نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2000: الرياضيات 1 - شعبة TSI لولوج مدارس المهندسين
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باختصار
هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين لدى المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) (2000)، منشور على وظيفة إنفو للاطلاع والتحميل المجاني بصيغة PDF مع تصحيح مقترح.
- الجهة المنظمة
- المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية)
- الدرجة
- مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين
- التخصص
- الرياضيات 1
- الدورة
- 2000
- عدد الصفحات
- 4
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
📝 نص أسئلة النموذج (مستخرج آلياً من الصفحات الممسوحة)
استُخرج هذا النص آلياً من صور الامتحان وقد يحتوي على أخطاء في القراءة — الصور أعلاه هي المرجع.
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ROYAUME DU MAROC
Ministère Chargé de l'Enseignement Ministère de l'Enseignement
Secondaire et Technique Supérieur, de la Formation des Cadres
et de la Recherche Scientifique
Concours National Commun
d’Admission aux
Grandes Écoles d'Ingénieurs
Session 2000
ÉPREUVE DE MATHÉMATIQUES I
Durée 4 heures
Concours TSI
Cette épreuve comporte 3 pages au format A4, en plus de cette page de garde
L'usage de la calculatrice est interdit
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Concours National Commun - Session 2000 TSI
L’énoncé de cette épreuve, particulière aux candidats du concours TSI,
comporte 3 pages.
L'usage de la calculatrice est interdit .
Les candidats sont informés que la précision des raisonnements ainsi que le soin apporté à la rédaction
seront des éléments pris en compte dans la notation. Les candidats pourront admettre et utiliser le résultat
d'une question non résolue s’ils l‘indiquent clairement sur la copie. Il convient en particulier de rappeler avec
précision les | références | des questions abordées.
Définitions et notations
Soitw = % avec T › 0; Pour tout n € Z et toute application f : R — © continue par
morceaux et T-périodique on pose :
cn(f) = ÿ |, 1eme at
Les ch (f) sont appelés les coefficients de Fourier complexes de f.
Étant donnée une famille (Un)nez de nombres complexes, on dit que la série ›, Un CONverge si
les deux séries ›, Un et ›. u_n convergent. En cas de convergence, on pose :
nz0 nzl
n=—0 n=0 n=l
Partie I
1. Soit f : R — C continue par morceaux et T-périodique.
(a) Pour tout n € N*, exprimer cp (f) et c_ (.f) en fonctions des coefficients de Fourier a, (f)
et bn(f) de f. Que vaut co( f) ?
(b) Pour tout x € Retn € N exprimer la somme ›, cr(f)e"**® à l’aide de la somme partielle
d'indice n associée à la série de Fourier de f qu’on notera S,(f)(x).
(c) Donner un énoncé du théorème de Dirichlet faisant intervenir les coefficients de Fourier
complexes de f.
2. Soit f : R — © une application de classe 01. On prolonge la restriction de f à l'intervalle
(0, 1[ en une fonction 1-périodique sur R notée g.
(a) Vérifier que g est de classe 0 par morceaux.
(b) Exprimer les coefficients de Fourier complexes de g à l’aide d’une intégrale faisant
intervenir la fonction f.
1
(c) Montrer que la série ›, | f(t)e-?"* dt est convergente de somme ;(f(0) + f(1)).
nez 0
Épreuve de Mathématiques I 1/3 Tournez la page S.V.P.
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Concours National Commun - Session 2000 TSI
3. Soient f : R — © une application de classe C* et (p, g) € Z? avec p ‹ q.
(a) Montrer que pour tout k € {p,...,q — 1} ona:
(b) En déduire que
1 get 1 +0 7 د
Partie II
Le but de cette partie est de calculer, pour tout n € N*, la somme de Gauss notée مه suivante :
k=1
2
1. Simplifier l'expression ع 2777 selon la parité de l’entier k.
2. Montrer que pour tout entier p on a :
mie je 4 É = 2 Di LÉ
| 215) —PÉ) dt = 1 ل ل du +i7” | ex du.
3. Montrer avec soin que pour tout œ € R*, l'intégrale 1 انطع du est convergente.
(On pourra utiliser une intégration par partie.)
4. Démontrer alors que
- 00
5. On pose J, = 1 تا2ع * du, n € N*.
(a) Trouver une relation entre J, et J,.
(b) Calculer 7 à l'aide de ce qui précède et donner l'expression de o,.
Partie III
—atn2
1. Montrer que pour tout réel t › 0, la série $. e est convergente.
On pose alors
2. Montrer que la fonction x est décroissante sur ]0, +].
Épreuve de Mathématiques I 2/3 Tournez la page S.V.P.
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Concours National Commun - Session 2000 TSI
3. Montrer que
2
et en déduire la limite de y en +oc.
4. Montrer en utilisant la question I-3-b que : Vt › 0, x(t) = lim ›, 1 aires taire وول
n Br —nte-Ttn? t 11 8
—n TP 27123 »ل
+0 Isis
6. Soit t › 0. Montrer que pour tout p € Z et P € R[X], l'intégrale / P(x)e- (#طع2 + هاا dx est
convergente.
7. En déduire que pour tout t › 0 il existe une constante M (t) telle que
J er (ata®+2inpx) dr M(t) à
2
—n 7
8. Soient 5 › 0ett › 0.
(a) Justifier l'existence de Ny € N tel que
q 2
p=N+1
› € pour tout entier N = No.
