P.C. Corrigé du DEVOIR N 17 2015
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P.C. Corrigé du DEVOIR N◦17 2015 Exercice 1 d’après ECRICOME 2014 Soit p ∈]0, 1[, N ≥ 3 et q = 1 − p. On considère un tournoi réunissant une infinité de joueurs A0 , A1 , A2 . . . , An , . . . qui s’affrontent dans une série de duels de la façon suivante : • A0 et A1 s’affrontent durant le duel numéro 1. Le perdant est éliminé du tournoi, le gagnant reste en jeu ; • le gagnant du premier duel participe au duel numéro 2 durant lequel il affronte le joueur A2 . Ce duel se déroule de manière analogue et ne dépend du duel précédent que par l’identité du joueur affrontant A2 . Le perdant est éliminé du tournoi, et le gagnant participe au duel numéro 3 contre le joueur A3 et ainsi de suite ; • pour tout k ∈ N ∗ , le joueur Ak participe au duel numéro k, qu’il peut remporter avec une probabilité p, son adversaire durant ce duel pouvant remporter le duel avec la probabilité q = 1 − p. • Est désigné gagnant du tournoi le premier joueur, s’il y en a un, qui gagne N duels successifs lors du tournoi. ∀ n ∈ N , En : « le gagnant du tournoi n’a pas encore été désigné à l’issue du duel numéro n ». Partie 1 1 On suppose dans cette partie que N = 3 et p = q = . 2 1. Les listes des gagnants possibles pour chacun des trois premiers duels : (A0 , A0 , A0 ), (A0 , A0 , A1 ), (A0 , A2 , A2 ), (A0 , A2 , A3 ), (A1 , A1 , A1 ), (A1 , A1 , A3 ), (A1 , A2 , A2 ), (A1 , A2 , A3 ). 3 3 1 1 1 + = , donc P (E1 ) = 1, P (E2 ) = 1. E3 = {(A0 , A0 , A0 ), (A1 , A1 , A1 )} et P (E3 ) = 2 2 4 3 1 1 P (E3 ) = et P (E3 ) = P (E2 ) + P (E1 ). 4 2 4 2. Considérons, pour m ∈ [[n, n + 2]] l’événement Gm n « An gagne le duel m ». Si An−2 gagne le duel n, le jeu a un vainqueur, donc on a : n En = (Gnn ∩ En−1 ) ∪ (Gn−1 n−1 ∩ Gn−1 ∩ En−2 ). n Ces deux événements étant incompatibles, P (En ) = P (Gnn ∩ En−1 ) + P (Gn−1 n−1 ∩ Gn−1 ∩ En−2 ). n n n−1 n n−1 n P (Gn ∩En−1 ) = P (Gn |En−1 )×P (En−1 ) et P (Gn−1 ∩Gn−1 ∩En−2 ) = P (Gn−1 ∩Gn−1 |En−2 )P (En−2 ). 1 1 Finalement, (R1 ) : P (En ) = P (En−1 ) + P (En−2 ), ∀ n ≥ 3. 2 4 ! 0 1 P (En ) 3. Si on pose Un = , on a, d’après (R1 ) : Un+1 = 1 1 Un , pour tout n ≥ 1 (la P (En+1 ) 4 2 relation (R! 1 ) est encore vraie pour n = 2 d’après la première question). La matrice A cherchée 0 1 est 1 1 . On a alors par récurrence : Un = An−1 U1 . 4 2 ! √ ! √ ! 0 1 X 1 1+ 5 1− 5 A = 1 1 a pour polynôme caractéristique χA = X 2 − − = X − X− . 2 4 4 4 4 2 Il est scindé à racines simples donc la matrice est diagonalisable√: il existe une matrice Q √ A 1 + 5 5 1 − r1 0 inversible telle que A = QDQ−1 , où D = avec r1 = et r2 = . On a 0 r2 4 4 n−1 n−1 −1 bien sûrpar récurrence = QD Q . n−1 : A a b r 0 e f aer1n−1 + bgr2n−1 af r1n−1 + bhr2n−1 n−1 1 A = = . cer1n−1 + dgr2n−1 cf r1n−1 + dhr2n−1 c d 0 r2n−1 f h Finalement, P (En ) = a(e + f )r1n−1 + b(g + e)r2n−1 . Comme |r1 | < 1 et |r2 | < 1, lim P (En ) = 0. n→+∞ 4. La suite dénombrable d’événements (En )n≥1 est décroissante, puisque En+1 ne peut avoir lieu si En n’a pas eu lieu : En+1 ⊂ En . D’après la continuité décroissante d’une probabilité : 1 P +∞ \ ! En = lim P (En ) = 0 (événement presque impossible). n→+∞ n=1 L’événement « le tournoi désignera un vainqueur » est +∞ \ En , donc sa probabilité est égale à 1 n=1 (événement presque certain). Partie 2 On revient au cas général : p désigne un réel quelconque de ]0, 1[ et N est un entier supérieur ou égal à 3. On considère le polynôme Q défini par : ! N −1 X Q(X) = pq k−1 X k − 1. k=1 (n) 1. Pour tout entier k ∈ [[1, N − 1]], on note Ak l’événement : « à l’issue du n-ième duel, le tournoi n’est pas terminé et le vainqueur du n-ième duel a obtenu exactement k victoires ». (n) Ak se produit si le tournoi ne s’est pas terminé au duel n − k et si le concurrent An−k+1 a (n) (1) (2) (k) gagné les k duels n − k + 1, n − k + 2,.., n : Ak = En−k ∩ Bn−k+1 ∩ Bn−k+1 ∩ · · · ∩ Bn−k+1 , où (i) Bn−k+1 est l’événement « le concurrent An−k+1 gagne son i-ième duel ». (1) (2) (k) k−1 P (En ). P (A(k) n ) = P (En−k )×PEn−k (Bn−k+1 )×PB (1) (Bn−k+1 )×· · ·×PB (k−1) (Bn−k+1 ) = p(1−p) n−k 2. En = (n) A1 ∪ (n) A2 n−k (n) P (Ak ) k−1 ∀ n ≥ N, = pq P (En−k ). ∪ ··· ∪ Cette réunion étant disjointe, on a bien : N −1 N −1 X X [n) (R2 ) : P (En ) = P (Ak ) = pq k−1 P (En−k ). (n) AN −1 . k=1 k=1 3. Pour que le tournoi se termine, il est nécessaire qu’un même joueur gagne N duels consécutifs : E1 , E2 , . . . , EN −1 sont l’événement certain. ∀i ∈ [[1, N − 1]], P (Ei ) = 1. Puisque N ≥ N , on peut appliquer la formule de la question précédente avec P (EN −k ) = 1, N −1 X 1 − q N −1 pq k−1 = p × pour tout k ∈ [[1, N − 1]] : P (EN ) = = 1 − q N −1 . 1 − q k=1 4. Soit n ≥ N . P (En ) − P (En+1 ) = = N −1 X k=1 N −1 X pq k−1 P (En−k ) − pq k−1 P (En−k ) − k=1 N −1 X k=1 N −2 X pq k−1 P (En+1−k ) pq k P (En−k ) k=0 = −pP (En ) + N −2 X pq k−1 (1 − q)P (En−k ) + pq N −2 P (En−N +1 ) k=1 N −2 X = −pP (En ) + p pq k−1 P (En−k ) + pq N −2 P (En−N +1 ) k=1 = −pP (En )+pP (En )−p×pq N −2 P (En−N +1 )+pq N −2 P (En−N +1 ) = pq N −1 P (En−N +1 ) (R3 ) 0 5. ∀ x > 0, Q (x) = N −1 X kpq k−1 X k−1 > 0, donc Q est strictement croissante sur R + . k=1 Q(0) = −1 et lim Q(x) = +∞ (car Q(x) ∼ pq N −2 X N −1 ) : Q réalise une bijection de [0, +∞[ x→+∞ +∞ dans [−1, +∞[. 0 ∈ [−1, +∞[ admet un unique antécédent par Q dans R + : l’équation Q(x) = 0 admet une unique solution sur l’intervalle [0, +∞[. ! N −1 X On note désormais rN cette solution. Q(1) = pq k−1 − 1 = −q N −1 < 0 , donc rN > 1. k=1 Puisque rN > 1, Q0 (rN ) > 0, car, pour tout x > 0, Q0 (x) > 0. 2 N −n 6. • Pour n ∈ [[1, N −1]], P (En ) = 1 ≤ rN , puisque rN > 1. La propriété s’étend sans difficulté à n = N (une probabilité est inférieure ou égale à 1). n−N 1 • Supposons que n soit un entier naturel supérieur ou égal à N tel que P (En ) ≤ , rN alors, d"’après R2 : n+1−k−N n+1−N N N −1 −1 N −1 X X X 1 1 k−1 k k−1 P (En+1 ) = = pq P (En+1−k ) ≤ pq k−1 rN pq r r N N k=1 k=1 k=1 n+1−N N −1 X 1 k , car = Q(rN ) + 1 = 1. ≤ pq k−1 rN rN k=1 • D’après le principe de récurrence, l’inégalité est vraie pour tout n ≥ 1. n−N 1 ∀ n ≥ 1, P (En ) ≤ . rN 1−N 1 1 7. La série géométrique de premier et de raison ∈]0, 1[ converge, donc, par comrN r N X paraison de séries à termes positifs, la série P (En ) converge. n≥1 Exercice 2 CCP TSI 2014 ( f est définie sur ] − ∞, 1[ par : f (t) = Z de [−1, 1[, L(x) = − 0 x ln(1 − t) dt = t Z − ln(1 − t) , si t ∈] − ∞, 0[∪]0, 1[ et, pour tout x t 1 , si t = 0 x f (t) dt. (fonction dilogarithme) 0 Partie 1 : régularité de f x2 + o0 (x2 ). 