scientifique Voie : Physique chimie et sciences de lingénieur (PCSI
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Classes préparatoires aux grandes écoles
Filière scientifique
Voie Physique, chimie et sciences de
l'ingénieur (PCSI)Annexe 1
Programme de mathématiques
Classepr paratoirePCSI
Programmedemathmatiques
Prambule2
Objectifsdeformation.... ... ...... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ..2 Descriptionetpriseencomptedes comptences ........ ... ...... ... ........ ... ... ..2 Unitdelafor mation scientiÞque... ............... ........ ... ... ... ... ... .. ..3 Architectureetcontenuduprogramme.. ... ...... .. ............... ... ... ... .. ... 4 Organisationdutexte........ ... ...... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .4Premiersemestre6
Raisonnementetvocabulaireensembliste..... ... ................. ... ... ... ... .. .6 Complmentsdecalculalgbriqueet detrigonomtr ie....... ........ ... ... ...........8 Nombrescomplexes..... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..9 Techniquesfondamentalesdecalculdiffrentiel etintgral.......... ... ... .............. 10 A-F onctions dÕunevariablerelleval eursrellesoucomplexes.. ........ ......... ... .10 B-P rimitives etquationsdiffrentielles linaires. ........ ....................... .11 Nombresrelsetsu itesnumriqu es.. ......... ................. ... ... ... ... .. ..12FonctionsdÕunevariablerelle:limiteset continuit,driv abilit...... ...... ... ... .. ......14
A- Limiteset continuit.. ... ........... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... 14 B- Dri vabilit................. .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..15 Polynmes....... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 17 Analyseasymptotique.. ......... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .19 Espacesvectorielsetapplicat ionslinai res. .............. ..................... ... .20 A-E spacesv ectoriels..... .............. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..20 B-E spacesd edimensionÞnie ...... .............. ...... ... ... ... ... ... ... 21 C- Applicati onslinaires......... ........... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .22 Matricesetdterminants... ...... .............. ... ... ... ... .. ... ... ... ... .23 A-M atrices etapplicationslinaires..... ... ........... ...... ... ... ... .. ... ..23 B-D termin ants................ .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..24 Intgration........ ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ..25 Dnombrement.... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... 26 Probabilits......... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 27 A-P robabi litssurununiversÞni,variables alatoir esetlois... .............. ...... ...27 B- Espr anceetvariance.......... ... ........... ... ... ... ... ... .. ... ... 28 Espacesprhilbertiensrels.. ..... ...... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ..29 Sriesnumriques... ......... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ..30 Fonctionsdedeuxvariables..... ... ...... ........ ... ... ... ... ... ... .. ... ... .31MathmatiquesPCSI
1/32Prambule
Lesprogramm esdemathmatiquesdesclassesprparatoiresscientiÞquesM PSI,PCSI, PTSI,MP2I,MP,PC,PS I,PT,
MPIsontconuscomme unsoclec ohrentetambit ieuxdeco nnai ssancesetdecapacits ,aveclÕobjectif dep rparerles
delÕing nierie,delÕenseignement,delarecher che.Objectifsdeformation
Enclasseprpara toires cientiÞque,lesmathmatiquesconstituentcon jointementunedisciplinescientiÞquepar ten-
desco nnaissancesetdesmthodesncessairesauxautresdisciplinesscientiÞques . Lafor mationestconueenfonction dequatre objectifsessentiels: Ðfournirunsolidebagage deconnais sances,dec onceptsetdemth odes;solutionrigoureuse ,contrlerlesrsultatsobtenusetvaluerlapertin encedesconcepts etdesrsu ltatsauregard
ÐdvelopperlÕintuition,lÕimagi nation,leraisonnemen tetlarigueur; contre-exemples;dvelopperainsiuneattitudedeq uestionnementetderecherche.Encontinu itaveclesprogrammesdemathmatiquesduly ce,lespr ogrammesdes classesprparatoiresscientiÞques
dÞnissentuncorpusdeconnaissances etdecapacitsete xplic itent sixgrandescomptences mathmati ques:
la ralit, levalider,lecritiqu er;
oureprsent erunobjetmathmat ique,passe rdÕunmodedereprsentation unautre,changerderegistre;
ouinÞr meruneconjectur e;Ðcalculer,ut iliserlelangagesymbolique:man ipulerdes expressionscontenantdessy mboles,organiserles
diffrentestapesdÕuncalculcomplexe ,effectuerun calculautomatisablelam aino lÕaidedÕuninstrument
(calculatrice,logiciel...),contrlerles rsultats;ÐcommuniquerlÕcr itetlÕoral:compr endre lesn oncsmathmatiques critspar dÕautres,rdigerune
solutionrigoureuse,prsenter etdfendreuntravailmathmatique.Chercher
Cettecomptencev isedvelopperlesattitudesdequestionnementet derecher che,au traversderellesactivits
mathmatiques,prenantplaceausein ouendehorsdelaclasse.Lesdiffr entstemp sdÕe nseignement(c ours,trav aux
dirigs,heuresdÕin terrogat ion)doiventprivilgierladcouverteetlÕexploitationdeproblmatiques,larßexionsur
enseignementuncoursdogmatique :aÞn dedvelopperl escapacitsdÕau tonomiedestudiants,il doitles amener
sep ose reux-mmesdesquestions,prendreen compteun epr oblmatiquemathmatique,u tiliser desoutils
logiciels,etsÕappuyersurlar echerc heetl Õexploitation,individuelleou enquipe,d edocum ents.
