Un corrigé d`EDHEC S 2015
Transcription
Un corrigé d`EDHEC S 2015
Un Corrigé de l’épreuve EDHEC 2015 S ÉCS2 Proposition de corrigé pour le serveur de l’APHEC, par Nicolas Maillard (colasmaillard@free.fr). 1 1 ≥ n+1 car xn 6 xn+1 . + 1) x (x + 1) Par croissance de l’intégrale, In ≥ In+1 . La suite (In )n∈N∗ est décroissante. (b) Soit n ∈ N∗ . ∀x ≥ 1, Exercice 1 1 1 1 est continue et positive sur [ 1 ; +∞ [ et n ∼ . Comme xn (x + 1) x (x + 1) x→+∞ xn+1 Z +∞ 1 n + 1 ≥ 2, l’intégrale de Riemann dx converge. Le critère des équivalents n+1 x 1 pour les fonctions positives permet de conclure que In converge pour tout n de N ∗ . 1. x 7→ xn (x (c) Par (b), pour tout n ≥ 2, In−1 + In ≥ 2In ≥ In + In+1 , 1 1 n donc par (a), ≥ 2In ≥ , et en multipliant par n, ≥ 2nIn ≥ 1. n−1 n n−1 Par encadrement, lim 2nIn = 1, autrement dit, n→+∞ 1 . 2n Par la règle des équivalents pour les séries à terme général positif, et puisque la série X 1 de Riemann diverge, 2n In b (a − b)x + a a = on tire 2. (a) De − x x+1 x(x + 1) ∀x ∈ R \ {−1, 0}, 5 mai 2015 1 1 1 = − . x(x + 1) x x+1 ∼ n→+∞ n≥1 (b) Pour tout A de [ 1 ; +∞ [, A Z A Z A 1 A 1 1 x 1 = ln dx = − dx = ln − ln . n (x + 1) x x x + 1 x + 1 A + 1 2 1 1 1 A 1 Comme lim ln = 0 et − ln = ln 2, A→+∞ A+1 2 I1 = ln 2. la série de terme général In diverge. 1 1 ∼ , montre que xn (x + 1)2 x→+∞ xn+2 Jn converge pour tout n de N. 5. (a) Le même raisonnement qu’en 1., avec (b) J0 = lim A→+∞ 1 1 6 n. + 1) 2x Par croissance de l’intégrale (où toutes ces intégrales existent !), Z +∞ Z +∞ 1 1 06 dx 6 dx. n (x + 1) n x 2x 1 1 A Z +∞ 1 1 1 Or dx = lim = . n n−1 A→+∞ 2x 2(1 − n)x 2(n − 1) 1 1 1 ∀n ≥ 2, 0 6 In 6 . 2(n − 1) 3. (a) Soit n ≥ 2. On a : ∀x ≥ 1, 0 6 A = 1 1 . 2 J0 = 1/2. xn (x 6. (a) Soit k ∈ N∗ . Pour tout x ≥ 1, 1 1 1+x 1 , d’où par linéarité, + k−1 = k = k xk (x + 1)2 x (x + 1)2 x (x + 1)2 x (x + 1) Jk + Jk−1 = Ik . (b) Soit n ∈ N∗ . n n n n X X X X (−1)k−1 Ik = (−1)k−1 (Jk + Jk−1 ) = (−1)k−1 Jk + (−1)k−1 Jk−1 ) 1 = 0, le théorème d’encadrement permet de conclure que n→+∞ 2(n − 1) lim In existe et vaut 0. (b) Comme lim k=1 n X n X k=1 k=1 k=1 (−1)k−1 Ik = n→+∞ 4. (a) −1 x+1 1 1 x+1 1 + n+1 = n+1 = n+1 , donc par un calcul de l’intégrale n x (x + 1) x (x + 1) x (x + 1) x de Riemann analogue à 3.(a) et par linéarité de l’intégrale, Z +∞ 1 1 In + In+1 = dx = n+1 x n 1 1/5 k=1 (−1)k−1 Jk − n−1 X (−1)k−1 Jk = (−1)n−1 Jn + J0 par télescopage. k=0 ∀n ∈ N∗ , n X 1 (−1)k−1 Ik = (−1)n−1 Jn + . 2 k=1 1 1 6 n. 2 + 1) 4x Le même raisonnement qu’en 3.