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Correction Concours ENSA Tanger 2012 — Mathématiques

Correction Concours ENSA Tanger 2012 — Mathématiques

Concours d’accès en 1ère année des classes préparatoires de l’ENSA Tanger — Édition 2012.

Correction détaillée et vérifiée des questions 1 à 25.

Cette page présente la correction pédagogique complète de l’épreuve de mathématiques du Concours ENSA Tanger 2012.

Chaque question est reprise avec ses propositions, un rappel utile, une résolution détaillée et la réponse finale.

Question 21 — anomalie de l’énoncé : la relation correcte obtenue par déterminant est \[ \det(A+I_n)=\frac{2^n}{\det A}, \] et non \(\dfrac2{\det A}\). Par conséquent, aucune des trois propositions n’est entièrement correcte telle qu’elle est imprimée. La réponse prévue était vraisemblablement B.

Tableau des réponses finales

\[ \begin{array}{c|cccccccccc} \text{Question} & 1&2&3&4&5&6&7&8&9&10\\ \hline \text{Réponse} & A&B&B&B&C&B&A&C&B&A \end{array} \] \[ \begin{array}{c|cccccccccc} \text{Question} & 11&12&13&14&15&16&17&18&19&20\\ \hline \text{Réponse} & B&A&C&C&A&B&A&C&B&A \end{array} \] \[ \begin{array}{c|ccccc} \text{Question} & 21&22&23&24&25\\ \hline \text{Réponse} & \text{Aucune}^{*}&B&B&C&A \end{array} \]

* Q21 : réponse prévue probablement B si l’affirmation (V) est corrigée avec \(2^n\).

Correction détaillée question par question

Question 1 — Somme d’entiers consécutifs

Rappel complet de la question

La liste commence par \(-15\), contient des entiers consécutifs et sa somme vaut \(51\). Déterminer son nombre de termes.

A) \(34\).
B) \(50\).
C) \(18\).
Rappel utile
Une liste de \(m\) entiers consécutifs commençant par \(-15\) se termine par \(m-16\).
Correction

Si la liste contient \(m\) termes, son dernier terme est :

\[ -15+(m-1)=m-16. \]

Sa somme vaut :

\[ \frac{m\bigl(-15+m-16\bigr)}2 = \frac{m(m-31)}2. \]

On résout :

\[ \frac{m(m-31)}2=51, \] \[ m^2-31m-102=0. \]

Le discriminant est :

\[ \Delta=31^2+4\times102=1369=37^2. \]

La seule solution positive est :

\[ m=\frac{31+37}{2}=34. \]
Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Question 2 — Suite géométrique alternée

Rappel complet de la question\[ \lim_{n\to+\infty} \frac{(-1)^n3^{n+1}}{\pi^n}. \]
A) \(3\).
B) \(0\).
C) \(\dfrac3\pi\).
Rappel utile
On écrit : \[ \frac{(-1)^n3^{n+1}}{\pi^n} = 3\left(-\frac3\pi\right)^n. \]
Correction

Comme :

\[ 0\lt\frac3\pi\lt1, \]

on a :

\[ \left(-\frac3\pi\right)^n\longrightarrow0. \]

Donc :

\[ 3\left(-\frac3\pi\right)^n\longrightarrow0. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 3 — Somme géométrique

Rappel complet de la question

On pose :

\[ Z_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{e^{k-1}}{\pi^{k+1}}. \]

Calculer \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty}Z_n\).

A) \(+\infty\).
B) \(\dfrac1{\pi(\pi-e)}\).
C) \(\dfrac1{\pi-e}\).
Rappel utile
La somme est géométrique de premier terme \(\dfrac1{\pi^2}\) et de raison \(\dfrac e\pi\).
Correction\[ Z_n = \frac1{\pi^2} \sum_{j=0}^{n-1} \left(\frac e\pi\right)^j. \]

Comme \(0\lt\dfrac e\pi\lt1\), la somme converge vers :

\[ \frac1{\pi^2} \cdot \frac1{1-\frac e\pi}. \]

Donc :

\[ \lim_{n\to+\infty}Z_n = \frac1{\pi(\pi-e)}. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 4 — Modélisation d’une production

Rappel complet de la question

La production diminue de \(10\%\) chaque mois, puis \(150\) mixeurs sont ajoutés. Déterminer la relation entre \(t_{n+1}\) et \(t_n\).