Lestrava uxpropossauxtudiantsendehor sdestempsdÕenseignementdoi vent combinerlarsolutiondÕexercices
dÕentra"nementrelevantdetechniq uesbienrpertoriesetl Õtudedeq uestionspluscomplexes.Posessousformede
largeventai ldeconnaissancesetdecapacits.Modliser
Lepr ogrammeprsentedesnotions ,mthodesetoutils mathmat iquespermettantdemodliserlÕtate tlÕvolution
quienat faitparla mcanique ,laphysique, lac himie,les sciencesde lÕingnieur.Cesinterp rtation sviennent
Lamodlisa tioncontribueain sidefaonessentiellelÕunitdela formationscientiÞqueetvalide lesappr oches
MathmatiquesPCSI
2/32entrelesdiffren tschamps deconnaissancescientiÞque(mathmatiqu esetphysique ,math matiquesetchimie,
mathmatiquesetsciencesindu striel les,mathmatiquesetinfor matique).Reprsenter
Unobjetmathmat ique seprteengnraldesreprsentationsissuesdediff ren tscadresou regi stres:algbriq ue,
gomtrique,graphique,numrique .laborerunereprsentation,changer decadre,traduiredesinformationsdans
plusieursregistr essontdescomposantesdecet tecomptence .Ainsi,enanalyse, leconceptdefonctionsÕapprhende
arbre,untableau,desen sembles.Lerec oursrgulie r desÞguresoudes croq uispermetdedvelopperun evision
gomtriquedesobjetsabstrai tset favorisedefructueu xtransfertsdÕintuition .Raisonner,argumenter
auxtu diantsdesuivreetdÕva luerl Õencha"nementdesargumentsqu ilacomp osent;lapratiquedeladmonstration
leurapprend creretexprimer eux-mmesdet els arguments.LÕi nt rtdelaconstructiondÕunobjetmathma tique
rinvestirdesconceptsetdesrsultatst horiques . Calculer,manipulerdessymboles,ma"tri serleformalismemathmatiqueLecalculet laman ipu lationdessym bolessontomniprsentsdanslespratiquesmath matiques .Ilsensontdes
composantesessentielles,inspar ablesdesraisonnementsq uilesguidentouquÕ ensensi nverseilsoutillent.
MenerefÞcacementun calculsimplefaitpar tie descomp tencesattenduesdestudi ants.Enrevanch e,lessituations
Lama" trisedesmthodesdecalculÞgurant auprog rammencessit eaussila connaissancedeleurcadredÕapplication ,
lÕanticipationetlecontrle desrsultat squÕellespermet tentdÕobtenir.CommuniquerlÕc rite tlÕoral
Laphase demiseaupoin tdÕu nraison nementet derdactiondÕunesol utionpermetdedvelopperl escapacits
dÕexpression.Laqualitdelardactionetdelaprsentation,l acl artetlap rc isiond esraisonnements, constitu entdes
etchac undesestudiants,en trelestudiant seu x-mmes,doitgalementcontribuerdv elopperdescapacits
decommu nication(couteetexpressionorale)traversl aformulationdÕuneq uestion,dÕu nerponse ,dÕuneide,
groupespropossauxtudiants endehorsdutem psdÕenseign ement,auly ceou lamaison,(interrogation sorales,
devoirslibres,compt esrendusdetr avauxdiri gsoudÕinterrogationsorales) contr ibuentfortementdv eloppercette
comptence.Lacommunic ationutilisedesmoy ensdiversiÞs:lestudiantsdoivent trecapablesdep rse nterun
travailclairetsoign,lÕcritou lÕor al,au tableauoul Õaid edÕundispositifde proj ection.
