نموذج اختبار في التخصص - الرياضيات (ناقص الصفحة الأولى) - مركز تكوين مفتشي التعليم - مسلك تكوين مفتشي التعليم الثانوي التأهيلي 2020
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باختصار
هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة اختبار في التخصص - الرياضيات (ناقص الصفحة الأولى) لدى مركز تكوين مفتشي التعليم - مسلك تكوين مفتشي التعليم الثانوي التأهيلي (دورة 28-29 نونبر 2020)، منشور على وظيفة إنفو للاطلاع والتحميل المجاني بصيغة PDF مع تصحيح مقترح.
- الجهة المنظمة
- مركز تكوين مفتشي التعليم - مسلك تكوين مفتشي التعليم الثانوي التأهيلي
- الدرجة
- اختبار في التخصص - الرياضيات (ناقص الصفحة الأولى)
- التخصص
- الرياضيات
- الدورة
- دورة 28-29 نونبر 2020
- عدد الصفحات
- 2
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
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ري 0 ا با ps «تررتت LL 27° 712 77 7 PE sur N° par : م Soient s > 1et À € R. On définit l'application )4 p({n)) جح a) Pour quelles valeurs de À, l'application م est une probabilité sur (N°,P(N° )) ; où P(N”) désigne l'ensemble des parties de N° ? b) Soit m € N°. On considère l'événement : Ann = (n € "لا tel que m divise .لد Donner la valeur de la probabilité p(4,). €) Soient m,m' deux entiers naturels non nuls. Montrer que les événements 4,, et بم sont indépendants si et seulement si les entiers m et m' sont premiers entre eux. d) Soit (py)uew la suite des nombres premiers rangés dans l'ordre croissant ) يم ,2 = رم = 3...). On considère l'ensemble D, ={kEN" : kest premier avec pi ViSn) Exprimer la probabilité p(D,,) en fonction des pi < n. e) En justifiant l'égalité P(Mnen Da) = lim,.s P(D,), montrer que £(s)= بل LA 1- M) 0 Le but de cette question est de montrer que la série Lune: a diverge. Supposons que cette série converge. ١( Montrer que la série رول In (1 — jh est convergente, En déduire que le produit infini [1,311 — a 1 converge. On note par / sa limite. li} En utilisant la question 4) e) montrer que £ (s) ك 1, pour tout iü) Utiliser la question 3) pour conclure. Problème 2. Pour n € N°, on considère ٠ = Lo Qn(e))"dt et /, = 0 ع1 1) justifier l’existence واعءك et de /,. + سمي ee TETE NE | ren يلمت لض تعمك et, 2( Trouver une relation عل récurrence liant ربوا et .وا En déduire que 4, = (—1}".nt 3) Donner la valeur de /,, pour tout entier naturel non nul. 4) Soit k € N', considérons la fonction f définie sur [0, +90] par : f@) = GnG@)Y* Le plan R2 étant muni d’un repère orthonormé, on désigne par À l'aire du domaine limité par la courbe représentative de f, les deux droites verticales d'équations respectives x = 0 et x = 1et la droite horizontale d'équation y = —1. Par B, on désigne l'aire du rectangle PQRS, avec P(1,-1),Q(0,—1),R(0, —-2k — 2) et S(1,—2k — 2). a) Vérifier que les aires À et B sont des valeurs entières Montrer que A est un multiple de B si et seulement si le nombre (ط 2k + 1 est premier. 5) Soient m,n deux entiers naturels non nuls. On considère la fonction définie sur [0,+c0[ par (عارميئ] = )0- (077. a) Donner l'allure de la courbe représentative de f2). b) L'aire totale de la courbe de رسئ/ 5e compose de deux parties situées l’une au dessus de l'axe Ox, notée روم et l'autre au dessous de l'axe Ox , notée لب أ ١( Exprimer اك وما Am Sous forme d'intégrales. ii) Vérifier que 463 = Â'63 et que دروا # A'e2. ii} Soit ا = {(n,m) € 1002: سم = A'um ). Montrer que K et son complémentaire K dans (N° } sont deux parties non vides et infinies ? Déterminer la nature de ces infinis. iv) Montrer que, pour tout (n, m) € K , on a l'équivalence suivante: (m + 1) est un nombre premier si et seulement si (m + 1) divise (n+1)
✅ التصحيح المقترح
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Ce modèle est l'épreuve de spécialité — mathématiques du concours d'accès à la filière de formation des inspecteurs pédagogiques du secondaire qualifiant (Centre de formation des inspecteurs de l'enseignement), session des 28-29 novembre 2020. La page 1 sur 3 manque : le modèle commence à la question 4 du problème 1 (fonction zêta, probabilités sur ℕ*, nombres premiers) et contient le problème 2 en entier (intégrales, théorème de Wilson). Les questions 1 à 3 du problème 1 ne sont pas connues ; lorsque la suite s'y réfère, on donne une démonstration autonome.
