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Roger Mansuy

le 20/11/2021 roger.mansuy@gmail.com 1

SCIENTIFIQUES

Maths MPSI Roger Mansuyest professeur en classe préparatoire scientifique au lycée Saint-Louis à Paris.

SOMMAIRE

Chapitre 1 Bases mathématiques13

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

1.Écritures mathématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

2.Ensembles et applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.Opérations entre parties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

4.Ensembles ordonnés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

5.L"ensemble des entiers naturels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

Chapitre 2 Nombres complexes65

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

1.Corps des nombres complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

2.Exponentielle complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

3.Équations algébriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96

Chapitre 3 Sommes et produits (finis)109

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

1.Règles de manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

2.Quelques sommes classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119

3.Formule du binôme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135

Chapitre 4 Fonctions usuelles149

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150

1.Propriétés des fonctions réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150

2.Valeur absolue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157

3

SOMMAIRE

3.Exponentielles, logarithmes, puissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160

4.Exponentielle complexe, fonctions circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180

Chapitre 5 Équations différentielles195

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196

1.Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196

2.Primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198

3.Équations linéaires d"ordre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203

4.Équations linéaires d"ordre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218

Chapitre 6 Suites numériques229

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230

1.Calculs explicites de suites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230

2.Manipulations de suites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234

3.Suites convergentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235

4.Relations de comparaison pour les suites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244

5.Suites réelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250

6.Suites extraites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271

Chapitre 7 Fonctions continues283

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .284

1.Études locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .284

2.Fonctions continues sur un intervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299

3.Fonctions continues sur un segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319

4

SOMMAIRE

Chapitre 8 Fonctions dérivables337

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338

1.Fonctions une fois dérivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338

2.Fonctions de régularité supérieure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .344

3.Propriété des accroissements finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .346

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .357

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .359

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .366

Chapitre 9 Études locales et asymptotiques381

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382

1.Relations de comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382

2.Développements limités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .385

3.Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .393

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .396

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .398

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401

Chapitre 10 Structures algébriques411

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .412

1.Groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .412

2.Anneaux et corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .425

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .430

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .431

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436

Chapitre 11 Arithmétiques des entiers447

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448

1.Divisibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448

2.PGCD, PPCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .452

3.Nombres premiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456

4.Systèmes congruentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .460

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .463

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .465

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470

5

SOMMAIRE

Chapitre 12 Polynômes483

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .484

1.Définitions et premières propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .484

2.Racines de polynômes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .488

3.Arithmétique des polynômes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .494

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .502

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .504

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .509

Chapitre 13 Fractions rationnelles523

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .524

1.Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .524

2.Décomposition en éléments simples (dénominateur scindé) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .528

3.Décomposition en éléments simples (cas général) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .532

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .535

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .536

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .540

Chapitre 14 Espaces vectoriels549

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .550

1.Structure d"espace vectoriel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .550

2.Applications linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .558

3.Endomorphismes remarquables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .564

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .569

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .571

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .575

Chapitre 15 Dimension des espaces vectoriels585

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .586

1.Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .586

2.Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .590

3.Applications linéaires en dimension finie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .597

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .605

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .607

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .614

6

SOMMAIRE

Chapitre 16 Calcul matriciel629

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .630

1.Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .630

2.Produit matriciel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .637

3.Calcul de puissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .642

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .648

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .649

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .653

Chapitre 17 Équivalence des matrices et systèmes linéaires663

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .664

1.Matrices équivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .664

2.Équivalence en pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .669

3.Applications aux systèmes linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .676

4.Introduction à la similitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .680

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .684

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .686

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .692

Chapitre 18 Groupe symétrique705

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .706

1.Permutations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .706

2.Décomposition en cycles disjoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .709

3.Signature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .712

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .716

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .717

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .720

Chapitre 19 Déterminants729

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .730

1.Déterminant denvecteurs dans une base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .730

2.Applications linéaires et matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .735