LÕintgrationdescomptenceslafor mationdestudiantspermet chacundÕeuxdegrer sespr opresa pprentissages
serecouv rentlargementetilimportedelescon sidrerglobaleme nt: leuracquisitiondo itsefaire dansl ec adrede
situationssufÞsammentrichespou rncessiterlamobilisationdeplu sieursdÕentr eelles.Unitdelafor mation scientiÞque
Ilestimportant de mettreenvaleurlÕint eractionent relesdiffrentes partiesdu programme,tantaun iveauducours
danscedomained uprogramme; lespr obabilitsutilisentle vocabulaireensemblisteetillust rentcerta insrsultats
dÕanalyse.Lacoopration desenseignantsd Õune mmeclasseoudÕunemmedisciplineet,p luslargement,celle delÕensemb le
desensei gnantsdÕuncursusdonn,doitcont ribuerdefaonefÞcaceet cohrentelaqual itdecesi nteractions.
Ilimportea ussiquelecontenucu lturelethistoriq uedesmathmatiqu esnesoit passacriÞaupr oÞtdelaseule
technicit.Enparticulier,ilpeutsÕavrerpertinentd ÕanalyserlÕinter actionentreuncontextehistor iquee tsoci aldonn,
uneproblma tiquespciÞqueetlaconstruction,pourlarsoudre, dÕoutilsmathmatiq ues.MathmatiquesPCSI
3/32Architectureetcontenuduprogramm e
probabilitssontintroduitesausecondsemestr e.Sila gomtrienÕappara"tpascommeunchampautonome,son
importancedanslareprsen tationdesobjet sduprogramme nesauraittresous-estime.Ains i,le programme
euclidiens,lesfonctionsdÕunevar iablerelle .Lesnotionsde gomtrieafÞneeteuclidiennet udiesaulyceson t
reprisesdansuncadreplus gnral.LÕtudedechaquedomainepe rmetde dvelopperdesaptitudesaur aisonnementet lamodlisationetdÕtablir des
liensaveclesautres disciplines.linaire,pourlaquelleunquilibre est ralisentrelespoint sdevuegomtri queetnumrique.Ilimpor tedesouligner
Lepr ogrammedÕanalyseestcentrautourd esconceptsfondamentauxdefonctionet desui te.Lesin teractionsen tre
etquan titatifs,ildveloppeconjointement lÕt udeducomportementglobalde suiteoudefonctionaveccellede
leurcomporte mentlocalouasymptotique.Ëcetitre,lesmthodesd elÕanalyseasymptotiquef ontlÕob jetdÕune
sectionspciÞque,qui estexploitultrieurement danslÕtudedes sries .PourlÕtudedessolutions desquations,le
LÕenseignementdesprobabilitsseplacedansle cadre desuniversÞnis.Ilav ocation inter agiravecle restedu
programme.Lanotiondevariablealatoirepe rmetd Õaborderdessit uat ionsrellesncessitant unemodlisation
probabiliste.LÕaccentmissurcettenotion permetdetra vailler rapidementavecdes vnemen tsconstr uitsentermes
devar iablesalatoires.desfonctions ,calculdeprimitives ,rsolution dec ertainstypesdÕquationsdiffrentielles).Les thoriessou s-jacen tes
sonttudies ultrieurement, cequidoitenfaciliterlÕassimilation.exemplessimples, uncertainn ombrede mthodesdecalcul,maisaussiconna"tre leurcadredÕapplic ationetla forme
desrsult atsquÕellespermettentd Õobtenir.Encohren ceaveclÕintroductiondÕun enseignementd Õalgorithmiqueaulyce,leprogrammeencour ageladmarche
algorithmiqueetlerecours lÕ outilinfo rmatique(calculatrices,logiciels).IlidentiÞeun cert ainnombredÕalgorithmes
quidoivent treconnusetpratiq usparlestudi ants.Ceux-cidoiventgalementsav oirutilis erlesfonctionnalits
graphiquesdescalculatri ceset deslogiciels.Levol umeglobalduprogrammeat conupou rlibrer destempsddisunemi se enac tiviteffective destudiant s,
quelquesoi tlecontextepr opos(cours,tr avaux dirigs).Organisationdutexte
Leprogr ammedÞnitlesobjectifsdelÕenseign ementetdcritl esconnaissan cesetlescapacitsexigibles des tudiants;
ilprciseaussi cert ainspoin tsdeterminologieetcer tainesnotations .Il Þxeclairementleslimites respecter tantau
niveaudelÕenseignement quedes preuvesdÕvaluation,ycomprisparlesop rateursdec oncours .
