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Polynésie - 9 septembre 2015

[Corrigé du baccalauréat S (spécialité) Polynésie \ A P M E P 9 septembre 2015 EXERCICE 1 Commun à tous les candidats 7 points Partie A 1 Soit u le nombrecomplexe 1−i





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Ainsi (un polyn^ome d’une variable est nul quand ses coe cients le sont) 8k2[0;d]; 8y2J; Q k(y) = 0 De la m^eme fa˘con, Q k est le polyn^ome nul et tous les coe cients k;l le sont P est donc le polyn^ome nul IA 2 P : (x;y) 7x2 + y2 1 est nul sur le cercle unit e, qui poss ede une in nit e d’ el ements, mais n’est pas le polyn^ome nul



Corrig e du devoir surveill e n

polyn^omes, donc d e nies et continues sur R Elles admettent donc des limites egales a leurs evaluations en tout point Par quotient de limites ne s’annulant pas, on a donc lim x1 f(x) = lim x1 x+ 1 x = 1 + 1 1 = 2 On peut donc prolonger par continuit e la fonction fen 1 avec f(1) = 2



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Centrale 2015 - PSI 2

un corrige

1 Resultats preliminaires

IA.1a etant ouvert, il existe une boule centree sur (x;y) de rayonrincluse dans . On a alors

IJ=]xr=p2;x+r=p2[]yr=p2;y+r=p2[

En eet, si (u;v)2IJalorsjxuj< r=p2 etjyvj< r=p2 et donc (xu)2+(yv)2< r ce qui montre queIJD((x;y);r) Remarque : on peut illustrer ceci en remarquant qu'on peut inclure un carre dans un disque. IA.1bPetant un polyn^ome de deux variables, on peut l'ecrire (pour un bonn)

8(x;y)2R2; P(x;y) =nX

k=0 nkX l=0 k;lyl! x k=nX k=0Q k(y)xkavec8k; Qk2R[X] D'apres ce qui precede, poury2Jxe,x7!P(x;y) s'annule surI. Comme c'est une fonction polynomiale et queIest inni, c'est la fonction polynomiale nulle. Ainsi (un polyn^ome d'une variable est nul quand ses coecients le sont)

8k2[0;d];8y2J; Qk(y) = 0

De la m^eme facon,Qkest le polyn^ome nul et tous les coecientsk;lle sont.Pest donc le polyn^ome nul. IA.2P: (x;y)7!x2+y21 est nul sur le cercle unite, qui possede une innite d'elements, mais n'est pas le polyn^ome nul. Le resultat precedent ne subsiste pas avec la seule hypothese inni". IB.1Par denition,Pmest l'espace vectoriel engendre par la famille (fk;l: (x;y)7!xkyl)k;l2N k+lm. C'est donc bien un espace vectoriel! La famille generatice trouvee est libre (puisqu'un polyn^ome n'est nul que si tous ses coecients le sont). Elle forme une base dePmet la dimension de l'espace est donc (pour chaque valeur dek2[0;m], on amk+ 1 choix possibles pourl) dim(Pm) =mX k=0(mk+ 1) =m+1X j=1j=(m+ 1)(m+ 2)2 IB.2PosonsP1: (x;y)7!x+y. On a alors immediatement (P1) = 0. Il est en fait clair que tout polyn^ome de degre 1 est harmonique. PosonsP2: (x;y)7!x2y2. On a alors@1;1P2(x;y) = 2 et@2;2P2(x;y) =2 ce qui montre queP2est harmonique. IB.3aP7!Pest une application lineaire (linearite de la derivation partielle) et l'ensemble des polyn^omes harmonique est l'espace vectoriel (une intersection de sous-espaces est un sous- espace) ker()\ P

IB.3bD'apres le theoreme du rang,

(m+ 1)(m+ 2)2 = dim(Pm) = dim(ker(m)) + dim(Im(m))

Or, de facon immediate on a dim(Im(

m)) Pm2(quand on derive partiellement deux fois, on perd au moins deux degres). Ainsi, dim(Im( m))(m1)m2 et donc dim(ker( m))(m+ 1)(m+ 2)2 (m1)m2 = 2m+ 1 1 IB.3cComme pour toutmon a ker(m)ker(), on peut en deduire que l'espace vectoriel des polyn^omes harmoniques est de dimension innie. IC.1PosonsH(x;y) =xy.Hest un polyn^ome harmonique qui est partout egal af: (x;y)7!xy. IC.2Une recherche au brouillon nous amene a poserH(x;y) =x4y4+ (1x2y2)(x2y2). Il est evident queH(x;y) =x4y4quand (x;y)2C(0;1). Le calcul montre facilement queH est harmonique.