(a) & (b) permet de conclure que (c) Soit n ≥ 2. On a : ∀x ≥ 1, 0 6 k=1 xn (x Un Corrigé de l’épreuve EDHEC 2015 S ÉCS2 ∀n ≥ 2, 2 e−u /2 udu = • Comme t = u /2, dt = udu et g(t)dt = p u π/2 • Enfin, pour t → 0, u → 0, et pour t → +∞, u → +∞. 1 0 6 Jn 6 , et lim Jn = 0. n→+∞ 4(n − 1) k=1 7. n = input(’entrez une valeur de n supérieure ou égale à 2 :’) I= log(2) ; J = 1/2 ; J = I+J for k = 2:n I = 1/(k-1) - I ; J = I + J ; end disp(I, ’la valeur de I est :’) disp(J, ’la valeur de J est :’) (b) ϕ est une densité paire, donc : Z +∞ Z +∞ Z g(t)dt = 2 ϕ(u)du = Exercice 2 −∞ 1. (a) Soit x ∈ [ 0 ; +∞ [. FY (x) = P(Y 6 x) = P(|X| 6 x) = P(−x 6 X 6 x) = Φ(x) − Φ(−x) = Φ(x) − (1 − Φ(x)) = 2Φ(x) − 1. De plus, pour x < 0, FY (x) = P(|X| 6 x) = 0 car |X| ≥ 0. Comme Φ est de classe C1 sur R, FY est de classe C1 sur R∗ (au moins). De plus, lim− FY (x) = 0 = FY (0) = lim+ FY (x) puisque Φ(0) = 1/2, FY est x→0 continue sur R. Y est une variable à densité. Et par dérivation sur R∗ , une densité de Y est √ 2 2 2ϕ(x) = √ e−x /2 si x ≥ 0, fY : x 7→ π 0 sinon. Z A h iA 2 2 2 xe−x /2 dx = −ex /2 = −e−A /2 + 1 −−−−−→ 1. (b) Soit A ≥ 0. Donc par linéarité, r Y admet une espérance, égale à 0 +∞ ϕ(u)du = 1. −∞ ∗ De plus, g est positive sur R et continue sur R , donc g peut être considérée comme une densité. 3. (a) Comme Z(Ω) = [ 0 ; +∞ [, T (Ω) = [ 0 ; +∞ [, donc pour x < 0, FT (x) = 0. √ Pour x ≥ 0, FT (x) = P( 2Z 6 x) = P(Z 6 x2 /2) car Z est positive. ( G(x2 /2) si x ≥ 0, FT (x) = 0 sinon. G étant de classe C1 sur ] 0 ; +∞ [, par composition FT est de classe C1 sur R∗ , et une densité de T est donnée par r 2 −x2 /2 2 xg(x /2) = e si x ≥ 0, fT : x 7→ π 0 sinon. A→+∞ 0 2 −u2 /2 e du. π Z +∞ • Le théorème du changement de variable assure alors que g(t)dt est de même 0 r Z +∞ 2 −u2 /2 e du, et que ces intégrales sont égales en cas d’existence. nature que π 0 Z +∞ 2 • ϕ étant une densité, e−u /2 du existe. Donc les deux intégrales existent. 0 r Z +∞ Z +∞ Z +∞ 2 2 g(t)dt = e−u /2 du = 2 ϕ(u)du. π 0 0 0 La série de terme général (−1)n−1 In converge, sa somme vaut 1/2. 0 r 2 (d) En passant à la limite dans la relation de 6.(b), on a n X 1 lim (−1)k−1 Ik = (−1)n−1 × 0 + . n→+∞ 2 x→0 5 mai 2015 2 . π 2 (c) Remarquons que Y 2 = |X| = X 2 . Or par la formule de Huygens, E(X 2 ) existe et vaut V(X) + E(X)2 = 1 + 0 = 1. Toujours par la formule de Huygen, 2 Y possède une variance, égale à 1 − . π √ 1 2. (a) • t 7→ 2t est de classe C et strictement croissante sur ] 0 ; +∞ [, c’est donc une bijection de classe C1 : le changement de variable est permis. 