ËlÕ intrieurdechaquesemestre,leprogr ammee stdclinen sections.Chaquesectioncomporteunbande audÞ -
nissantlesobjectifsessentiel setdli mitantlecadredÕtudedes notionsquiluisontrela tiveset untexteprsenten
deuxcol onnes:gaucheÞgurent lescontenus dupr ogramme(connaissancesetmth odes);droiteuncommentaire
indiquelescapa citsexigi blesdestudiants,prcisequelqu esnotationsainsiqueles ensoules limitesdonner
certainesquestions.Ël Õintrieurdechaquesemestr e,le professeurconduitentoutelibert,dansle respect dela
cohrencedelaformationglobale, lÕorg anisationdeso nenseignementetlechoixdesesmthodes. Enparti culier,
lachr onologieretenuedanslaprsentationdesdiff rentessectionsdechaquesemestrenedoitpastr einterprte
objectifsdelÕenseignemen tdi spensaucoursdecettepriode.Cesobjectifssont dtaillsdanslebandeauquis uitle
titreÇPremiersemestreÈ.Parmilesconnaissances(dÞn itions,notation s,noncs,dmonstrat ions,mthodes, algorithmes...)etlescapacitsde
mobilisationdecesconnaissan ces,le textedu programmedlimitetroiscatgories:Ðcellesquisont exigiblesdes tudiants :ilsÕagitdelÕensembledes po intsÞgurantdanslacolonnedegauched es
diffrentessections;MathmatiquesPCSI
4/32Ðcellesquisont indiquesdanslesban deauxoud anslacolonne dedroitecomm etant Çhorspro gramme È.Elles
nedoiven tpastretraitesetnepeuvent fairelÕ objetdÕaucunepreuv edÕvaluatio n;
particulierdesactivitspro poses pourillustrerlesdiffrentesnotions duprogramme.droiteparlalocutionÇdmonstration nonexigibleÈ,leprofesseur estlib re dÕapprcie r,selonlecas,sÕ ilestsouhaita ble
dedmontr erendtaillersultatconsidr,d Õindiq uerse ulementl Õidedesadmonstr ation,oud elÕadmettre.
AÞnde faciliterl Õorganisationdutravailde studiantsetdemontrerlÕintrtdesnotionstudies ,ilcon vientdÕen
aborderlÕenseignementen coordinationavecles autr esdisciplinesscientiÞques.MathmatiquesPCSI
5/32Premiersemestre
Lepr emiersemestrevisedeuxobject ifsmajeurs.
¥Amnagerunpassag eprogressi fdelaclassedetermina lelÕenseignementsuprieur,encommen antpar
renforceretapprofondirlesconn aissancesdes bacheliers.Ëcetitre ,troissection sjouentunrlepar ticuli er.
ÐLasecti onÇRaisonnementetvoc abulaire ensemblisteÈregroup edesn otionsdontlaplupartontt misesen
placeaulyc e.I lsÕagitdelesconsolideretdele sstructureraÞn quÕellessoien tma"trises parles tudiantsla
Þndup remier semestre.CettesectionnÕ apasvocationt reenseignedÕun seultenantnientoutdbutde
semestre.ÐLessections ÇComplmentsdecalculalgbriqueet detr igonomtrieÈetÇ Techniquesfo ndame ntalesdecalcu l
ce stade,mais dmontrsplusloind ansleprogramme. Cetteprsentationendeux temps, destinef aciliter
lesappr entissages,peuttremoduleparleprofesseur.¥Susciterlacuriosit et lÕintrtdestudiantsenleurprsent antunspect resufÞsammentlargedeproblma tiques
etde champsnouv eaux.ÐLasec tionÇNombr escomplexesÈ permetlÕtudealgbriqueetgomtrique dec esnombr es.Elleab ordedes
ÐLessection sÇNombresrelsetsuitesnumriques ÈetÇ Limites,continuit ,drivabilit Èf ondentl Õanalyse
rellesurdesb asessolides.ÐParlespossibilits quÕelleoffre decombinerbeau coupdÕidesetdet echniquestudiesaucours dupremier
semestre,lasectionÇPolyn mes Èconst itu eunobjetdÕtudepertinentpourlaÞndusemestre.
ma"triserapide destechniquesdecalculestunimpr atif,notammenten vuedelÕenseignementdeph ysique-ch imie.