A) \(t_{n+1}=0{,}1t_n-150\).
B) \(t_{n+1}=0{,}9t_n+150\).
C) \(t_{n+1}=0{,}1t_n\).
Rappel utile
Une diminution de \(10\%\) laisse \(90\%\) de la production précédente.
Correction

Après la diminution mensuelle, la production vaut :

\[ 0{,}9t_n. \]

On ajoute ensuite \(150\) mixeurs :

\[ t_{n+1}=0{,}9t_n+150. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 5 — Production à long terme

Rappel complet de la question

Suite de la question précédente. Déterminer la production mensuelle limite.

A) \(10\).
B) \(90\).
C) \(1500\).
Rappel utile

Il ne suffit pas de trouver une valeur possible de la limite : il faut aussi vérifier que la suite converge effectivement vers cette valeur.

Correction

D’après la question précédente :

\[ t_{n+1}=0{,}9t_n+150. \]

La valeur d’équilibre \(P\) vérifie :

\[ P=0{,}9P+150, \]

d’où :

\[ P=1500. \]

Pour démontrer que la suite converge réellement vers \(1500\), on calcule :

\[ t_{n+1}-1500 = 0{,}9t_n+150-1500 = 0{,}9(t_n-1500). \]

Par récurrence :

\[ t_n-1500 = 0{,}9^n(t_0-1500). \]

Or :

\[ 0{,}9^n\longrightarrow0. \]

Ainsi :

\[ t_n-1500\longrightarrow0, \]

et donc :

\[ t_n\longrightarrow1500. \]
Réponse finale : \(\boxed{C}\)

Question 6 — Critère du quotient

Rappel complet de la question

La suite \((u_n)\) est strictement positive et vérifie :

\[ \lim_{n\to+\infty}\frac{u_{n+1}}{u_n}=\frac12. \]

Déterminer sa limite.

A) \(\dfrac12\).
B) \(0\).
C) \(0\lt L\lt\dfrac12\).
Rappel utile
Lorsque le quotient tend vers un réel strictement inférieur à \(1\), les termes décroissent au moins géométriquement à partir d’un certain rang.
Correction

Choisissons un réel \(q\) tel que :

\[ \frac12\lt q\lt1. \]

À partir d’un certain rang \(N\) :

\[ \frac{u_{n+1}}{u_n}\le q. \]

Donc, pour \(n\ge N\) :

\[ u_n\le u_Nq^{n-N}. \]

Comme \(q^{n-N}\to0\), on obtient :

\[ u_n\longrightarrow0. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 7 — Somme télescopique

Rappel complet de la question

On pose :

\[ T_n= \sum_{p=1}^{n} \left( 2^{\frac1{2p-1}} - 2^{\frac1{2p+1}} \right). \]

Calculer sa limite.

A) \(1\).
B) \(0\).
C) \(+\infty\).
Rappel utile
Les termes se simplifient deux à deux.
Correction\[ T_n = \left(2-2^{1/3}\right) + \left(2^{1/3}-2^{1/5}\right) +\cdots+ \left(2^{1/(2n-1)}-2^{1/(2n+1)}\right). \]

Donc :

\[ T_n=2-2^{1/(2n+1)}. \]

Or :

\[ 2^{1/(2n+1)}\longrightarrow1. \]

Ainsi :

\[ T_n\longrightarrow1. \]
Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Question 8 — Aire maximale d’un rectangle

Rappel complet de la question

Sous la courbe \(y=e^{-x^2}\), on inscrit un rectangle symétrique de largeur \(2x\) et de hauteur \(e^{-x^2}\), avec \(x\gt0\). Déterminer son aire maximale.

A) \(\sqrt{2e}\).
B) \(\dfrac{\sqrt2}{2}\).
C) \(\sqrt{\dfrac2e}\).
Rappel utile

L’aire du rectangle est le produit de sa largeur par sa hauteur :

\[ A(x)=2xe^{-x^2}. \]

Pour déterminer un maximum, on étudie le signe de la dérivée.