💡 Notation : pour s > 1, ζ(s) = Σn≥1 1/ns (série convergente). C'est la fonction utilisée dans les questions 4) e) et f).
Problème 1 — question 4
Soient s > 1, λ ∈ ℝ et p({n}) = λ/ns.
a) Valeurs de λ
Sur l'ensemble dénombrable ℕ*, p définit une probabilité (par p(A) = Σn∈A p({n})) si et seulement si p({n}) ≥ 0 pour tout n et Σ p({n}) = 1. Or Σ λ/ns = λ ζ(s) = 1 ⇔ λ = 1/ζ(s), qui est bien > 0. C'est l'unique valeur.
b) p(Am)
Am = {mk ; k ∈ ℕ*}. Donc p(Am) = Σk≥1 λ/(mk)s = (1/ms) λ ζ(s) = 1/ms.
c) Indépendance de Am et Am'
n est multiple de m et de m' ⇔ n est multiple de ppcm(m, m'). Donc Am ∩ Am' = Appcm(m,m') et p(Am ∩ Am') = 1/ppcm(m,m')s.
Indépendance ⇔ 1/ppcms = 1/(mm')s ⇔ ppcm(m,m') = mm' ⇔ pgcd(m,m') = 1 (car ppcm × pgcd = mm'). Donc Am et Am' sont indépendants si et seulement si m et m' sont premiers entre eux.
d) p(Dn)
k est premier avec pi ⇔ pi ne divise pas k ⇔ k ∉ Api. Donc Dn = ∩i≤n (ℕ* \ Api).
Les événements Ap1, …, Apn sont mutuellement indépendants : pour toute partie I de {1,…,n}, ∩i∈I Api = AΠ pi (les pi étant premiers distincts), donc sa probabilité vaut Πi∈I 1/pis = Πi∈I p(Api). Les complémentaires d'événements mutuellement indépendants le sont aussi, d'où :
p(Dn) = Πi=1n (1 − 1/pis).
e) Produit eulérien
La suite (Dn) est décroissante (Dn+1 ⊂ Dn), donc par continuité décroissante de la probabilité : p(∩Dn) = lim p(Dn).
Or ∩n Dn = {1} : 1 est premier avec tout pi ; et tout k ≥ 2 admet un facteur premier pi, donc k ∉ Di.
Ainsi p({1}) = λ = 1/ζ(s) = limn Πi≤n(1 − 1/pis), limite non nulle, d'où
ζ(s) = 1 / Πn=1+∞ (1 − 1/pns).
f) Divergence de Σ 1/pn (raisonnement par l'absurde)
i) Supposons Σ 1/pn convergente. On a ln(1 − 1/pn)−1 = −ln(1 − 1/pn) > 0 et, comme 1/pn → 0, −ln(1 − 1/pn) ~ 1/pn. Par comparaison de séries à termes positifs, Σ ln(1 − 1/pn)−1 converge, de somme S. Les produits partiels PN = Πn≤N(1 − 1/pn)−1 = exp(Σn≤N ln(1 − 1/pn)−1) convergent vers l = eS (fini, ≥ 1), et la suite (PN) est croissante, donc PN ≤ l pour tout N.
ii) Pour s > 1 : 1/pns ≤ 1/pn, donc (1 − 1/pns)−1 ≤ (1 − 1/pn)−1 (facteurs positifs). En multipliant : Πn≤N(1 − 1/pns)−1 ≤ PN ≤ l. En faisant N → +∞ et d'après 4) e) : ζ(s) ≤ l pour tout s > 1.
iii) La question 3) (page manquante) établit selon toute vraisemblance que ζ(s) → +∞ quand s → 1+. Démonstration autonome : t ↦ 1/ts est décroissante, donc 1/ns ≥ ∫nn+1 dt/ts, et ζ(s) ≥ ∫1+∞ dt/ts = 1/(s − 1) → +∞. Cela contredit ζ(s) ≤ l. Donc la série Σ 1/pn diverge.
Problème 2
In = ∫01 (ln t)n dt et Jn = ∫0+∞ tn e−t dt.
1) Existence
- In : t ↦ (ln t)n est continue sur ]0, 1] ; en 0, √t·|ln t|n → 0 (croissances comparées), donc |ln t|n ≤ 1/√t au voisinage de 0, et ∫01 dt/√t converge (Riemann, exposant 1/2 < 1). In converge absolument.
- Jn : t ↦ tne−t est continue sur [0, +∞[ et t²·tne−t → 0 en +∞, donc tne−t ≤ 1/t² pour t grand : Jn converge.
2) Relation de récurrence
Intégration par parties sur [ε, 1] avec u = (ln t)n+1, v' = 1 :
∫ε1 (ln t)n+1 dt = [t (ln t)n+1]ε1 − (n+1) ∫ε1 (ln t)n dt. Comme ε(ln ε)n+1 → 0 quand ε → 0 :
In+1 = −(n + 1) In.