2/5 Les densités fY et fT étant identiques, T suit la même loi que Y . √ (b) T = 2Z induit Z = T 2 /2, or T 2 admet une espérance, égale à E(Y 2 ), valant 1 d’après 1.(c). Par linéarité, Z possède une espérance égale à 1/2. 4. x = grand(1,1,’norm’,0,1) permet de simuler X. y = abs(x) permet de simuler Y , donc T qui suit la même loi. z = yˆ2/2 permet de simuler Z. La valeur absolue ne sert à rien, puisqu’on élève au carré, on peut proposer : z = (grand(1,1,’norm’,0,1))ˆ2/2 Un Corrigé de l’épreuve EDHEC 2015 S ÉCS2 Donc hx, f (x)i = 0 ⇒ x = 0. La réciproque est évidente puisque h0, 0i = 0. hx, f (x)i = 0 si, et seulement si, x = 0. Essai : j’ai exécuté mean(grand(1,10000,’nor’,0,1)ˆ2/2) et j’ai obtenu 0.4897074844039 ... ce qui corrobore 3.(b), non ? 5. (a) L’algorithme proposé simule n variables (Wi )16i6n indépendantes de loi exponentielle de paramètre 1, et calcule la moyenne des variables (Wi0 )16i6n définies par √ Wi Wi . On sait que (d’après la loi faible des grands nombres, en remarquant Wi0 = √ π qu’elles possèdent une variance car les lois exponentielles possèdent des moments de tout ordre), cette moyenne s’approche de leur espérance commune m = E(Wi0 ). Donc pour n grand, s contient valeur proche de m. Or par transfert : √ Z une Z +∞ +∞ √ Wi W i x x −x √ √ e = m=E x2 g(x)dxdx. = π π 0 0 Z +∞ Pour n grand, s prend une valeur proche de x2 g(x)dx. 0 (b) Par transfert, puis d’après les questions précédentes, ! 4 4 Z +∞ 4 Y |X| 1 3 T =E =E = E(X 4 ) = . x2 g(x)dx = E(Z 2 ) = E 4 4 4 4 4 0 Z +∞ 3 x2 g(x)dx = E(Z 2 ) = . 4 0 i=1 Notons λk la valeur propre associée à uk , ainsi pour tout k de [[1 ; n]], f (uk ) = λk uk. * n + n n X n X X X hx, f (x)i = xi ui , xk f (uk ) = xi xk λk hui , uk i, par bilinéarité. i=1 k=1 Or hui , uk i = 1 si k = i et 1 sinon. Donc hx, f (x)i = n X x2i λi ≥ 0 puisque pour tout i=1 i, λi > 0. ∀x ∈ Rn , 3. (a) Souvenons-nous que, par linéarité, on définit complétement un endomorphisme en le définissant sur une base. Soit g l’endomorphisme √ défini par ∀i ∈ [[1 ; n]] , g(ui ) = λi ui . 2 1. C’est un résultat du cours : f est un endomorphisme symétrique de l’espace euclidien Rn donc il est diagonalisable et il existe une base orthonormale B 0 de Rn formée de vecteurs propres de f . n X 2. (a) Soit x un vecteur de Rn . Écrivons x = xi ui , décomposition de x dans B 0 . k=1 (c) x, y et z désignent des vecteurs de Rn , α un réel. • ϕ est symétrique car ϕ(y, x) = hy, f (x)i = hf (x), yi par symétrie de h., .i, ϕ(y, x) = hx, f (y)i = ϕ(x, y) car f est symétrique. • ϕ est linéaire à gauche car ϕ(αx + y, z) = hαx + y, f (z)i = α hx, f (z)i + hy, f (z)i = αϕ(x, z) + ϕ(y, z). Par symétrie, ϕ est aussi linéaire à droite. • ϕ est positive par 2.