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Durée : quatre heures. Calculatrices interdites. Trois exercices indépendants.
Exercice 1 — Racine cubique d’une matrice
Soit {n\in\mathbb N^*}. Une racine cubique de {A\in\mathcal M_n(\mathbb R)} est une matrice {B\in\mathcal M_n(\mathbb R)} telle que {B^3=A}.
Partie I — Étude d’un exemple
On cherche toutes les racines cubiques de {A=\begin{pmatrix}4&-12\\[8pt]-1&5\end{pmatrix}.}
Q 1. Justifier l’existence de {P\in\operatorname{GL}_2(\mathbb R)} telle que {A=PDP^{-1}}, où {D=\operatorname{diag}(1,8)}, sans nécessairement expliciter {P}.
Dans un plan euclidien orienté {E} muni d’une base orthonormée directe {\mathcal B}, on considère, pour {\theta\in\mathbb R}, {M=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\[8pt]\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}.}
Q 5. Quelle est la nature de l’endomorphisme {u} dont la matrice dans {\mathcal B} est {M} ?
On cherche les fonctions {f:]0,+\infty[\to\mathbb R} satisfaisant les quatre conditions {(C)} : (i){f} est de classe {\mathcal C^1} ; (ii){f(x+1)-f(x)=\ln x} pour tout {x>0} ; (iii){f'} est croissante ; (iv){f(1)=0}.
Partie I — Existence de la solution
Pour {n\geq1} et {x>0}, on définit {u_n(x)=x\ln\left(1+\frac1n\right)-\ln\left(1+\frac xn\right).}
Q 14. Montrer que {\sum\limits_{n\geq1}u_n} converge simplement sur {]0,+\infty[}.
Dans la suite, on pose {\varphi(x)=-\ln x+\sum_{n=1}^{+\infty}u_n(x),\quad x>0.}
Q 15. Justifier que chaque {u_n} est de classe {\mathcal C^1}, puis trouver une suite {(\varepsilon_n)} telle que {\sum\varepsilon_n} converge absolument et {u_n'(x)=\frac{x}{n(n+x)}+\varepsilon_n.}
Une urne contient {n\geq1} boules numérotées de {1} à {n}. Les tirages se font avec remise. Les variables {(X_k)_{k\geq1}} sont indépendantes et uniformes sur {\llbracket1,n\rrbracket}.
On note {T_n} le rang de la première répétition : {\begin{array}{l}T_n=\min\{j\in\llbracket2,n+1\rrbracket:\\[8pt]\quad\exists i\in\llbracket1,j-1\rrbracket,\ X_i=X_j\}.\end{array}}Par exemple, pour {n=4}, les résultats successifs {1,3,2,3,4} donnent {T_n=4}. On cherche un équivalent de {\mathbb E(T_n)} quand {n\to+\infty}.
Q 27. Soit {A} l’ensemble des {k}-uplets de {\llbracket1,n\rrbracket^k} à composantes deux à deux distinctes. Déterminer son cardinal et en déduire {\mathbb P(T_n>k)=\mathbb P(Z\in A)=\frac{n!}{(n-k)!n^k}.}
Dans cette partie, les notations {I_n} et {J_n} désignent désormais {\begin{array}{rcl}I_n&=&\displaystyle\int_0^n\left(1+\frac tn\right)^ne^{-t}\,dt,\\[12pt]J_n&=&\displaystyle\int_n^{+\infty}\left(1+\frac tn\right)^ne^{-t}\,dt.\end{array}}Ces intégrales convergent, et {\mathbb E(T_n)=I_n+J_n}.
III.1 — Étude de la suite (Jₙ)
Q 32. Établir par changement de variable {J_n=e^{-n}\int_0^{+\infty}\left(2+\frac vn\right)^ne^{-v}\,dv.}
Pour {u>0}, on définit {f_n(u)=\left\{\begin{array}{ll}\displaystyle\left(1+\frac u{\sqrt n}\right)^ne^{-u\sqrt n},&u\lt\sqrt n,\\[8pt]0,&u\geq\sqrt n.\end{array}\right.}
Q 38. Justifier que {u\mapsto e^{-u^2/2}} est intégrable sur {[0,+\infty[}, puis établir {\lim_{n\to+\infty}\int_0^{+\infty}f_n(u)\,du=\int_0^{+\infty}e^{-u^2/2}\,du.}