Correction

Pour \(x\gt0\) :

\[ A'(x) = 2e^{-x^2}(1-2x^2). \]

Comme \(2e^{-x^2}\gt0\), le signe de \(A'(x)\) est celui de \(1-2x^2\).

\[ 1-2x^2\gt0 \quad\Longleftrightarrow\quad 0\lt x\lt\frac1{\sqrt2}, \] \[ 1-2x^2=0 \quad\Longleftrightarrow\quad x=\frac1{\sqrt2}, \] \[ 1-2x^2\lt0 \quad\Longleftrightarrow\quad x\gt\frac1{\sqrt2}. \]

Ainsi, \(A\) est croissante sur \(]0,\frac1{\sqrt2}]\), puis décroissante sur \([\frac1{\sqrt2},+\infty[\). Elle atteint donc son maximum pour :

\[ x=\frac1{\sqrt2}. \]

La valeur maximale est :

\[ A\left(\frac1{\sqrt2}\right) = 2\cdot\frac1{\sqrt2}\, e^{-\frac12} = \sqrt2\,e^{-\frac12} = \sqrt{\frac2e}. \]
Réponse finale : \(\boxed{C}\)

Question 9 — Limite trigonométrique

Rappel complet de la question\[ \lim_{x\to0^+} \frac{\sin(\pi x)} {1-\cos\bigl(\sqrt{\pi x}\bigr)}. \]
A) \(0\).
B) \(2\).
C) \(\sqrt\pi\).
Rappel utile
On utilise : \[ \frac{\sin u}{u}\to1, \qquad \frac{1-\cos v}{v^2}\to\frac12. \]
Correction

On écrit :

\[ \frac{\sin(\pi x)} {1-\cos(\sqrt{\pi x})} = \frac{\sin(\pi x)}{\pi x} \cdot \frac{\pi x}{1-\cos(\sqrt{\pi x})}. \]

Posons \(v=\sqrt{\pi x}\). Alors \(v^2=\pi x\), donc :

\[ \frac{\pi x}{1-\cos(\sqrt{\pi x})} = \frac{v^2}{1-\cos v} \longrightarrow2. \]

Le premier facteur tend vers \(1\). Ainsi, la limite vaut :

\[ 2. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 10 — Limite d’une intégrale à borne variable

Rappel complet de la question\[ \lim_{h\to0} \frac1h \int_e^{e+h}\frac{dx}{(\ln x)^2}. \]
A) \(1\).
B) \(e\).
C) \(0\).
Rappel utile

On introduit la fonction :

\[ F(x)=\int_e^x f(t)\,dt. \]

Lorsque \(f\) est continue, le théorème fondamental de l’analyse donne :

\[ F'(x)=f(x). \]
Correction

Posons :

\[ f(x)=\frac1{(\ln x)^2} \qquad\text{et}\qquad F(x)=\int_e^x f(t)\,dt. \]

La fonction \(f\) est continue au voisinage de \(e\). On a :

\[ F(e)=0 \]

et :

\[ \int_e^{e+h}f(x)\,dx = F(e+h)-F(e). \]

Le quotient demandé devient donc :

\[ \frac{F(e+h)-F(e)}h. \]

Par définition de la dérivée, lorsque \(h\to0\), ce quotient tend vers \(F'(e)\). Or :

\[ F'(e)=f(e). \]

Ainsi :

\[ \lim_{h\to0} \frac1h \int_e^{e+h}\frac{dx}{(\ln x)^2} = \frac1{(\ln e)^2} = 1. \]
Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Question 11 — Intégrale par symétrie

Rappel complet de la question\[ I= \int_0^{\frac{\pi}{2}} \ln\left( \frac{1+\sin x}{1+\cos x} \right)dx. \]
A) \(\dfrac{\sqrt\pi}{\pi}\).
B) \(0\).
C) \(\ln\pi\).
Rappel utile
Le changement de variable \(x=\dfrac{\pi}{2}-t\) échange le sinus et le cosinus.
Correction

En posant \(x=\dfrac{\pi}{2}-t\), on obtient :

\[ I = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \ln\left( \frac{1+\cos t}{1+\sin t} \right)dt. \]

Or :

\[ \ln\left( \frac{1+\cos t}{1+\sin t} \right) = - \ln\left( \frac{1+\sin t}{1+\cos t} \right). \]

