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$$ \newcommand{\SetN}{\mathbb{N}} \newcommand{\SetR}{\mathbb{R}} \newcommand{\SetC}{\mathbb{C}} \newcommand{\SetK}{\mathbb{K}} \newcommand{\SetZ}{\mathbb{Z}} \newcommand{\SetQ}{\mathbb{Q}} \newcommand{\SetU}{\mathbb{U}} \newcommand\ds[0]{\displaystyle} \newcommand\PCar[1]{\large{\chi}_{#1}} \newcommand{\=}{\:=\:} \newcommand\tendvers[2]{\displaystyle\mathop{\longrightarrow}_{#1\rightarrow#2}} \newcommand\tr[0]{\:^t\!} \newcommand\limite[2]{\displaystyle\mathop{\text{lim}}_{#1\rightarrow#2}\:} \newcommand\Sup[1]{\displaystyle\mathop{sup}_{#1}} \newcommand\Inf[1]{\displaystyle\mathop{inf}_{#1}} \newcommand\Haut[1]{} \newcommand\vect[1]{\overrightarrow{#1}} \newcommand\tendversCU[0]{\:\displaystyle\mathop{\Large\longrightarrow}_{n\rightarrow+\infty}^{_{CU}}\:} \newcommand\tendversCS[0]{\:\displaystyle\mathop{\Large\longrightarrow}_{n\rightarrow+\infty}^{_{CS}}\:} \newcommand\tendversCN[0]{\:\displaystyle\mathop{\Large\longrightarrow}_{n\rightarrow+\infty}^{_{CN}}\:} \newcommand\tendversCUS[0]{\:\displaystyle\mathop{\Large\longrightarrow}_{n\rightarrow+\infty}^{_{CUS}}\:} \newcommand\tendversNorme[1]{\:\displaystyle\mathop{\Large\longrightarrow}_{n\rightarrow+\infty}^{#1}\:} \newcommand\simL[0]{\displaystyle\mathop{\sim}_{^{^L}}} \newcommand\simC[0]{\displaystyle\mathop{\sim}_{^{^C}}} \newcommand\simLC[0]{\displaystyle\mathop{\sim}_{^{^{LC}}}} \newcommand\fonction[5]{ \begin{array}{cccc} #1\::\:& #2 & \rightarrow & #3 \\ & #4 & \mapsto & \ds #5 \ \end{array}} $$


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Nombre d'exos par page :


Type de convergence de $\mathbf{(f^n)}$ avec $f$ strictement contractante.
Soit $f$ une application $k$-lipschitzienne de $\SetR$ dans $\SetR$ avec $k<1$. On dit que $f$ est strictement contractante. De plus dans tout l'exercice $f^n$ désigne $$f^n\:\=\:f\;o\;f\;o\;...\;o\;f$$ $n$ fois.

Partie I. Théorème de Picard. Considérons une suite $(u_n)$ vérifiant $u_{n+1}=f(u_n)$.
  1. Montrer que $$\forall n\in\SetN,\:\:|u_{n+1}-u_n|\:\leq\: k^n|u_1-u_0|$$
  2. Montrer que la série $\sum u_{n+1}-u_n$ est convergente. En déduire que $(u_n)$ est convergente.
  3. Montrer que $f$ admet un unique point fixe que l'on notera $x_0$.