3.Quelques méthodes de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .739

4.Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .745

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .748

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .750

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .758

7

SOMMAIRE

Chapitre 20 Espaces euclidiens773

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .774

1.Produit scalaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .774

2.Orthogonalité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .780

3.Isométries vectorielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .790

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .798

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .800

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .806

Chapitre 21 Calcul intégral819

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .820

1.Intégrale sur un segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .821

2.Sommes de Riemann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .826

3.Intégration et dérivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .830

4.Formules de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .838

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .841

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .843

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .849

Chapitre 22 Séries numériques867

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .868

1.Séries générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .868

2.Séries à termes positifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .872

3.Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .878

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .882

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .883

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .889

Chapitre 23 Dénombrement905

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .906

1.Ensembles finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .906

2.Exemples de dénombrements usuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .912

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .918

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .919

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .924

8

SOMMAIRE

Chapitre 24 Probabilités sur un univers fini935

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .936

1.Espace probabilisé fini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .936

2.Conditionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .941

3.Indépendance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .946

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .949

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .951

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .955

Chapitre 25 Variables aléatoires963

Cours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .964

1.Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .964

2.Indépendance de variables aléatoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .967

3.Espérance, moments d"ordre supérieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .971

Fiche de synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .979

Exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .981

Corrigés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .986

Index1001

9 COURS Tout le cours avec des rubriques claires pour un meilleur repérage de points importants à retenir, des conseils méthodologiques et de nombreuses démonstrations.

FICHES DE SYNTHÈSE

Des ?ches de synthèse à la ?n de chaque chapitre pour retenir l'essentiel

PICTOS DE REPÉRAGES

Pour un meilleur repérage

Conseils méthodologiques

AIDES À LA RÉSOLUTION

Des aides à la résolution des exercices

en cas de blocage à la lecture de l'énoncé

CORRIGÉS

Tous les corrigés détaillés

pour comprendre chaque étape de résolution

Mode d'emploi

Cet ouvrage, parfaitement conforme au programme de mathématiques en MPSI, vous propose les outils adaptés à la réussite de votre première année.

ENTRAÎNEMENT

Un entraînement intensif avec quatre typologies d'exercices : Vrai/Faux, application, approfondissement et problèmes types concours. Trois niveaux de di?culté clairement identi?és.

Avant-propos

Partis pris de rédaction

Voici quelques-unes des contraintes qui ont guidé la rédaction de ce tout-en-un.

pas de se limiter strictement au contenu explicitement mentionné dans le programme mais de fournir

les moyens de comprendre en profondeur les notions mises en oeuvre.

.Ajouter unegrande variété d"exemples: l"importance des exemples est trop souvent sous-estimée;

ils permettent de voir les propositions et théorèmes en action. Pour les lecteurs, les exemples sont les

premiers "exercices corrigés».

.Structurer les chapitres pour faciliter l"assimilation et mettre en évidence lesarticulations logiques.

L"organisation tient compte des attentes des lecteurs : certains chapitres ont été scindés pour améliorer

la lecture en parallèle d"un cours en classe.

.Proposer desexercices et problèmesde difficultés variées permettant à chaque lecteur de progresser

quelque soit son aisance initiale.

Recommandations aux lecteurs

Si ce livre est construit pour être utile, sa seule possession ne garantit en rien la réussite. Une étudiante

ou un étudiant doit aussi apprendre à l"exploiter efficacement.

sur un brouillon. J"approuve le mathématicien Paul Halmos qui explique "Don"t just read it; fight it!»

.Retenir les énoncés et l"importance de chaque hypothèse; pour cela on peut notamment utiliser les

questionnaires de typeVrai/Faux(à la fin du cours de chaque chapitre).

.Faire unefiche de synthèse(celles proposées dans ce livre sont purement indicatives et devraient en

théorie servir de "vérification» après le travail personnel de synthèse) en faisant apparaître les points de

cours importants, leurs articulations voire des méthodes de calcul ou de résolution.

.S"attaquer auxexercicesavec ténacité et ne pas lire la correction proposée sans s"être posé les trois

questions suivantes : quels sont les points de cours concernés? quels sont les énoncés proches que je

connais? pourquoi mes tentatives n"aboutissent pas?