Donc :

\[ I=-I, \]

d’où :

\[ I=0. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 12 — Intégrale rationnelle

Rappel complet de la question\[ I= \int_{-\frac12}^{\frac12} \frac{dx}{4x^2+4x+5}. \]
A) \(\dfrac{\pi}{16}\).
B) \(\dfrac{\pi\sqrt3}{18}\).
C) \(\dfrac{\sqrt\pi}{6}\).
Rappel utile

On complète le carré :

\[ 4x^2+4x+5 = 4\left[\left(x+\frac12\right)^2+1\right]. \]

La notation \(\arctan u\) désigne l’unique angle de \(]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}[\) dont la tangente est égale à \(u\). On utilise :

\[ \int\frac{du}{1+u^2}=\arctan u+K. \]
Correction

Posons :

\[ u=x+\frac12. \]

Lorsque \(x=-\frac12\), on a \(u=0\), et lorsque \(x=\frac12\), on a \(u=1\). Ainsi :

\[ I = \frac14\int_0^1\frac{du}{1+u^2}. \]

Donc :

\[ I = \frac14[\arctan u]_0^1 = \frac14\left(\frac{\pi}{4}-0\right) = \frac{\pi}{16}. \]
Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Question 13 — Aire sous \((\ln x)^2\)

Rappel complet de la question\[ I=\int_1^e(\ln x)^2\,dx. \]
A) \(e\).
B) \(3e-2\).
C) \(e-2\).
Rappel utile
Une primitive est : \[ x\left[(\ln x)^2-2\ln x+2\right]. \]
Correction\[ I = \left[ x\left((\ln x)^2-2\ln x+2\right) \right]_1^e. \]

À \(x=e\) :

\[ e(1-2+2)=e. \]

À \(x=1\) :

\[ 1(0-0+2)=2. \]

Donc :

\[ I=e-2. \]
Réponse finale : \(\boxed{C}\)

Question 14 — Intégrale impropre logarithmique

Rappel complet de la question

On pose :

\[ V_n= \int_{e^e}^{n} \frac{dx}{x(\ln x)^{3/2}}. \]

Calculer \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty}V_n\).

A) \(\dfrac12\).
B) \(+\infty\).
C) \(\dfrac2{\sqrt e}\).
Rappel utile
On pose \(u=\ln x\), donc \(du=\dfrac{dx}{x}\).
Correction

Les bornes deviennent :

\[ u=e \qquad\text{et}\qquad u=\ln n. \]

Donc :

\[ V_n = \int_e^{\ln n}u^{-3/2}\,du. \]

Ainsi :

\[ V_n = \left[-\frac2{\sqrt u}\right]_e^{\ln n} = \frac2{\sqrt e} - \frac2{\sqrt{\ln n}}. \]

Lorsque \(n\to+\infty\) :

\[ V_n\longrightarrow\frac2{\sqrt e}. \]
Réponse finale : \(\boxed{C}\)

Question 15 — Tangente à une fonction définie par une intégrale

Rappel complet de la question

On considère :

\[ g(x)= \int_1^{\tan x}\frac{du}{\arctan u}. \]

Déterminer la tangente au point d’abscisse \(\dfrac{\pi}{4}\).

A) \(y=\dfrac8\pi x-2\).
B) \(y=\dfrac{\pi}{4}(x-1)\).
C) \(y=\dfrac{\pi}{2}x-1\).
Rappel utile

La notation \(\arctan u\) désigne l’unique angle de \(]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}[\) dont la tangente est égale à \(u\).

Si :

\[ G(x)=\int_a^{\varphi(x)}f(u)\,du, \]

alors :

\[ G'(x)=f(\varphi(x))\,\varphi'(x). \]

On utilise également :

\[ (\tan x)'=\frac1{\cos^2x}. \]
Correction

Au point :

\[ x_0=\frac{\pi}{4}, \]

on a :

\[ \tan x_0=1 \]

et :

\[ g(x_0) = \int_1^1\frac{du}{\arctan u} = 0. \]

La dérivée de \(g\) est :

\[ g'(x) = \frac1{\arctan(\tan x)} \cdot \frac1{\cos^2x}. \]