Partie II. Type de convergence de $(f^n)$.
  1. Déterminer la convergence simple de $(f^n)$.
  2. En considérant la fonction $g(x)=\frac{x}{2}$, montrer que la convergence peut ne pas être uniforme sur $\SetR$.
  3. Montrer que pour tout $x$ de $\SetR$, on a : $$\left|f^n(x)-x_0\right|\:\leq\:k^n|x-x_0|$$
  4. En déduire que $(f^n)$ converge uniformément sur tout segment de $\SetR$.
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$\varphi(M)=AM$ sur un exemple.
Soit $a$ dans $\SetR$ et : $$ A=\left( \begin{array}{ll} 1&1\\ 0&a\\ \end{array} \right) \hskip2cm \fonction{\varphi_A}{\mathcal{M}_n(\SetR)}{\mathcal{M}_n(\SetR)}{M}{AM} $$
  1. On admet que $\varphi_A$ est linéaire. Déterminer sa matrice dans la base canonique : $$\beta\=\left( \left(\begin{array}{ll} 1&0\\ 0&0\\ \end{array}\right)\:,\: \left(\begin{array}{ll} 0&1\\ 0&0\\ \end{array}\right)\:,\: \left(\begin{array}{ll} 0&0\\ 1&0\\ \end{array}\right)\:,\: \left(\begin{array}{ll} 0&0\\ 0&1\\ \end{array}\right) \right)$$
  2. Comparer $\text{Sp}(A)$ et $\text{Sp}(\varphi_A)$, $\text{det}(A)$ et $\text{det}(\varphi_A)$ puis $\text{tr}(A)$ et $\text{tr}(\varphi_A)$.
  3. Montrer que : $$ A\text{ diagonalisable} \:\:\:\:\Longleftrightarrow \:\:\:\:a\neq 1\:\:\:\: \Longleftrightarrow\:\:\:\: \varphi_A\text{ diagonalisable} $$
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Type de convergence de séries de fonctions.
Étudier le type de convergence des séries de fonctions de terme général $\:(f_n)\:$ définie par : $$\begin{array} {lllll}% 1.&\ds f_n(x)=\frac{(-1)^n}{n+x^2}\text{ sur }\SetR&~\hskip2.8cm~& 2.&\ds f_n(x)=\frac{1}{n+n^2x^4}\text{ sur }]0,+\infty[\\[0.6cm] 3.&f_n(x)=x^{2n}\:\text{ sur }\:[0;1[&& 4.&f_n(x)=\sin(x)\cos^n(x)\text{ sur }[0,\pi]\\[0.6cm] 5.&\Haut{0.9}\ds f_n(x)=\frac{xe^{-nx}}{\ln(n)}\text{ sur }\SetR^+&& 6.&f_n(x)=\ds x^n(1-x^n)\text{ sur }[0,1]\\ \end{array}$$
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Matrices par blocs
Soient $A \in \mathcal{M}_n(\SetR)$ et $$ B = \begin{pmatrix} A & A \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_{2n}(\SetR). $$
  1. Donner le rang de $B$ en fonction du rang de $A$.
  2. Montrer que, pour tout $P \in \SetR[X]$, $$ P(B) = \begin{pmatrix} P(A) & P(A) \\ 0 & 0 \end{pmatrix} + P(0)\begin{pmatrix} 0 & -I_n \\ 0 & I_n \end{pmatrix}. $$
  3. Montrer que $A$ est diagonalisable si et seulement si $B$ est diagonalisable.
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Probabilité que la nème décimal de $\sqrt{k}$ soit 1.
Le but de l’exercice est de déterminer $($dans un sens que l'on précisera$)$ la probabilité, pour un entier naturel $n$ pris au hasard, que le premier chiffre après la virgule de $\sqrt{n}$ soit égal 1.

