. Formules de Taylor : formule de Taylor avec reste intégral, inégalité de Taylor-Lagrange. Annexes : calcul approché d une intégrale par la méthode des rectangles et des trapèzes (subdivisions dichotomiques), démonstration de la formule de Taylor- Young, méthodes usuelles de recherche de primitives. Chapitre 16 : Calcul matriciel (2s) Opérations sur les matrices : définitions, espace vectoriel M n,p (K), multiplication matriciel, matrices particulières (nulle, ligne, colonne, diagonale, triangulaire), transposition. Matrices et applications linéaires : matrice associée à une application linéaire, matrice et formes linéaires, isomorphisme entre L(E, F ) et M n,p (K), écriture matriciel de l image d un vecteur par une application linéaire, d une composition, matrices associées à l identité. Matrices carrées remarquables : groupe GL n (K), matrice de passage (formules de changement de bases), matrices symétriques et antisymétiques. Rang d une matrice : définition, invariance par transposition.

5 Progression de mathématiques Année scolaire 2011 / / 4 Annexe : notion d algèbre et de morphisme d algèbres, matrices des endomorphismes usuels de P #» et #» E. Chapitre 17 : Calcul différentiel Notion de continuité : définition (limite nulle, continuité), interprétation graphique. Dérivées partielles premières : définitions (dérivées partielles, gradient, classe C 1 ), composition (avec une fonction de I dans R 2 ), recherche d extremums. Dérivées partielles d ordre 2 : théorème de Schwarz, exemples. Annexe : exemple d équation aux dérivées partielles (équation des cordes vibrantes). Chapitre 18 : Complément de calcul matriciel : systèmes et déterminants Systèmes d équations linéaires : définition (système homogène associé), ensemble des solutions, rang d un système, systèmes de Cramer, exemples de résolutions de systèmes. Déterminants d ordre 2 et 3 : déterminant en dimension 2 et 3, caractérisation des bases, systèmes de Cramer d ordre 2 ou 3, calcul d un déterminant par développement selon une rangée. Déterminants et endomorphismes : définition, composition, caractérisation des automorphismes, application à l orientation du plan et de l espace. Annexe : méthode du pivot de Gauss. Chapitre 19 : Calcul intégral Généralités : définition d une intégrale double, propriétés (positivité, linéarité, additivité), interprétation. Calculs d intégrales doubles : description hierarchisée, calcul par intégrations successives, théorème de Fubini, applications (masses, centres et moments d inertie).