Comme :

\[ \arctan\left(\tan\frac{\pi}{4}\right)=\frac{\pi}{4} \]

et :

\[ \cos^2\left(\frac{\pi}{4}\right)=\frac12, \]

on obtient :

\[ g'(x_0) = \frac1{\pi/4}\cdot2 = \frac8\pi. \]

L’équation de la tangente au point d’abscisse \(x_0\) est :

\[ y=g(x_0)+g'(x_0)(x-x_0). \]

Donc :

\[ y = \frac8\pi \left(x-\frac{\pi}{4}\right) = \frac8\pi x-2. \]
Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Question 16 — Intégrale avec changement de variable

Rappel complet de la question\[ I= \int_0^{\frac{\pi}{4}} \frac{dx}{\cos^2x+4\sin^2x}. \]
A) \(\dfrac{\ln2}{2}\).
B) \(\dfrac12\arctan(2)\).
C) \(\dfrac12\).
Rappel utile

On pose \(t=\tan x\). Alors :

\[ dt=\frac{dx}{\cos^2x} \qquad\text{et}\qquad dx=\cos^2x\,dt. \]

La notation \(\arctan(2)\) désigne l’angle de \(]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}[\) dont la tangente vaut \(2\).

Correction

En divisant le dénominateur par \(\cos^2x\), on obtient :

\[ \cos^2x+4\sin^2x = \cos^2x\bigl(1+4\tan^2x\bigr). \]

Avec \(t=\tan x\), les bornes deviennent :

\[ t=0 \qquad\text{et}\qquad t=1. \]

Ainsi :

\[ I = \int_0^1\frac{dt}{1+4t^2}. \]

Comme :

\[ \int\frac{dt}{1+4t^2} = \frac12\arctan(2t)+K, \]

on obtient :

\[ I = \frac12[\arctan(2t)]_0^1 = \frac12\arctan(2). \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 17 — Rapport de factorielles

Rappel complet de la question\[ \lim_{n\to+\infty} \frac{(n!)^2}{(2n)!}. \]
A) \(0\).
B) \(\dfrac12\).
C) \(+\infty\).
Rappel utile

La notation \(n!\), appelée « factorielle de \(n\) », signifie :

\[ n!=1\times2\times3\times\cdots\times n. \]

On transforme ensuite le quotient en un produit afin de l’encadrer.

Correction \[ \frac{(n!)^2}{(2n)!} = \frac{1\times2\times\cdots\times n} {(n+1)(n+2)\cdots(2n)} = \prod_{k=1}^{n}\frac{k}{n+k}. \]

Pour tout \(k\in\{1,\ldots,n\}\), on a \(k\le n\), donc :

\[ n+k\ge2k. \]

Par conséquent :

\[ 0\lt\frac{k}{n+k}\le\frac12. \]

En multipliant ces inégalités :

\[ 0\le \frac{(n!)^2}{(2n)!} \le \left(\frac12\right)^n. \]

Or :

\[ \left(\frac12\right)^n\longrightarrow0. \]

Le théorème d’encadrement donne alors :

\[ \frac{(n!)^2}{(2n)!}\longrightarrow0. \]
Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Question 18 — Familles formant une base

Rappel complet de la question

Dans la base \(B=\{u,v,w\}\), on considère les familles \(E\), \(N\), \(S\) et \(A\) données dans l’énoncé. Déterminer celles qui sont des bases de \(\mathbb R^3\).

A) Toutes les quatre.
B) Seulement \(E\).
C) Seulement \(E\) et \(N\).
Rappel utile

On place en colonnes les coordonnées des trois vecteurs dans la base connue \(B=\{u,v,w\}\).

La notation \(\det M\) désigne le déterminant de la matrice \(M\). Trois vecteurs de \(\mathbb R^3\) forment une base si et seulement si le déterminant de leur matrice de coordonnées est non nul.

Une famille est dite liée lorsqu’un de ses vecteurs peut s’écrire comme combinaison des autres ; une telle famille ne peut pas être une base.

Correction

Pour la famille \(E=\{u+v,v+w,u+w\}\), la matrice des coordonnées est :

\[ M_E= \begin{pmatrix} 1&0&1\\ 1&1&0\\ 0&1&1 \end{pmatrix}. \]

Son déterminant vaut :

\[ \det(M_E)=2\ne0. \]

Donc \(E\) est une base.