Notons $A$ l'ensemble des entiers naturels $n$ dont le premier chiffre après la virgule de $\sqrt{n}$ est 1. On a donc : $$ A\=\Big\{k\in\SetN\:\:/\:\:{\textstyle\frac{1}{10}}\:\leq\:\sqrt{k}-\lfloor\sqrt{k}\rfloor\:< \:{\textstyle\frac{2}{10}}\Big\} $$ où $\lfloor.\!.\!.\rfloor$ désigne la fonction partie entière. Soit $n$ dans $\SetN$. Notons $n_1$ et $n_0$ respectivement le quotient et le reste de la division euclidienne de $n$ par 5. On a donc : $$n\=5n_1\:+\:n_0\hskip2cm\text{et}\hskip2cmn_0\in\{0,1,2,3,4\}$$
  1. Montrer que : $$ k\in A\cap\left[\!\left[n^2,(n+1)^2\right[\!\right[ \:\:\:\:\Longleftrightarrow\:\:\:\: \left\{\begin{array}{ll} k-n^2-n_1\in[\![1,n_1]\!]&\text{si }n_0\in\{0,1,2\}\\ k-n^2-n_1\in[\![1,n_1+1]\!]&\text{si }n_0\in\{3,4\}\\ \end{array} \right.$$
  2. Montrer que : $$ \sum_{k=0}^{n-1}\left\lfloor\frac{k}{5}\right\rfloor\:\=\:\frac{5n_1(n_1-1)}{2}\:+\:(n_0-1)n_1 \:\:\mathop{\sim}_{n\to+\infty}\:\:\frac{n^2}{10} $$
  3. Pour tout $k$ de $\SetN$, notons : $$u_k\:\=\:\text{card}\left( A\cap\left[\!\left[0,k\right]\!\right] \right)$$ Montrer que : $$ u_{n^2}\:\mathop{\sim}_{+\infty}\:\frac{n^2}{10} $$
  4. Posons $\Omega=[\![0;N]\!]$ et notons $p$ la probabilité uniforme sur $\left(\Omega,\mathcal{P}(\Omega)\right)$. De plus notons $A_N$ l'événement : $$ A_N\:\=\:A\cap\left[\!\left[0,N\right]\!\right] $$ Montrer que : $$ \limite{N}{+\infty} p(A_N)\:\:\=\:\:\frac{1}{10} $$
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Loi du max de 2 dés.
On lance deux dés à six faces parfaitement équilibrés. On note $X$ le plus grand des numéros obtenus. Déterminer la loi de $X$.
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J.C. VanDamme et Markov.
Commençons par une citation de J.C. VanDamme : $$\left|\begin{array}{l} \text{" J'adore les cacahuètes. Tu bois une bière et tu en as marre du goût. Alors tu manges des cacahuètes. }\\ \text{Les cacahuètes c'est doux et salé, fort et tendre, comme une femme. Et après tu as de nouveau envie de boire }\\ \text{de la bière. Les cacahuètes c'est le mouvement perpétuel à la portée de l'homme ". }\\ \end{array}\right.$$ Supposons que lorsque J.C. VanDamme boive une gorgée de bière, il y a 2 chances sur 3 qu'il mange des cacahuètes à l'instant d'après et donc 1 sur 3 qu'il reprenne de la bière. Inversement quand il prend une poignée de cacahuètes, il y a 1 chance sur 2 qu'à l'instant d'après il boive une gorgée de bière et donc une sur 2 qu'il reprenne des cacahuètes. Notons $B_n$ et $C_n$ les événements : $$ \begin{array} {lll}% B_n &:& \text{"J.C. VanDamme boit de la bière à l'instant n"}\\ C_n &:& \text{"J.C. VanDamme mange des cacahuètes à l'instant n"} \end{array}% $$ et $b_n$ et $c_n$ leurs probabilités.
  1. Posons $X_n=\left( \begin{array} {ccc}% b_n\\ c_n\\ \end{array}\right)% $ Déterminer une relation de récurrence sur les $X_n$
  2. En déduire $b_n$ et $c_n$ en fonction de $n$.
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$P(\SetZ)\subset\SetZ$
Notons $H_0=1$ et pour tout $n$ de $\SetN^*$ : $$H_n\=\frac{X(X-1)...(X-n+1)}{n!}$$ De plus, on pose $A$ et $B$ les ensembles définis par : $$ A\=\text{Vect}_{_\SetZ}(H_0,H_1,H_2,...) \hskip2cm B\=\Big\{P\in\SetR[X]\:/\:P(\SetZ)\subset\SetZ\Big\} $$ Ainsi $A$ est l'ensemble des combinaisons linéaires des $(H_n)_{n\in\SetN}$ à coefficients dans $\SetZ$. Le but est de montrer que $A=B$.
  1. Montrer que : $$\forall n\in\SetN,\:\:\forall k\in\SetZ,\:\:H_n(k)\in\SetZ$$ En déduire que $A\subset B$.
  2. Posons pour tout $P$ de $\SetR[X]$ : $$\Delta(P)\=P(X+1)-P(X)$$ Montrer que $\Delta$ est une application linéaire. Quel est son noyau ? Puis vérifier que : $$\forall n\in\SetN^*,\:\:\Delta(H_n)\=H_{n-1}$$
  3. En déduire que $B\subset A$. On pourra raisonner par récurrence sur le degré du polynôme $P$ choisi.
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Valeurs propres des matrices stochastiques
Soit $A=(a_{ij})$ une matrice stochastique, $\lambda$ une valeur propre de $A$ et $X=(x_1\:...\:x_n)^T$ un vecteur propre associé.
  1. Soit $i_0$ l'indice vérifiant : $$|x_{i_0}|\=\|X\|_\infty\=\mathop{\text{Max}}\Big\{|x_1|,\:|x_2|,\:...,\:|x_n|\Big\}$$ Montrer que : $$\lambda x_{i_0}\=\sum_{j=1}^na_{i_0j}x_j$$
  2. Montrer que 1 est une valeur propre de $A$. Donner un de ses vecteurs propres.
  3. Montrer que les valeurs propres $\lambda$ de $A$ vérifie $|\lambda|\leq 1$.
  4. Supposons que $A$ est strictement stochastique. Rappeler le cas d'égalité dans l'inégalité triangulaire de la valeur absolue, puis montrer que : $$|\lambda|= 1\hskip0.5cm\Longrightarrow\hskip0.5cm x_1=x_2=...=x_n$$
  5. En déduire que pour une matrice strictement stochastique : $$ \left\{\begin{array}{ll} \lambda=1\:\text{ ou }\:|\lambda|<1 \\ E_1\=\text{Vect}(U)\\ \end{array} \right. $$
  6. Montrer que pour tout $M$ de $\mathcal{M}_n(\SetR)$, on a $\PCar{A}=\PCar{A^T}$. En déduire que les résultats pourtant sur les valeurs propres d'une matrices anti-stochastique sont similaires.
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Matrices stochastiques.
Notons $U$ la matrice colonne de $\mathcal{M}_{n1}(\SetR)$ ne contenant que des 1.
  1. Montrer que la matrice $A=(a_{ij})$ est stochastique si et seulement si : $$\left\{\:\begin{array}{l} \forall i,j\in[\![1,n]\!],\:\:a_{ij}\geq 0\\[0.15cm] AU=U\\ \end{array}\right.$$
  2. Montrer que le produit de matrices stochastiques est encore stochastique.
  3. Montrer que l'ensemble des matrices stochastiques est un convexe de $\mathcal{M_n}(\SetR)$.
  4. Que se passe-t-il dans le cas des matrices anti-stochastiques ?
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Eric Reynaud. PSI, Lycée A.Daudet, Nîmes