Lesensemblesde nombresusuelsN,Z,Q,Rsontsuppossconn us. Touteconstructionesthors programme.Raisonnementetvocabulairee nsembliste
Cettesectionregroupe lesdiffrents pointsdevocabulaire,notations ,outilsetr aisonnementsncessairesauxtudi ants
pourlaconcept ionetlardaction efÞcacedÕuned monstration math matique.Cesnotionsdoiv enttreintroduitesde
Leprogr ammeselimitestrictement auxnoti onsdebaseÞguran tci-dessous.Toutetudesystmati quedelalogiqu e,dela
thoriedesensembles oudelÕari thmtiqueesthorspr ogramme.CONTENUSCAPACITS&COMMENTAIRES
a)Rudiment sdelogique QuantiÞcateurs.LÕemploidequantiÞcateurseng uised Õabrviationest exclu.Implication,contraposition,quivalence .Lestudiants doiventsavoirformulerlangationd Õune
proposition.Modesderaisonnement :pardisj onctiondescas,par
prciserles notionsdecondition ncessaireetcondi tion sufÞsante. Raisonnementparrcurrence(simple ,double,f orte).Touteconstructionettou teaxiomatiquedeNsonthors programme. b)Ensem blesEnsemble,appartenance.Ensem blevide.
Inclusion.Partie(ousous-en semble).
Oprationssurlespartie sdÕ unensembl e:runion,inter- section,diffrence,compl mentaire.NotationA\Bpourladi ffr enceetE\A,AetA
c pourle complmentaire. ProduitcartsiendÕun nombreÞnidÕensembles .EnsembledespartiesdÕ unensemble .NotationP(E).
Recouvrementdisjoint,partition.
MathmatiquesPCSI
6/32CONTENUSCAPACITS&COMMENTAIRES
c)Ensem blesdenombresusuels Entiersnaturels,entiersr elatifs,divisibi litdansZ,divi- seurs,multiples. PGCDdedeuxen tiersrelat ifsdontlÕu naumoinsestnon nul. LePGCDdeaetbestdÞnic ommetant leplus grand lment(pourlÕordrenatu reldansZ)del Õensemble des diviseurscommunsaetb. PPCM.AlgorithmedÕEuclide.
Nombrepremier.
LÕensembledesno mbres premiersestinÞni.
Existenceetunici tde ladcompositiondÕunentierna- turelnonnulenprodu itde nombre spremiers .Ladmonstrationest horsprogramme.
ApplicationaucalculduPGCDetduPPCM.
Nombresdcimaux,rationnels,r els,i rrationnels.Laconstruc tiondesensemblesdenombresusuels,en particuliercelledeR,est hors programme. d)A pplicationsApplicationdÕunensembledansu nensemble.
GraphedÕuneapplication.
Lepointdevue estintu itif:u neapplication deEdansF associetoutlmen tdeEununiq uelmentdeF.Leprogramm enedistinguepaslesnotionsdefonction
etdÕap plication.NotationsF(E,F)et F
EFamilledÕlmentsdÕun ensemble.
FonctionindicatricedÕunepar tiedÕunensemble.Notation1 ARestrictionetprolongement.N otationf|
AImagedirecte .Notationf(A).
Imagerciproque. Notationf
1 (B).Cet tenotationpouvantpr terconfu- sion,onp eutpr ovisoirementenutiliser uneautre.Composition.
Injection,surjection.Composededeuxinjecti ons,de deuxsurjections . Bijection,rciproque.C omposededeuxbijections,rci- proquedelacompose.Notationf
1 .Comp atibilitdecettenotationavecc elle delÕimag erciproque .MathmatiquesPCSI
7/32 Complmentsdecalculalgbriqueetd etr igonomtrie Ðcalculsdesommesetdeprodui ts,dont laformul edubin me; ÐmanipulationdÕingalitsetrsolut iondÕinquations; Ðutilisationducercletrigonomt rique,mani pulationdeslignesetfonctionstri gonomtriques.CONTENUSCAPACITS&COMMENTAIRES
a)Sommese tproduits SommeetproduitdÕune famille Þniedenombresrels. Notations i"I a i n i=1 a i i"I a i n i=1 a i .C asoIestvide . Sommesetproduits tlescopiques ,exemplesdechange- mentsdÕindicesetde regroupement sdeter mes. Danslapratiqu e,ones tlibredeprsenterlescalculsavec despo intsdesuspension.ExpressionssimpliÞesde
n k=1 k, n k=1 k 2 n k=0 x kFactorisationdea
n b n para b. Sommesdoubles.Produitde deuxsommesÞnies.Exemp lesdesommestriangul air es. Rappelssurlafact orielle ,lescoefÞcient sbinomiaux.FormuledubinmedansR.
Convention
n k =0pour k<0etk>n. tionsdeuxoutrois inconnu es. Interprtationgomtrique:intersectiondedr oites dansR 2 ,deplan sdans R 3 Algorithmedupiv otetmiseen videncedesoprationslmentaires.
NotationsL
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