Initialisation : I1 = [t ln t − t]01 = −1 = (−1)1·1!. Si In = (−1)n n!, alors In+1 = −(n+1)(−1)n n! = (−1)n+1(n+1)!. Par récurrence, In = (−1)n n!.
3) Valeur de Jn
Changement de variable t = e−u (bijection C¹ de ]0, +∞[ sur ]0, 1[) : ln t = −u, dt = −e−u du, d'où In = ∫+∞0 (−u)n(−e−u) du = (−1)n Jn. Donc Jn = n!. (On peut aussi intégrer par parties : Jn+1 = (n+1) Jn, J0 = 1.)
4) Aires A et B, théorème de Wilson
a) f(x) = (ln x)2k ≥ 0. Le domaine est compris entre la droite y = −1 et la courbe, pour x ∈ ]0, 1] :
A = ∫01 (f(x) − (−1)) dx = I2k + 1 = (2k)! + 1 (intégrale convergente d'après 1).
Le rectangle PQRS a pour largeur PQ = 1 et pour hauteur QR = |−1 − (−2k − 2)| = 2k + 1, donc B = 2k + 1. Les deux aires sont des entiers.
b) A est multiple de B ⇔ (2k + 1) divise (2k)! + 1. C'est le théorème de Wilson pour p = 2k + 1 : p est premier ⇔ (p − 1)! ≡ −1 (mod p).
- Sens direct (p premier ⇒ p | (p−1)! + 1) : dans le corps ℤ/pℤ, chaque élément non nul a un inverse ; x = x−1 ⇔ x² = 1 ⇔ x = ±1. Dans le produit 1·2·…·(p−1), les éléments autres que 1 et p − 1 se regroupent par paires {x, x−1} de produit 1. Donc (p − 1)! ≡ 1·(p − 1) ≡ −1 (mod p).
- Réciproque : si 2k + 1 = ab n'est pas premier, avec 1 < a < 2k + 1, alors a ≤ 2k divise (2k)! ; si a divisait aussi (2k)! + 1, il diviserait 1 : contradiction. Donc 2k + 1 ne divise pas (2k)! + 1.
Conclusion : A est multiple de B ⇔ 2k + 1 est premier.
5) f(n,m)(x) = (n − xm) e−x sur [0, +∞[
a) Allure de f(3,2)(x) = (3 − x²)e−x
- f(0) = 3 ; f s'annule en x = √3 ≈ 1,73 ; f > 0 sur [0, √3[, f < 0 sur ]√3, +∞[ ; lim+∞ f = 0 (asymptote y = 0, approchée par-dessous).
- f'(x) = (x² − 2x − 3)e−x = (x − 3)(x + 1)e−x : f décroissante sur [0, 3], croissante sur [3, +∞[ ; f'(0) = −3.
- Minimum : f(3) = −6e−3 ≈ −0,30.
- f''(x) = (−x² + 4x + 1)e−x s'annule en x = 2 + √5 ≈ 4,24 : point d'inflexion.
La courbe part de (0 ; 3), descend, coupe Ox en √3, atteint son minimum en (3 ; −0,30), puis remonte lentement vers l'axe Ox.
b) i) f(n,m) s'annule en x0 = n1/m, positive avant, négative après. Donc :
An,m = ∫0n1/m (n − xm) e−x dx et A'n,m = ∫n1/m+∞ (xm − n) e−x dx.
ii) Clé : An,m − A'n,m = ∫0+∞ f(n,m)(x) dx = n J0 − Jm = n − m! (d'après 3). Donc An,m = A'n,m ⇔ n = m!.
- (6, 3) : 3! = 6 ⇒ A6,3 = A'6,3.
- (5, 2) : 2! = 2 ≠ 5 ⇒ A5,2 − A'5,2 = 3 ≠ 0, donc A5,2 ≠ A'5,2.
iii) K = {(n, m) ∈ (ℕ*)² : n = m!} = {(m!, m) ; m ∈ ℕ*}. L'application m ↦ (m!, m) est une bijection de ℕ* sur K : K est non vide et infini dénombrable. Le complémentaire K̄ contient par exemple tous les couples (n, 1) avec n ≥ 2 (car 1! = 1) : il est non vide et infini ; partie infinie de l'ensemble dénombrable (ℕ*)², il est lui aussi infini dénombrable. Les deux infinis ont donc la même nature : celle de ℕ (cardinal ℵ0).
iv) Pour (n, m) ∈ K, n = m! donc n + 1 = m! + 1. D'après le théorème de Wilson (démontré en 4) b), appliqué à p = m + 1 ≥ 2) :
m + 1 est premier ⇔ (m + 1) divise m! + 1 = n + 1.
(Vérification pour m = 1 : 2 est premier et 2 divise 1! + 1 = 2. Pour m = 3 : 4 n'est pas premier et 4 ne divise pas 3! + 1 = 7.)
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