Maths BCPST 1re Annee

495 Pages·2014·6.21 MB·English

by  Marc-Aurele Massard

MATHS
MATHS

re
bcpst 1 année
Marc-Aurèle Massard
Conception et création de couverture : Dominique Raboin
Avec la collaboration scientifique de Sabrina Bergez,
professeur en classes préparatoires au lycée Saint-Louis (Paris)
© Dunod, 2018
11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff
www.dunod.com
ISBN 978-2-10-078679-4
Avant propos
Cet ouvrage s’adresse aux élèves de première année de la filière BCPST. Il recouvre l’intégralité
du programme.
Ce livre ne se veut en aucun cas être un cours tout prêt ou se substituer au professeur. Il doit
plutôt être vu comme un complément permettant de revoir les notions et méthodes abordées en
cours avec un point de vue potentiellement différent.
Ilestdiviséencinqpartiesthématiquesetvingt-quatrechapitres.Ilcommenceparunebrèveintro-
duction exposant quelques règles de rédaction mathématiques. Puis les douze premiers chapitres
portent sur le programme du premier semestre et les douze autres sur le programme du second
semestre (à l’exception du chapitre sur les suites qui navigue entre les deux).
Chaque chapitre se décompose en cinq parties :
L’essentiel du cours, rappelant les points les plus importants du cours et permettant à l’élève
•
de vérifier qu’il connaît bien les hypothèses exactes des résultats utilisés
Les méthodes à maîtriser, exposant quelques méthodes classiques illustrées d’exemples
•
Interro de cours, regroupant des questions d’application directe du cours (Vrai/Faux, QCM,
•
citation d’un résultat du cours ou petit exercice)
Exercices, regroupant, comme son nom l’indique, des exercices. Ils sont classés par ordre de
•
difficulté globalement croissant et séparés en deux parties :
«Pour s’entraîner » comprenant des exercices couvrant les différents points du chaptire
(cid:30)
«Pour aller plus loin » comprenant des exercices d’approfondissement
(cid:30)
Correction, regroupant le corrigé détaillé de l’interro de cours et de tous les exercices du
•
chapitre.
Tout au long de l’ouvrage, les symboles suivants ont été utilisés :
pour ajouter quelques remarques aux résultats et méthodes cités
pour signaler un piège ou une erreur à éviter
pour donner quelques conseils concernant la rédaction
pourexposerunprogrammeenPythonassociéàunrésultatducoursouàuneméthode.
En tant qu’auteur, je me permets de souligner mon intérêt pour toute remarque des lecteurs de
ce livre, étudiants ou enseignants. C’est grâce à ces retours que cet ouvrage pourra converger
rapidement vers une forme définitive répondant pleinement aux exigences des élèves de classes
préparatoires.
Je termine en remerciant A. Lalauze, M. Marouby et J.-M. Monier pour leurs relectures avisées,
leurs remarques et leurs suggestions et sans qui ce livre ne serait certainement pas aussi abouti.

Table des matières
Pour bien commencer...................................................... 5
1 Raisonnements, ensembles et applications ........................ 9
Partie 1 Techniques de calcul
2 Ensembles de nombres ................................................39
3 Sommes et produits....................................................57
4 Nombres complexes ....................................................73
5 Trigonométrie............................................................91
6 Fonctions d’une variable réelle ....................................109
Partie 2 Algèbre générale
7 Systèmes linéaires .................................................... 137
8 Matrices................................................................. 149
9 Polynômes .............................................................. 165
10 Géométrie du plan et de l’espace ............................... 185
délit.
n
utorisée est u 11 DénomPbarermtieent3....P...r.o..b..a..b..il.i.t..é.s...e..t...s.t.a..t..is..t.i.q..u..e..s......... 207
n a
o
n n 12 Statistique descriptive.............................................. 221
o
ducti 13 Probabilités ........................................................... 233
o
pr
ute re 14 Variables aléatoires finies.......................................... 251
To
d. 15 Couples de variables aléatoires finies........................... 273
o
n
u
D
©
Partie 4 Algèbre linéaire
16 Espaces vectoriels ................................................... 301
17 Applications linéaires............................................... 321
Partie 5 Analyse réelle
18 Suites réelles.......................................................... 339
19 Limites et continuité ...............................................373
20 Dérivation .............................................................397
21 Développements limités ........................................... 413
22 Intégration ............................................................ 439
23 Équations différentielles ........................................... 457
24 Fonctions de deux variables réelles ............................. 477
Annexes........................................... ........................ 485
Index....................................................................... 489
Pour bien commencer
Le but de cette introduction est de donner des conseils pour prendre de bonnes habitudes de
rédaction dès le début de l’année.