.Travailler unproblèmedans la durée en appréciant bien les enchaînements de questions, la logique

interne à l"énoncé. À la demande des lecteurs, j"ai ajouté des problèmes de niveau variable mais deman-

dant toujours un investissement dans la durée.

Remerciements

Même si un seul nom figure sur la couverture de cet ouvrage, il ne faudrait pas oublier qu"un livre est

aux collègues des lycées Louis-le-Grand et Saint-Louis, aux lecteurs et à tous les amis qui m"ont permis

de transformer mes premiers essais en cet ouvrage qui, je l"espère, vous conviendra. 11

Chapitre 1

Bases mathématiques

1.Écritures mathématiques -2.Ensembles et applications -

3.Opérations entre parties -4.Ensembles ordonnés -

5.L"ensemble des entiers naturels

Objectifs et compétences du programme

•Comprendre et savoir utiliser les notations d"un énoncé mathématique. •Connaître les méthodes usuelles de raisonnement. •Appréhender les manipulations entre ensembles, entre parties. •Maîtriser les propriétés des applications. •Rédiger un raisonnement par récurrence. Guiseppe Peano, mathématicien italien (1848-1932)

Il aborde de nombreux domaines mathématiques :

•le théor èmed "existencede solutions pour cer taineséquations diffé- rentielles non linéaires; •les axiomes définissant les entiers natur elsà par tirde la théor iedes ensembles (qu"on citera dans ce chapitre); •la pr emièreutilisation de nombr eusesnotations ensemblistes comme, par exemple, les symboles2ou. Tout au long de sa carrière, il a fait preuve d"une minutie extrême, très efficace pour la recherche, mais qui est devenue un grand travers pour enseigner. Retenons qu"il convient d"être rigoureux mais de ne pas trop l"être si cela interdit de communiquer les idées d"une démarche. 13

COURSCOURSCOURS

Cet important chapitre rassemble un certain nombre de concepts et de méthodes utiles tout au long de

cations qui est rapidement nécessaire pour rédiger avec rigueur. Même si leur étude est moins urgente,

précédemment évoqués.

La lecture linéaire de ce chapitre peut s"avérer difficile pour le lecteur débutant; aussi, celui-ci pourra s"y

reporter avec profit chapitre après chapitre.

1. Écritures mathématiques

1.1. Quelques définitions pour la suite

suivants.

Définition 1.1.

Soit deux entiersnetp. L"entiernest un multiple dep, ou de manière équivalentepest un diviseur den, s"il existe un entierktel quen=kp.

Exemple

Les diviseurs de l"entier 12 sont12,6,4,3,2,1, 1, 2, 3, 4, 6 et 12.

Définition 1.2.

Une suite réelle(un)nadmet le réel`pour limite si, pour tout écart" >0, les termes de la suite(un)nsont à partir d"un certain rang à une distance inférieure à"de`.

Une suite réelle(un)nest convergente s"il existe un réel`qui est limite de cette suite.

Exemple

La suite(un)ndéfinie, pour toutn2N, parun=1enadmet`=1 pour limite. En effet, l"écart entreunet`estenqui est plus petit que"dès quendépasseln(").

Cette dernière dénition est plus facile à comprendre si l"on adopte une représentation graphique pour

les suites. Représentons chaque terme de la suite avec en abscisses son indice et en ordonnées sa valeur

(donc chaque point admet des coordonnées de la forme(n,un)pour un certain entiern). n un

Avec cette convention, la définition se représente alors de la façon suivante : la zone grisée indique les

valeurs dont l"écart à`est inférieur à"et on observe qu"à partir d"un certain rang, les valeurs de la suite

s"y trouvent. 14

Chapitre 1 - Bases mathématiques

COURS

1.2. Écriture avec quantificateurs

Il y a deux symboles mathématiques, appelés quantificateurs, pour écrire définitions et affirmations en

mode mathématique. •Le quantificateur univ ersel8signifie "quel que soit» ou "pour tout». •Le quantificateur existentiel 9signifie "il existe».

