Fonctions (limites, continuité, dérivabilité, intégration)Séries et familles sommablesIntégrales généraliséesAlgèbre linéaireTopologie/EVNCalcul différentiel et fonctions à plusieurs variables
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.
Le problème comporte quatre parties.
On pose : , bornée sur ; si , on notera .
Partie I - Construction de la fonction arctan.
On définit, sous réserve d'existence, la fonction .
Vérifier que la fonction arctan est bien définie sur , impaire, de classe sur et préciser une expression de .
Montrer que arctan admet une limite finie, notée provisoirement , en et justifier que arctan est une bijection de sur .
Pour tout , calculer , en déduire la valeur de .
Justifier que, pour tout .
Montrer que, pour tout .
Si , on définit, sous réserve d'existence, .
L'objectif du problème est d'obtenir quelques propriétés de et de .
Partie II - Premières propriétés de et de .
Vérifier que est un sous-espace vectoriel de .
Soit , montrer que, pour tout est absolument convergente.
Soit , montrer que est bornée et .
Continuité de pour .
Dans cette question, désigne un élément de et un réel.
a- Soit un réel strictement positif et , vérifier que :
b- En déduire que, pour tout , pour tout ,
c- Soit , en choisissant , établir que :
d- Montrer alors que est continue sur .
e- En déduire que est un endomorphisme de .
Partie III - Etude d'un exemple.
Dans cette partie, on s'intéresse à l'application . est l'image par de l'application constante égale à 1 : .
10) Vérifier que est impaire.
11) Dérivabilité de sur . Soit un réel strictement positif.
a- Vérifier que, pour tout .
b- Soit et deux réels distincts et le segment d'extrémités et . Montrer que :
c- Soit et un réel positif, établir :
d- Montrer alors que, pour tout ,
e- En déduire que est dérivable sur et justifier que, pour tout ,
f- est-elle dérivable sur ? Si oui, que vaut pour ?
12) Calcul de pour .
a- Déterminer .
b- Pour tout , chercher des expressions et , indépendantes de , telles que, pour tout .
c- En déduire que, pour tout .
d- est-elle de classe sur ?
13) Une nouvelle expression de pour .
a- Justifier, pour tout , la convergence de l'intégrale .
b- Montrer que, pour tout , que .
14) Etude de la limite de en .
a- Démontrer que, pour tout .
b- Ecrire, pour tout ,
c- Déterminer alors .
15) Application au calcul de .
a- Montrer que converge et calculer sa valeur à l'aide des questions précédentes.
b- Vérifier que .
c- Soit , démontrer que (on justifiera l'existence des intégrales introduites).
d- Pour tout , calculer .
e- Montrer que .
f- Donner alors la valeur de . En déduire celle de .
Partie IV - Retour à l'étude de .
Montrer que .
Dans toute la suite du problème, on considère :
tel que , on pourra poser .
pour tout , autrement dit et, pour tout , .
, on posera .
pour tout .
Vérifier que, pour tout et .
Peut-on avoir ? Que peut-on alors dire de ?
Démontrer que, pour tout et que la série converge.
Montrer alors que, pour tout , la série converge.
On note alors .
21) Montrer que est bornée sur .
22) Continuité de .
a- Vérifier que, pour tout , pour tout , pour tout ,
b- En déduire que, pour tout , pour tout ,
c- Justifier que est continue sur .
23) Application aux valeurs spectrales de .
a- Pour tout , calculer et montrer que
b- Montrer alors que . Que peut-on dire de ?
c- Soit tel que ne soit pas bijective, montrer que .