Pour la famille \(N=\{u,v,u+w\}\), la matrice est :

\[ M_N= \begin{pmatrix} 1&0&1\\ 0&1&0\\ 0&0&1 \end{pmatrix}. \]

Son déterminant vaut :

\[ \det(M_N)=1\ne0. \]

Donc \(N\) est une base.

Dans la famille \(S\), le troisième vecteur est la somme des deux premiers :

\[ v-u+w=(-u)+(v+w). \]

La famille \(S\) est donc liée et ne forme pas une base.

Pour la famille \(A=\{u-v-w,u+v+w,u\}\), la matrice des coordonnées est :

\[ M_A= \begin{pmatrix} 1&1&1\\ -1&1&0\\ -1&1&0 \end{pmatrix}. \]

Les deux dernières lignes sont identiques, donc :

\[ \det(M_A)=0. \]

La famille \(A\) ne forme pas une base.

Ainsi, seules les familles \(E\) et \(N\) sont des bases.

Réponse finale : \(\boxed{C}\)

Question 19 — Base d’un plan vectoriel

Rappel complet de la question

On considère :

\[ S=\{(x,y,z)\in\mathbb R^3\mid x+2y=0\}. \]

Déterminer une base de \(S\).

A) \(\{(-2,1,0),(0,1,0),(0,0,1)\}\).
B) \(\{(-2,1,0),(0,0,1)\}\).
C) \(\{(-2,1,0)\}\).
Rappel utile

Une base de \(S\) est une famille de vecteurs qui vérifie deux propriétés :

  • elle permet d’écrire tous les vecteurs de \(S\) ;
  • aucun de ses vecteurs n’est inutile, c’est-à-dire que la famille est linéairement indépendante.

La relation \(x+2y=0\) donne \(x=-2y\). Les nombres \(y\) et \(z\) sont alors libres : ils peuvent prendre n’importe quelles valeurs réelles.

Correction

Tout vecteur de \(S\) vérifie :

\[ x=-2y. \]

Il s’écrit donc :

\[ (x,y,z) = (-2y,y,z) = y(-2,1,0)+z(0,0,1). \]

Les vecteurs \((-2,1,0)\) et \((0,0,1)\) permettent ainsi d’écrire tous les vecteurs de \(S\).

Vérifions qu’ils sont linéairement indépendants. Si :

\[ a(-2,1,0)+b(0,0,1)=(0,0,0), \]

alors l’égalité des coordonnées donne :

\[ a=0 \qquad\text{et}\qquad b=0. \]

Ils forment donc une base de \(S\) :

\[ \{(-2,1,0),(0,0,1)\}. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 20 — Sous-espaces vectoriels

Rappel complet de la question

Parmi les ensembles \(E\), \(N\), \(S\) et \(A\) définis dans l’énoncé, déterminer ceux qui sont des sous-espaces vectoriels de \(\mathbb R^3\).

A) Seulement \(A\).
B) Seulement \(A\) et \(N\).
C) Tous les quatre.
Rappel utile

Pour qu’un ensemble \(F\subset\mathbb R^3\) soit un sous-espace vectoriel, il faut vérifier :

  1. le vecteur nul appartient à \(F\) ;
  2. la somme de deux vecteurs de \(F\) appartient encore à \(F\) ;
  3. le produit d’un vecteur de \(F\) par un réel appartient encore à \(F\).
Correction

Étude de \(S\). L’ensemble \(S\) est défini par \(z=2\). Le vecteur nul \((0,0,0)\) n’appartient pas à \(S\). Donc \(S\) n’est pas un sous-espace vectoriel.

Étude de \(N\). L’ensemble \(N\) est défini par \(xyz=0\). On a :

\[ (1,0,1)\in N \qquad\text{et}\qquad (0,1,1)\in N. \]

Mais leur somme vaut :

\[ (1,0,1)+(0,1,1)=(1,1,2), \]

et :

\[ 1\times1\times2\ne0. \]

Ainsi, \((1,1,2)\notin N\). L’ensemble \(N\) n’est pas stable par addition et n’est donc pas un sous-espace vectoriel.