(a) et définie par 2.(b). ϕ est un produit scalaire sur Rn . • Première version - Pour tout (i, j) de [[1 ; n]] , (√ p λi si j = i hui , g(uj )i = λj hui , uj i = ; 0 sinon (√ ) √ λi si j = i = hui , g(uj )i hg(ui ), uj i = λi hui , uj i = 0 sinon Exercice 3 i=1 5 mai 2015 hx, f (x)i ≥ 0. (b) En reprenant les notations précédentes, (hx, f (x)i = 0) ⇒ (∀i ∈ [[1 ; n]] , x2i λi = 0) ⇒ (∀i ∈ [[1 ; n]] , xi = 0) (car ∀i, λi 6= 0) Ainsi g est symétrique « sur la base B 0 ». Ce résultat s’étend à Rn par bilinéarité. 2 • Seconde version - Pour tout (i, j) de [[1 ; n]] , (√ p λi si j = i, hui , g(uj )i = λj hui , uj i = 0 sinon. Ainsi la matrice M représentant g dans la base B 0 est √ orthonormale √ M = (hui , g(uj )i)16i,j6n = diag( λ1 , . . . , λn ). M est diagonale donc symétrique, et puisque B 0 est orthonormale pour h., .i, cela signifie que g est un endomorphisme symétrique. Les deux versions précédentes montrent que B 0 est une base √ orthonormale formée de vecteurs propres de g, et que ses valeurs propres sont les λi , strictement positives. √ √ De plus, pour tout i de [[1 ; n]], g 2 (ui ) = g( λi ui ) = λi g(ui ) = λi ui = f (ui ). Les endomorphismes g 2 et f coïncident sur la base B 0 , donc ils sont égaux. Il existe un endomorphisme g, symétrique, tel que Sp(g) ⊂ ] 0 ; +∞ [ et g 2 = f . (b) Remarque : nous n’avons pas démontré que g est unique, et cette question b fait référence à un g convenable. Nous continuons donc avec le « g précédent »... 3/5 Un Corrigé de l’épreuve EDHEC 2015 S ÉCS2 g n’admettant pas 0 pour valeur propre, g est injectif. Et comme g est un endomorphisme d’un espace de dimension finie, g est bijectif. 2 (c) Soit (i, j) dans [[1 ; n]] . ϕ(g −1 (ei ), g −1 (ej )) = g −1 (ei ), f (g −1 (ej )) = g −1 (ei ), g(ej ) car f ◦ g −1 = g, ϕ(g −1 (ei ), g −1 (ej )) = g(g −1 (ei ), ej car g est symétrique, ( 1 si i = j, −1 −1 ϕ(g (ei ), g (ej )) = hei , ej i = puisque la base canonique est ortho0 sinon, normale pour le produit scalaire canonique h., .i. ( 1 si i = j, Ainsi, ϕ(g −1 (ei ), g −1 (ej )) = 0 sinon. −1 −1 g (e1 ), . . . , g (en ) est une base orthonormale pour le produit scalaire ϕ. Problème Partie 1 +∞ X n+1 +∞ X n xn+1 r + 1 r + 1 n=r n=r+1 +∞ X n+1 n r n (1 − x)Sr+1 = x − x + xr+1 , r + 1 r + 1 r + 1 n=r n+1 n n r Or − = par la formule de Pascal, et = 0, d’où r+1 r+1 r r+1 (1 − x)Sr+1 = xSr . (1 − x)Sr+1 = xn+1 − (c) Par une itération immédiate (ou une récurrence sur r), r x x x x Sr−1 = × Sr−2 = · · · = S0 , ainsi Sr = (1 − x) (1 − x) (1 − x) (1 − x) +∞ X n n xr ∀x ∈ ] 0 ; 1 [ , r ∈ N, x = . r (1 − x)r+1 n=r (d) Et en divisant par xr (x > 0), n n! n(n − 1) . . . (n − r + 1) 1. Pour n ≥ r, = = , r r!