2 Quelques exemples d'applications harmoniques

II.A x0;y0;est l'image de par une homothetie de rapportcomposee avec une translation de

vecteur (x0;y0). Dans le cas propose, on obtient le dessin suivantIIB.1Comme@ifest de classeC2, on peut lui appliquer le theoreme de Schwarz qui indique que

l'on peut permuter les derivees partielles. On a ainsi (@if) =@i(f)

Quandfest harmonique,@1fet@2fle sont donc aussi.

IIB.2Comme il a ete indique plus haut,

x0;y0;=T(x0;y0)H( ouTuest la translation de vecteuruetH=Idest l'homothetie de rapport(de centre l'origine). On notera que nos deux applications sont des bijections (reciproques) en sorte que =H1T(x0;y0)( x0;y0;)

Soit (x;y)2

x0;y0;; posons (x0;y0) =H1T(x0;y0)(x;y). C'est un element de et il existe doncr >0 tel queD((x0;y0);r) . On a alors

D((x;y);jjr) =T(x0;y0)HD((x0;y0);r)T(x0;y0)H(

x0;y0;

Ceci montre que

x0;y0;est un ouvert.

On peut aussi conclure en remarquant que

x0;y0;est l'image reciproque de par l'application continueH1T(x0;y0). 2 IIB.3Posonsh(x;y) =g((x;y) + (x0;y0)). On a alors (quandgest de classeC2,hl'est aussi par theoremes d'operations) i;ih(x;y) =2@i;ig((x;y) + (x0;y0)) et le caractere harmonique degentra^ne immediatement celui deh. IIC.1h1eth2sont de classeC2sur l'ouvertR2n f(0;0)gpar theoremes d'operations. De plus

1h1(x;y) =2xx

2+y2; @1;1h1(x;y) =2(y2x2)(x2+y2)2

2h1(x;y) =2yx

2+y2; @2;2h1(x;y) =2(x2y2)(x2+y2)2

et on a donc (h1) = 0, c'est a direh1harmonique. En remarquant queh2=12 @1h1, on en deduit avec les questions precedentes queh2est aussi harmonique.

IIC.2Notons'tl'application proposee. On a

t=1 + cos(t)@1h1+ sin(t)@2h1 qui est harmonique comme combinaison lineaire de fonctions harmoniques. IID.1On remarque que (en utilisant les notations introduites en question precedente) N t(x;y) ='t(xcos(t);ysin(t)) On est dans le cas de la questionII.B.3avec= 1, (x0;y0) = (cos(t);sin(t)) etg='t. Cette question indique queNtest harmonique sur l'image deR2n f(0;0)gpar (x;y)7! (x+cos(t);y+sin(t)) c'est a dire surR2nf(cos(t);sin(t))g.D(0;1) etant inclus dans ,Ntest harmonique surD(0;1). IID.2Par theoremes d'operations,t7!N(x;y;t) est de classeC1sur son domaine. Les seulst qui peuvent poser probleme sont ceux tels que (x;y) = (cos(t);sin(t)) et il n'y en a pas puisque (x;y)2D(0;1).Ntest donc denie et de classeC1surRet donc en particulier elle est continue sur [0;2]. IID.3Apres un calcul au brouillon (coecients indetermines), on devine que== 1 convient.

On le verie.

1 +11zeit+11zeit=(1zeit)(1zeit) + 1zeit+ 1zeit(1zeit)(1zeit)

1zz(zeit)(zeit)

1(x2+y2)jzeitj2

1(x2+y2)(xcos(t))2+ (ysin(t))2

=N(x;y;t) IID.4En utilisant le DSE de11+u(valable sur ]1;1[) et commejzeitj=jzj<1, on a

8t2[0;2];11zeit=1X

k=0z keikt Soitfk:t7!zkeikt. (fk) est une suite de fonctions continues sur [0;2] etkfkk1;[0;2]=jzjk est le terme general d'une serie convergente (geometrique de raisonjzj<1).P(fk) est donc 3 normalement convergente sur le SEGMENT [0;2]. On est dans un des cas d'interversion somme-integrale et on peut ecrire Z 2

0dt1zeit=1X

k=0z kZ2 0 eiktdt= 2 toutes les integrales etant nulles sauf celle pourk= 0. En conjuguant, on a aussi Z 2

0dt1zeit= 2

Avec la question precedente, on a alors

12Z 2 0

N(x;y;t)dt= 1

3 Probleme de Dirichlet sur le disque unite deR2

IIIA.1aIl s'agit d'utiliser le theoreme de regularite des integrales a parametres. Ici,yest xe etquotesdbs_dbs7.pdfusesText_5