Étude de \(E\). L’ensemble \(E\) est défini par \(x+yz=0\). On a :

\[ (0,1,0)\in E \qquad\text{et}\qquad (-1,1,1)\in E. \]

Leur somme est :

\[ (-1,2,1). \]

Or :

\[ -1+2\times1=1\ne0. \]

Donc \((-1,2,1)\notin E\). L’ensemble \(E\) n’est pas stable par addition et n’est pas un sous-espace vectoriel.

Étude de \(A\). L’ensemble \(A\) est défini par :

\[ x+y=z. \]

Le vecteur nul appartient à \(A\), car \(0+0=0\).

Soient \(u=(x_1,y_1,z_1)\in A\) et \(v=(x_2,y_2,z_2)\in A\). On a :

\[ x_1+y_1=z_1 \qquad\text{et}\qquad x_2+y_2=z_2. \]

Alors :

\[ (x_1+x_2)+(y_1+y_2)=z_1+z_2, \]

donc \(u+v\in A\).

Enfin, pour tout réel \(\lambda\) :

\[ \lambda x_1+\lambda y_1=\lambda z_1, \]

donc \(\lambda u\in A\).

Ainsi, \(A\) est un sous-espace vectoriel. C’est le seul parmi les quatre ensembles proposés.

Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Question 21 — Identité matricielle et anomalie du QCM

Rappel complet de la question

La matrice carrée \(A\) vérifie :

\[ A^2=2I_n-A. \]

Analyser les affirmations (I) à (V) de l’énoncé.

A) Seulement (I) et (IV).
B) Seulement (II), (III) et (V).
C) Seulement (III), (IV) et (V).
Rappel utile

\(I_n\) désigne la matrice identité d’ordre \(n\), c’est-à-dire la matrice qui joue pour le produit matriciel le même rôle que le nombre \(1\).

\(A^{-1}\) désigne la matrice inverse de \(A\) : elle vérifie \(AA^{-1}=A^{-1}A=I_n\).

\(\det A\) désigne le déterminant de \(A\). Une matrice carrée est inversible si et seulement si son déterminant est non nul.

Correction

La relation donnée s’écrit :

\[ A^2+A=2I_n. \]

On peut factoriser à gauche et à droite :

\[ A(A+I_n)=2I_n \]

et :

\[ (A+I_n)A=2I_n. \]

En divisant par \(2\), on obtient :

\[ A\left[\frac12(A+I_n)\right]=I_n \]

et :

\[ \left[\frac12(A+I_n)\right]A=I_n. \]

Ainsi, \(A\) est inversible et :

\[ A^{-1}=\frac12(A+I_n). \]

L’affirmation (II) est donc vraie. Puisque \(A\) est inversible :

\[ \det A\ne0. \]

L’affirmation (III) est vraie, tandis que les affirmations (I) et (IV) sont fausses.

Prenons maintenant les déterminants dans l’égalité :

\[ A(A+I_n)=2I_n. \]

On obtient :

\[ \det A\cdot\det(A+I_n) = \det(2I_n). \]

La matrice \(2I_n\) possède \(n\) nombres \(2\) sur sa diagonale. Son déterminant vaut donc :

\[ \det(2I_n)=2^n. \]

Par conséquent :

\[ \det(A+I_n)=\frac{2^n}{\det A}. \]

L’affirmation (V), imprimée avec le numérateur \(2\), est donc fausse pour un ordre \(n\) quelconque. Elle ne correspond à la formule obtenue que dans le cas particulier \(n=1\).

Anomalie de l’énoncé : seules les affirmations (II) et (III) sont certaines dans le cadre général, mais aucune proposition A, B ou C ne contient exactement ces deux affirmations. Si le numérateur de l’affirmation (V) avait été \(2^n\), la réponse prévue aurait été B.
Réponse finale : \(\boxed{\text{Aucune proposition}}\)

Question 22 — Identité remarquable

Rappel complet de la question\[ \sqrt{12345^2-12343\times12347}. \]
A) \(4\).
B) \(2\).
C) \(42\).
Rappel utile
On pose \(a=12345\), puis : \[ 12343=a-2,\qquad12347=a+2. \]
Correction\[ 12343\times12347 = (a-2)(a+2) = a^2-4. \]

Donc :

\[ 12345^2-12343\times12347 = a^2-(a^2-4) = 4. \]