Méthode 0.1 : Bien définir ses objets
Danslarédactiond’unraisonnement,avantd’utiliserunobjet,ilconvientdeledéfinir.Sinon,
une personne lisant votre raisonnement pourrait ne pas le comprendre. A priori, x n’est pas
forcémentunréel,npasforcémentunentier,f pasforcémentunefonction(mêmesicesnoms
sont très courants pour chacun de ces objets).
On peut, par exemple, définir un objet (ici un réel x) par «soit x R» lorsque l’on veut
∈
définir un objet quelconque ou bien par «on pose x=... » lorsque l’on veut définir un objet
en particulier ou encore par «on dispose de x R tel que ... » si un résultat préalable nous
∈
a justifié l’existence de cet objet.
Exemple d’application
Un élève a voulu utiliser le fait que toute suite croissante majorée converge de la
façon suivante :
«Pour tout n, on a a a 0 et a M. Donc a (cid:25).»
n+1 n n n
− ≥ ≤ −n−−−+−→
Compléter ce raisonnement pour définir correctement les o→bje∞ts utilisés.
Correction :
Soient (a ) une suite à valeurs réelles et M un réel. Pour tout entier naturel n, on a
n n N
∈
a a 0 et a M. Donc, on dispose d’un réel (cid:25) tel que a (cid:25).
n+1 n n n
− ≥ ≤ −n−−−+−→
→ ∞
Méthode 0.2 : Prêter attention aux hypothèses d’un théorème
Il convient de bien regarder (et de bien connaître) les hypothèses d’un théorème avant de
l’utiliser. On ne peut rien conclure tant que toutes les hypothèses ne sont pas remplies.
Parexemple,lethéorèmereliantsignedeladérivéed’unefonctionetmonotonienes’applique
que sur un intervalle.
délit. Exemple d’application
n Déterminer si les énoncés suivants sont vrais ou faux :
u
orisée est ((12))LDeeucxarnréomd’burnesnroémelbsreetelsetuprsosciatrifr.és sont rangés dans le même ordre.
ut
n a (3)Si la dérivée d’une fonction est nulle sur I, cette fonction est constante sur I.
o
n
n (4)Une fonction dont la dérivée s’annule peut être strictement monotone.
o
ducti Correction :
o
pr
ute re (1)Faux. Le carré d’un nombre réel est positif mais le carré d’un complexe, pas forcément.
To (2)Faux. Il faut que les deux réels soient positifs pour que ce résultat soit vrai. Par exemple,
od. on a ( 1)2 >02 alors que 1<0.
un − −
D
©
6 Pour bien commencer
(3)Faux. Comme expliqué dans la méthode, il faut que I soit un intervalle pour que le résultat
soit vrai. Par exemple, on prend I =[0,1] [2,3] et f la fonction définie sur I par
∪
1 si x [0,1]
f(x)= ∈
2 si x [2,3]
(cid:31) ∈
Cette fonction n’est pas constante car f(0) = f(2) mais sa dérivée est nulle sur [0,1] et sur
(cid:29)
[2,3]. La dérivée f est donc nulle sur I sans que f soit constante sur I.
(cid:31)
(4)Vrai. La courbe d’une fonction strictement monotone peut avoir une tangente horizontale
(comme celle de la fonction x x3 en 0 par exemple).
(cid:28)→
Méthode 0.3 : Vérifier le bien-fondé des opérations à utiliser
Lorsd’unraisonnement,avantdefaireuneopération,ilfautbienvérifierquel’onpeutlafaire.