(n − r)! r! or n(n − 1) . . . (n − r + 1) ∼ nr (r facteurs équivalents à n). Donc n→+∞ nr n . ∼ r n→+∞ r! ∀x ∈ ] 0 ; 1 [ , lim nr+2 xn = 0. n→+∞ n n 1 n n nr+2 −−−−−→ 0, donc x =o x ∼ en +∞. n→+∞ r! n→+∞ r r n2 X 1 Comme est une série de Riemann convergente, la règle de négligeabilité assure n2 n≥1 X n xn est convergente. r n (b) n2 +∞ X n=0 (b) (1 − x)Sr+1 +∞ X n n−r 1 x = . r (1 − x)r+1 n=r 1. (a) Comme le joueur peut ne jamais jouer, X(Ω) = N. P(X = 0) = P(D1 ) = α, et pour k ∈ N∗ , P(X = k) = P(D1 ∩ D2 ∩ · · · ∩ Dk ∩ Dk+1 ), et par la formule des probabilités composées, P(X = k) = P(D1 )PD1 (D2 )PD1 ∩D2 (D3 ) . . . PD1 ∩D2 ∩···∩Dk (Dk+1 ) P(X = k) = (1 − α)k α, formule encore valable si k = 0. X(Ω) = N, et ∀k ∈ N, P(X = k) = (1 − α)k α. Remarque : la définition des Dk montrent qu’ils ne sont pas indépendants. La règle stipule que la disqualification est définitive donc Dk ⊂ Dk+1 par exemple. Le recours à la formule des probabilités composées s’avère nécessaire, même si le calcul invoquant une prétendue indépendance aboutit au même résultat... (b) Comme X(Ω) = N, T (Ω) = N∗ , et pour tout k de N∗ , P(T = k) = P(X + 1 = k) = P(X = k − 1) = (1 − α)k−1 α, donc T suit la loi géométrique de paramètre α. 1 Comme X = T − 1 et E(T ) = , on a, par linéarité, α 1 1−α X possède une espérance, et E(X) = − 1 = . α α 1 × xn ... et on reconnaît la série géométrique. S0 = r ∈ N, Partie 2 2. (a) Puisque x ∈ ] 0 ; 1 [, les croissances comparées assurent que 3. (a) S0 = 5 mai 2015 1 . 1−x +∞ X +∞ X n n n x − xn+1 = r + 1 r + 1 n=r+1 n=r+1 4/5 Un Corrigé de l’épreuve EDHEC 2015 S ÉCS2 (c) De même, X = T − 1 entraîne (1 − α)(2p − 1) . α Remarque : on notera que, conformément à l’intuition, E(G) est positive pour p ≥ 1/2, c’est-à-dire lorsque le jeu est favorable au joueur... (c) Tant qu’à faire, prouvons aussi l’existence de E(XY ). • Soit n ∈ N∗ . Sachant [X = n], Y suit B(n, p) donc E(Y |[X = n]) existe et vaut np. Par linéarité, E(XY |[X = n]) existe et vaut n2 p puisque XY = nY . Notons que, pour n = 0, on a encore E(XY |[X = n]) = n2 p = . . . 