Mardi 28 avril 2015 de 8 heures à 12 heures
La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies.
Les candidats sont invités à encadrer dans la mesure du possible les résultats de leurs calculs. Ils ne doivent faire usage d'aucun document : l'utilisation de toute calculatrice et de tout matériel électronique est interdite. Seule l'utilisation d'une règle graduée est autorisée.
Si au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il la signalera sur sa copie et poursuivra sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il sera amené à prendre.
PROBLÈME 1
Dans tout le problème, on confond polynôme et application polynomiale de dans .
On note, pour tout de le sous-espace vectoriel de formé des polynômes de degré inférieur ou égal à .
On définit l'ensemble et le polynôme .
Partie I: Étude d'endomorphismes
Montrer que est un sous-espace vectoriel de l'espace vectoriel .
Pour tout polynôme de , on note .
2. Montrer que l'application est un isomorphisme de sur .
3. En déduire une base de et la dimension de .
Pour tout polynôme de , on considère le polynôme défini par :
Ainsi, par exemple, si , alors
a. Montrer que l'application est un endomorphisme de .
b. Déterminer, pour tout polynôme de , le degré de en fonction du degré de .
c. Déterminer le noyau et l'image de △ .
d. Établir : .
On définit l'endomorphisme de suivant : où désigne l'application réciproque de l'application .
5. a. Montrer : .
b. Déterminer une base du noyau de et une base de l'image de .
c. Démontrer que admet une valeur propre et une seule et déterminer celle-ci. Donner une base et la dimension du sous-espace propre pour associé à cette valeur propre.
d. Est-ce que est diagonalisable ?
PARTIE II : Étude d'un produit scalaire
On considère l'application de dans définie par :
Montrer que est un produit scalaire sur .
On munit dorénavant de ce produit scalaire et de la norme associée .
On considère les trois polynômes suivants :
Montrer que la famille ( ) est une base de .
a. Exprimer, pour tout polynôme de , les coordonnées de dans la base ( ) en fonction de .
b. Exprimer sur la base de et en déduire que la matrice de l'endomorphisme dans la base de est .
On note, pour tout de .
a. Montrer que, pour tout de est non nul.
On note alors, pour tout de .
b. Montrer que ( ) est une base orthonormée du sous-espace vectoriel de .
10. Déterminer la matrice de l'application linéaire dans les bases ( ) de et de .
11. Déterminer la matrice de l'endomorphisme dans la base ( ) de .
12. On note, pour tout polynôme de .
a. Montrer que est un endomorphisme de .
b. Montrer : .
c. En déduire que est la projection orthogonale sur .
d. Déterminer le projeté orthogonal de sur .
PROBLÈME 2
Dans tout le problème, on note l'ensemble des fonctions continues sur vérifiant :
On remarquera que l'entier dépend a priori de la fonction considérée.
Partie I: Définition de la transformée de Laplace
Montrer que est un sous-espace vectoriel du -espace vectoriel des fonctions définies sur et à valeurs dans .
Soit un élément de .
Montrer, pour tout .
En déduire que, pour tout , l'intégrale est convergente.
Dans toute la suite du problème, pour tout élément de , on définit la fonction sur par :
Montrer, pour tout et pour tout .
Partie II : Quelques exemples
Soit fixé. On considère, pour tout de , la fonction définie par :
Pour tout de , montrer que la fonction appartient à et, en utilisant par exemple des résultats sur la loi exponentielle, calculer, pour tout .
5. Soit fixé. On considère la fonction définie par : .
Montrer que la fonction appartient à et montrer, pour tout .
Partie III : Propriétés des transformées de Laplace
Limite de en
Soit un élément de . Justifier qu'il existe et tels que :
Établir : . En déduire : .
7. Limite de en 0
Soit un élément de tel que l'intégrale converge.
On note, pour tout de .
a. Déterminer la limite en de . Montrer que appartient à .
b. Montrer que est de classe sur et : .
c. En déduire : .
d. Soit [. Justifier qu'il existe tel que : . En déduire : .
e. Conclure : .
8. Transformée de Laplace d'une dérivée
Soit une fonction de classe sur telle que .
a. Montrer qu'il existe et tels que : .
b. En déduire que appartient à .
c. Établir : .
9. Dérivée puis dérivée -ième d'une transformée de Laplace
Soit un élément de . On considère, pour tout de , la fonction définie par :
a. Montrer que, pour tout de , la fonction appartient à .
b. Montrer : .
c. Soient et tel que .
Montrer : .
En déduire : .
d. Montrer que est dérivable sur et exprimer à l'aide de .
e. Montrer que est de classe sur et exprimer, pour tout de à l'aide de .
Partie IV: Application à la résolution d'une équation fonctionnelle
Dans cette partie, on cherche à déterminer une fonction de classe sur vérifiant :
On suppose qu'il existe une fonction de classe sur , solution du problème et telle que .
a. Montrer que appartient à et : .
b. En déduire: , puis : .
En déduire une fonction solution du problème posé.