Ces quantificateurs servent à introduire (au sens de définir) les variables que l"on va manipuler pour la

suite. À titre d"exemples, réécrivons les définitions de la section précédente.

Définition 1.3.

Soit deux entiersnetp. L"entiernest un multiple depsi

9k2Z,n=kp.

Définition 1.4.

Une suite réelle(un)nadmet le réel`pour limite si

8" >0,9N2N,8n2N,nN) jun`j".

Une suite réelle(un)nest convergente si

9`2R,8" >0,9N2N,8n2N,nN) jun`j".

Dans cette écriture quantiée, on a utilisé le symbole)pour l"implication. On lit donc que sinest plus

grand queN, alors on ajun`j".

Attention, les quantificateurs apparaissent dans les phrases mathématiques mais pas dans les phrases

"de texte». Ils sont placés avant le corps de l"affirmation (en particulier, jamais en fin de phrase)!

Conseils méthodologiques

quantificateurs de même nature (deux universels ou deux existentiels). Dit autrement, toute variable définie par un quantificateur9dépenda prioride toutes les variables définies auparavant. 15

Mathématiques MPSI

Exemple

Une seule des deux phrases suivantes est correcte.

8x2R,9y2R+,y=x2.

9y2R+,8x2R,y=x2.

La première indique l"existence du carré d"un réel; la seconde signifie qu"il existe un réel positif

qui est le carré de tous les réels ce qui est faux puisque 0 et 1, par exemple, admettent des carrés

différents.

Conseils méthodologiques

Pour nier une phrase avec quantificateurs, il faut appliquer les deux étapes suivantes : •on r emplacetout quantificateur existentiel par un quantificateur univ erselet r éciproque- ment (sans en changer l"ordre); •on nie la conclusion.

Ceci est déjà l"usage dans le langage courant; la négation de l"affirmation " tous les élèves sont

bruns» est "il existe un élève non brun».

Exemple

Avec les deux définitions initiales, on obtient l"écriture des négations. .L"entiernn"est pas un multiple depsi

8q2N,n6=q.p,

.La suite réelle(un)n2RNn"est pas convergente si

8`2R,9" >0,8N2N,9n2N,nNetjun`j>".

On remarque que l"on n"a utilisé que la négation de l"implication "P)Q» est "Pet nonQ».

Remarque

On utilise parfois la combinaison de caractères9! pour indiquer "il existe un unique». Par exemple, la

phrase suivante indique que tout réel positif admet une unique racine carrée positive :

8x2R+,9!y2R+,x=y2.

1.3. Écriture d"ensembles

Par exemple, on dispose des notations suivantes :

•N,Z,Q,R,Crespectivement pour les ensembles des nombres entiers naturels, entiers relatifs, rationnels, réels et complexes.

•[a,b](respectivement[a,b[) l"intervalle formé des réels supérieurs ou égaux àaet inférieurs ou

égaux (respectivement strictement inférieurs) àb.

•[[a,b]]l"ensemble des entiers supérieurs ou égaux àaet inférieurs ou égaux àb. On note quelque-

foisNnl"intervalle d"entiers[[1,n]]. •BApour l"ensemble des applications deAdansB; par exemple,RRdésigne l"ensemble des fonc- tions deRdansRetRNl"ensemble des fonctions deNdansRc"est-à-dire des suites réelles. •R[X]l"ensemble des polynômes à coefficients réels.

Tout au long du cours, on introduira de nouvelles notations pour les ensembles particulièrement remar-

quables ou fréquemment utilisés. Toutefois, certains ensembles sont d"usage trop rare pour mériter une

de savoir lire. 16

Chapitre 1 - Bases mathématiques

COURS

.La notation en compréhension consiste à décrire notre ensemble comme une partie d"un ensemble

plus grand formée des éléments vérifiant une ou plusieurs propriété(s). Par exemple, avec les écritures

A=fn2N,9k2N,n=2kg,

B=fx2R,9k2Z,x=10kg.

quotesdbs_dbs12.pdfusesText_18

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