0 • P(X = n)E(XY |[X = n]) = pn2 P(X = n) est le terme général d’une série (absolument) convergente puisque X admet un moment d’ordre 2. • D’après le théorème de l’espérance totale, avec le système complet d’événements ([X = n])n∈N , XY possède une espérance et +∞ X P(X = n)E(XY |[X = n]). E(XY ) = E(G) = 1−α . V(X) existe et V(X) = V(T ) = α2 2. (a) • Si n = 0, l’événement [X = n] entraîne [Y = 0] puisque le joueur ne joue jamais (100% des gagnants ont tenté leur chance ...). Sachant [X = 0], Y est constante (ou dégénérée), égale à 0. • Si n ∈ N∗ , l’événement [X = n] entraîne que le joueur participe à n partie(s) indépendante(s) avec une même probabilité de succès p. Son nombre de succès Y suit alors la loi binomiale de paramètres n et p. Sachant [X = n] avec n ∈ N∗ , la loi conditionnelle de Y est B(n, p). (b) Y (Ω) = N, et le système complet d’événements ([X = n])n∈N permet d’écrire, à l’aide de la formule des probabilités totales, pour tout k de N, +∞ +∞ X X n k n P(Y = k) = P(X = n)P[X=n] (Y = k) = 0 + (1 − α) α p (1 − p)n−k k n=0 n=k k X +∞ n p × [(1 − α)(1 − p)]n , soit, en reconnaissant Sk de la P(Y = k) = α 1−p k n=k partie 1 avec x = (1 − α)(1 − p) ∈ ] 0 ; 1 [, k p [(1 − α)(1 − p)]k αpk (1 − α)k P(Y = k) = α × = 1−p [1 − (1 − α)(1 − p)]k+1 (α + p − αp)k+1 k p − αp α P(Y = k) = × α + p − αp α + p − αp p − αp α + p − αp − p + αp α Soit β = . Alors 1 − β = = . α + p − αp α + p − αp α + p − αp p(1 − α) Y (Ω) = N, et, ∀k ∈ N, P(Y = k) = β k (1 − β) avec β = . α + p − αp 3. En s’inspirant de la démarche de 1.(b), Y + 1 suit la loi géométrique de paramètre 1 − β, 1 p(1 − α) E(Y ) existe et vaut −1= . 1−β α β p(1 − α)(α + p − αp) = . (1 − β)2 α2 p(1 − α)(α + p − αp) V(Y ) = . α2 Et de même, V(Y ) = V(Y + 1) = 4. (a) Le joueur gagnant Y parties et en perdant X − Y , G = Y − (X − Y ) = 2Y − X. (b) Par linéarité, E(G) = 2E(Y ) − E(X) = 2 5 mai 2015 p(1 − α) 1 − α (1 − α)(2p − 1) − = . α α α 5/5 n=0 • Cette somme se calcule alors rapidement par transfert : +∞ X E(XY ) = p n2 P(X = n) = pE(X 2 ) = p(V(X) + E(X)2 ) n=0 1 − α (1 − α)2 + α2 α2 p(1 − α)(1 + 1 − α) , d’où α2 p(1 − α)(2 − α) E(XY ) existe et vaut . α2 (d) V(G) = V(2Y − X) = 4V(Y ) + V(X) − 4Cov(X, Y ), et p(1 − α)(2 − α) 1 − α p(1 − α) Cov(X, Y ) = E(XY ) − E(X)E(Y ) = − × α2 α α p(1 − α) p(1 − α) Cov(X, Y ) = (2 − α) − (1 − α) = α2 α2 (1 − α)(4p2 (1 + α) + 4p(α − 1) + 1) 1−α V(G) = 4p(p + α + αp) + 1 − 4p = . α2 α2 (1 − α)(4p2 (1 + α) + 4p(α − 1) + 1) . V(G) = α2 5. (a) alpha = input(’entrez la valeur de alpha :’) p = input(’entrez la valeur de p :’) X = grand(1,1,’geom’,alpha) - 1 Y = grand(1,1,’bin’,X,p) disp(X) ; disp(Y) (b) Que l’on peut compléter par : G = 2*Y - X disp(G) E(XY ) = p =