On évitera typiquement de diviser par 0, de prendre la racine carrée d’un nombre négatif (ou
d’un nombre complexe), de dériver une fonction si on ne sait pas qu’elle est dérivable, etc.
A chaque fois qu’il y a besoin, on précise pourquoi on peut effectuer cette opération.
Exemple d’application
Trouver l’erreur dans le raisonnement suivant :
«Soient a et b deux réels non nuls tels que a=b. On a donc
a2 =ab donc a2 b2 =ab b2 et (a b)(a+b)=(a b)b ainsi a+b=b
− − − −
Vu que a=b, on en déduit que 2b=b puis que 2=1 en divisant par b.»
Correction :
L’erreur réside au moment où on passe de (a b)(a+b) = (a b)b à a+b = b. En effet, à ce
− −
moment-là, on a divisé par a b sans vérifier si on pouvait. Or, comme a=b on a a b=0. Il
− −
n’est donc pas possible d’effectuer cette opération.
Méthode 0.4 : Faire attention au type des objets manipulés
En mathématiques, on manipule différents types d’objets : des ensembles, des fonctions, des
nombres (entiers, réels, complexes), des vecteurs, des suites, etc. Il ne faut pas les confondre.
Unélémentpeutapparteniràunensemble,pasàunnombre.Onpeutcomparerdeuxnombres
réels (avec ), pas deux nombres complexes. On peut dire qu’une suite est croissante, pas un
≤
nombre. On peut dériver une fonction dérivable, pas un réel.
Exemple d’application
Déterminer si les énoncés suivants sont vrais ou faux :
1
(1)La fonction x est décroissante sur R∗+.
(2)cos, sin et exp sont dérivables sur R.
(3) z C,z2 0.
∀ ∈ ≥
(4)Soit f la fonction définie sur R par f(x)=x2ex. Cette fonction est dérivable et, si x R,
∈
f(cid:31)(x)= x2 (cid:31) ex+x2 (ex)(cid:31) =2xex+x2ex =(2x+x2)ex
× ×
(cid:30) (cid:29)
7
Correction :
1 1
(1)Faux. n’est pas une fonction, c’est un nombre. On peut corriger en «la fonction x
x (cid:31)→ x
est décroissante sur R∗+ ».
(2)Vrai. Il s’agit de trois fonctions, qui sont effectivement dérivables sur R.
(3)Faux. Il n’y a pas de relation d’ordre (avec ) sur les nombres complexes.
≤
(4)Faux. Même si le résultat obtenu pour f (x) est juste au final, il y a une erreur de rédaction
(cid:30)
dans le calcul de f(cid:30)(x). En effet, x2 (cid:30) et (ex)(cid:30) n’ont pas de sens car x2 et ex sont des réels et
nonpasdesfonctions,onnepeutdoncpaslesdériver.Pourlarédaction,ilconviendraitdonc
(cid:31) (cid:30)
de simplement sauter l’étape de calcul faisant intervenir ces expressions erronées. Dans le cas
d’uncalculpluscompliqué,ondonneradesnomsauxsous-fonctionsquel’onveutdériverlors
de ce calcul.
Dansd’autresmatièresscientifiques,commelaphysique,lesnotationssontutiliséesde
manièreunpeumoinsrigoureuseetilpeutarriverdetolérerlesécrituresdutype(ex).
(cid:30)
Mais ces libertés ne doivent pas se retrouver en mathématiques.
Méthode 0.5 : Différencier implication et équivalence
Lorsd’unraisonnementdanslequelonpartdeshypothèsesApourmontreruneconclusionB,
on montre que A B. Mais on n’a pas nécessairement A B, on ne peut pas forcément
⇒ ⇔
remontertouteslesimplicationseffectuéeslorsdenotredémonstration.C’estpourcelaqu’ilest
toujoursdangereuxdansuncalculdepartirdecequel’onveutmontrerpourfinirpararriver
à quelque chose de vrai, parce que cela ne montre rien et on n’a pas forcément équivalence.