2 x 2. Au voisinage de 0, sauf en 0, f (x) = 1 + + o0 (x), donc lim f (x) = 1 = f (0), donc f est x→0 2 continue en 0. 3. f admet un développement limité à l’ordre 1 au voisinage de 0, donc f est dérivable en 0, 1 avec f 0 (0) = . 2 −x − ln(1 − x) x + (1 − x) ln(1 − x) 4. Pour tout x ∈] − ∞, 0[∪]0, 1[, f 0 (x) = − 1−x = . 2 x x2 (1 − x) 5. Comme quotient de fonctions de classe C 1 sur ] − ∞, 1[, f est de classe C 1 sur ] − ∞, 1[\{0} puisque, sur cet ensemble, le dénominateur ne s’annule pas. x2 2 1 x + (1 − x) −x − 2 + o0 (x ) + o0 (1) 1 0 2 Au voisinage de 0, f (x) = = −−→ = f 0 (0) : f 0 est 2 x (1 − x) 1 − x x→0 2 continue en 0, donc sur ] − ∞, 1[ tout entier : f est de classe C 1 sur ] − ∞, 1[. 1. Au voisinage de 0, ln(1 − x) = −x − Partie 2 1. a. La fonction Dilogarithme L est la primitive sur [−1, 1[ s’annulant en 0 de la fonction f qui est de classe C 1 sur cet intervalle : elle est bien définie et de classe C 2 sur [−1, 1[. b. Pour tout x de [−1, 1[, L0 (x) = f (x). +∞ n X x 2. a. ∀ x ∈] − 1, 1[, − ln(1 − x) = . n n=1 +∞ n−1 X x b. ∀ x ∈] − 1, 1[, f (x) = . n n=1 3 3. a. Par primitivation terme à terme, le rayon de convergence étant invariant par cette opé+∞ n X x ration, et L prenant la valeur 0 en 0 : L(x) = . 2 n n=1 X X On admet que : si an xn est une série entière de rayon de convergence R > 0 telle an Rn +∞ X converge, alorsS : x 7→ an xn est continue sur ] − R, R], le même résultat s’appliquant en −R. b. Les séries n=0 X (−1)n X (−1)n et sont absolument convergentes, donc d’après le théo2 2 n n ngeq1 n≥1 rème précédent, la fonction x 7→ +∞ X (−1)n est continue sur [−1, 1]. n2 Comme cette fonction et L coïncident sur ] − 1, 1[ et sont continues en −1, elles sont aussi égales en −1 : le développement de la question précédente est encore vrai en −1. +∞ X (−1)n : L admet un prolongement par a. Avec les mêmes arguments, on a : lim L(x) = x→1 n2 n=1 +∞ X (−1)n continuité en 1 obtenu en posant L(1) = . n2 n=1 On note désormais L la prolongée par continuité de L sur [−1, 1]. Z x +∞ X ln(1 − t) (−1)n b. À la question précédente, on a montré que : lim − dt = , donc 2 x→1 t n 0 n=1 Z 1 ln(1 − t) dt converge et vaut L(1). On admet que cette dernière que l’intégrale généralisée t 0 π2 valeur vaut . 6 Z +∞ x 4. Application 1 On considère l’intégrale impropre J = dx. x e −1 0 x est continue sur ]0, +∞[. a. g : x 7→ x e −1 Z 1 x Comme g(x) ∼ 1, g est prolongeable par continuité en 0, donc intégrable sur ]0, 1] : dx. x 0 0 e −1 cvonverge. x x Comme g(x) ∼ x e−x , comme x e−x = o+∞ (e− 2 ) et comme x 7→ (e− 2 ) est intégrable sur +∞ Z +∞ x dx converge. [1, +∞[, g l’est aussi : ex − 1 1 J converge. −x 1 b. x 7→ 1 − e est une bijection de classe Z 1 C strictement croissante2de ]0, +∞[ dans ]0, 1[. dt ln(1 − t) π dt = e−x dx, donc dx = , d’où : J = − dt = L(1) = . 1−t t 6 0 5. Application 2 Z x Z −x a. Pour tout x ∈ [−1, 1], L(x) + L(−x) = f (t) dt + f (t) dt, donc la dérivée du n=1 0 0 ln(1 − x2 ) premier membre est x 7→ f (x) − f (−x) = − . x 1 ln(1 − x2 ) La dérivée du second membre est x 7→ × 2x × f (x2 ) = − . 2 x Les dérivées sont égales ainsi que les valeurs en 0, d’où le résultat. 1 π2 b. L(−1) = −L(1) + L(1) = − . 2 12 4