Ainsi :

\[ \sqrt4=2. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 23 — Produit de racines successives

Rappel complet de la question\[ \lim_{n\to+\infty} (\sqrt2)(\sqrt[4]{2})(\sqrt[8]{2})\cdots(\sqrt[2^n]{2}). \]
A) \(1\).
B) \(2\).
C) \(\sqrt2\).
Rappel utile
On additionne les exposants de \(2\).
Correction

Le produit vaut :

\[ 2^{\frac12+\frac14+\frac18+\cdots+\frac1{2^n}}. \]

La somme géométrique est :

\[ \frac12+\frac14+\cdots+\frac1{2^n} = 1-\frac1{2^n}. \]

Donc :

\[ P_n=2^{1-\frac1{2^n}}. \]

Par continuité :

\[ P_n\longrightarrow2. \]
Réponse finale : \(\boxed{B}\)

Question 24 — Dérivation d’une intégrale

Rappel complet de la question

On sait :

\[ \int_0^x h(t)\,dt=x\arctan x. \]

Calculer \(h(1)\).

A) \(\dfrac12\).
B) \(\dfrac{\pi}{4}\).
C) \(\dfrac{\pi+2}{4}\).
Rappel utile

La notation \(\arctan x\) désigne l’unique angle de \(]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}[\) dont la tangente est égale à \(x\).

Le théorème fondamental de l’analyse donne :

\[ \left(\int_0^x h(t)\,dt\right)'=h(x). \]

On utilise également :

\[ (\arctan x)'=\frac1{1+x^2}. \]
Correction

En dérivant les deux membres de l’égalité :

\[ \int_0^x h(t)\,dt=x\arctan x, \]

on obtient :

\[ h(x) = \arctan x + \frac{x}{1+x^2}. \]

Pour \(x=1\) :

\[ h(1) = \arctan(1) + \frac1{1+1^2}. \]

Or :

\[ \arctan(1)=\frac{\pi}{4}. \]

Donc :

\[ h(1) = \frac{\pi}{4} + \frac12 = \frac{\pi+2}{4}. \]
Réponse finale : \(\boxed{C}\)

Question 25 — Primitive de \(\dfrac1{\tan^3x}\)

Rappel complet de la question

Déterminer une primitive de :

\[ \frac1{\tan^3x}. \]
A) \(\displaystyle-\left[\frac1{2\sin^2x}+\ln|\sin x|\right]+K\).
B) \(\displaystyle\frac1{2\tan^2x}+K\).
C) \(\displaystyle\frac1{2(\arctan x)^2}+K\).
Rappel utile

On évite les notations trigonométriques supplémentaires et on utilise seulement :

\[ \tan x=\frac{\sin x}{\cos x} \qquad\text{et}\qquad \cos^2x=1-\sin^2x. \]

La lettre \(K\) désigne une constante réelle quelconque.

Correction

On a :

\[ \frac1{\tan^3x} = \frac{\cos^3x}{\sin^3x}. \]

Comme \(\cos^2x=1-\sin^2x\) :

\[ \frac{\cos^3x}{\sin^3x} = \frac{\cos x(1-\sin^2x)}{\sin^3x} = \frac{\cos x}{\sin^3x} - \frac{\cos x}{\sin x}. \]

Posons :

\[ u=\sin x, \qquad du=\cos x\,dx. \]

Alors :

\[ \int\frac1{\tan^3x}\,dx = \int\left(\frac1{u^3}-\frac1u\right)du. \]

Donc :

\[ \int\frac1{\tan^3x}\,dx = -\frac1{2u^2}-\ln|u|+K. \]

En revenant à \(u=\sin x\) :

\[ \int\frac1{\tan^3x}\,dx = -\frac1{2\sin^2x} - \ln|\sin x| + K. \]

Cette expression est exactement :

\[ -\left[ \frac1{2\sin^2x} + \ln|\sin x| \right] + K. \]
Réponse finale : \(\boxed{A}\)

Conseil de travail

Cette épreuve mélange des questions de niveau baccalauréat et des notions d’algèbre linéaire. Pour les bases, les sous-espaces et les matrices, il faut revenir aux définitions : indépendance linéaire, stabilité et identité matricielle. Une anomalie d’impression ne doit jamais être masquée par une réponse forcée.

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