Danscecas,ilconvientdefaireceraisonnementaubrouillonetdelerédigerdanslebonsens
au propre (c’est-à-dire partir de ce que l’on sait pour arriver à ce que l’on veut) pour être sûr
que le raisonnement ne soit pas erroné.
Exemple d’application
Trouver l’erreur dans le raisonnement suivant :
«On considère l’équation x2+x+1=0, d’inconnue x R. Si x est solution, on a
∈
x3+x2+x=0 puis x3 = x2 x=1
− −
D’où x=1 (c’ est la seule solution réelle de x3 =1). Pourtant 12+1+1=0.»
(cid:24)
Correction :
n délit. aCleorqsuxi =a é1t.éMmaoinstirléndeasn’asgciet ernaisaouncnuenmceanstdc’’uensteqéuqeuisvialxenecset.uOnnens’oaluptaiosnmroéneltlreédqeuel’ésqiuxat=ion1,,
u
utorisée est asseoloulurlsetixopnoetsreténestloileellul(etcieosonqluudtieioslen’érqreéutearlotleiuovense.teC1neectqauqlceuu’melalolnenttnlr’eeesdfitinspcaarlesimmsoienlnuattniltoendrua:ictserotinntneôemémqeue)na.ttioennnen’atideronecstaquucuenlae
n a
no Dans une résolution d’équation, à moins d’avoir justifié au fur et à mesure du calcul
n
uctio qu’il y avait équivalence du début à la fin, il conviendra de vérifier que les valeurs
od trouvées sont bien solutions de l’équation.
pr
ute re
To
d.
o
n
u
D
©
8 Pour bien commencer
Méthode 0.6 : Raisonner en français
Une succession d’égalités ou d’inégalités ne constitue pas un raisonnement mathématique. Il
fautymettredesmotspoursavoircommenttoutcelas’articuleetqu’uneautrepersonneque
son auteur puisse suivre le même raisonnement.
Pour commencer à écrire un résultat, que l’on a supposé comme hypothèse ou que l’on veut
montrer,onpeutl’introduirepar«ona»danslepremiercaset«onveutmontrerque»dans
le second cas.
Au sein d’un raisonnement pour passer d’un résultat à un autre, il ne peut y avoir qu’une
implication(quel’onpourratraduirepar«donc»,«alors,»,«ainsi»,«d’où»,etc)ouilpeut
y avoir équivalence entre ces deux résultats (que l’on pourra traduire par «si et seulement
si», «c’est-à-dire», «i.e.», etc).
Exemple d’application
x
Un élève a produit le raisonnement suivant pour encadrer avec x [ 1,2] et
y ∈ −
y [1,2]. Rédiger correctement ce raisonnement :
∈
«
1 1 x
0 x 2, 1, 0 2.
• ≤ ≤ 2 ≤ y ≤ ≤ y ≤
1 1 x x
1 x 0, 0 x 1, 1, 0 1, 1 0.
•− ≤ ≤ ≤− ≤ 2 ≤ y ≤ ≤−y ≤ − ≤ y ≤
x
1 2.»
− ≤ y ≤
Correction :
x
On souhaite encadrer . On va distinguer deux cas, en fonction du signe de x :
y
1 1 x
Si 0 x 2, comme 1, on déduit par produit de facteurs positifs que 0 2.
• ≤ ≤ 2 ≤ y ≤ ≤ y ≤
1 1
Si 1 x 0, on a 0 x 1. De plus 1. Donc, par produit de facteurs positifs,
• − ≤ ≤ ≤ − ≤ 2 ≤ y ≤
x x
on obtient 0 1, puis 1 0.
≤−y ≤ − ≤ y ≤
x
Ainsi, on a donc montré que 1 2.
− ≤ y ≤
Les symboles et sont à proscrire dans la rédaction d’un raisonnement. On
• ⇔ ⇒
peutéventuellementlesutiliserdanslarésolutiond’uneéquation/inéquationoud’un
système d’équations.
Le terme «i.e.» est une abréviation du latin id est (qui se traduit littéralement par
•
«ce qui est» et qui a la même signification que «c’est-à-dire»). Cette locution est
souvent utilisé en mathématiques.