(b) En écrivant, pour tout N = Ny, que
x 7 2107 N n me n IN
ل 1 e-(Ftæ +2ixpæ) at › ; 1 سا +2ixpæ) dr + x ١ 1 سد +2ixpr) dia
p=—0o. [pl 2171 0
montrer que l’on a :
9. Pour a € Ron pose f(a) = | 0t da,
(a) Montrer que f est bien définie et qu’elle est dérivable sur R.
(b) Montrer que f satisfait l'équation différentielle
(c) Résoudre l'équation différentielle (Æ) et conclure qu’il existe une constante Æ › 0 telle
que pour tout t › 0 on ait :
(d) Donner alors la valeur de K ainsi que celle de f(0).
10. Montrer que
FIN DE L'ÉPREUVE
Épreuve de Mathématiques I 3/3 FIN
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✅ التصحيح المقترح
هذا تصحيح مقترح من إعداد فريق wadifa-info لمساعدتك على فهم منهجية الإجابة — وليس تصحيحاً رسمياً صادراً عن الإدارة المنظِّمة. أسئلة هذا الامتحان محررة بالفرنسية، لذلك التصحيح محرر بالفرنسية أيضاً.
Ce sujet est l'épreuve de Mathématiques I du Concours National Commun (CNC) 2000, filière TSI, concours d'admission aux grandes écoles d'ingénieurs marocaines après les classes préparatoires. Durée : 4 heures, calculatrice interdite. Thème : séries de Fourier complexes, formule sommatoire de Poisson, sommes de Gauss (Partie II) et fonction thêta χ avec son équation fonctionnelle (Partie III). Voici une correction proposée, question par question.
💡 Convention utilisée : pour f T-périodique, ω = 2π/T, an(f) = (2/T)∫0T f(t)cos(nωt)dt, bn(f) = (2/T)∫0T f(t)sin(nωt)dt et Sn(f)(x) = a0/2 + Σk=1n (akcos kωx + bksin kωx). Les séries Σn∈ℤ qui viennent de Dirichlet se lisent comme limite des sommes symétriques Σn=−NN (voir la remarque en I.2.c).
Partie I
1.(a) Coefficients complexes et réels
Avec e−inωt = cos(nωt) − i sin(nωt) :
cn(f) = (1/T)∫0T f(t)cos(nωt)dt − i(1/T)∫0T f(t)sin(nωt)dt = (an(f) − i bn(f))/2,
c−n(f) = (an(f) + i bn(f))/2 (n ∈ ℕ*), et c0(f) = (1/T)∫0T f(t)dt = a0(f)/2 (valeur moyenne de f).
1.(b) Somme symétrique
Pour k ≥ 1 : ckeikωx + c−ke−ikωx = ½[(ak − ibk)(cos kωx + i sin kωx) + (ak + ibk)(cos kωx − i sin kωx)] = akcos kωx + bksin kωx. En ajoutant le terme k = 0 (c0 = a0/2) :
Σk=−nn ck(f)eikωx = Sn(f)(x).
1.(c) Théorème de Dirichlet
Si f : ℝ → ℂ est T-périodique et de classe C1 par morceaux, alors pour tout x ∈ ℝ, f admet des limites à droite f(x+) et à gauche f(x−) et
limn→+∞ Σk=−nn ck(f)eikωx = ½(f(x+) + f(x−)).
En particulier la somme vaut f(x) en tout point où f est continue.
2.(a) g est C1 par morceaux
Pour k ∈ ℤ et x ∈ [k, k+1[, g(x) = f(x − k). Sur ]k, k+1[, g coïncide avec x ↦ f(x − k), qui est C1 sur le segment [k, k+1]. Donc la restriction de g à chaque ]k, k+1[ se prolonge en une fonction C1 sur [k, k+1] : g est C1 par morceaux (subdivision ℤ).
2.(b) Coefficients de g
Ici T = 1, ω = 2π et g = f sur [0, 1[ (le point 1 ne change pas l'intégrale) :
cn(g) = ∫01 f(t)e−2iπntdt.
2.(c) Somme de la série
On applique Dirichlet à g en x = 0 : g(0+) = f(0) et g(0−) = limx→1− f(x) = f(1) (f continue). Comme e0 = 1 :
Σn∈ℤ ∫01 f(t)e−2iπntdt = ½(f(0) + f(1)).
💡 Remarque à signaler sur la copie : une intégration par parties donne cn(g) = (f(0) − f(1))/(2iπn) + cn(f′)/(2iπn). Si f(0) ≠ f(1), les deux séries Σn≥0 et Σn≥1 divergent séparément (terme en 1/n), mais leurs termes en 1/n se compensent dans cn + c−n. La convergence est donc à comprendre au sens des sommes symétriques Σ−NN, qui est le sens du théorème de Dirichlet.
3.(a) Formule sur [k, k+1]
Soit fk(x) = f(x + k), de classe C1. Par 2.(c) : ½(f(k) + f(k+1)) = Σn ∫01 f(t + k)e−2iπntdt. Avec s = t + k et e2iπnk = 1 (nk ∈ ℤ) : ∫01 f(t+k)e−2iπntdt = ∫kk+1 f(s)e−2iπnsds. D'où
½(f(k) + f(k+1)) = Σn=−∞+∞ ∫kk+1 f(t)e−2iπntdt.
3.(b) Sommation de p à q − 1
On somme ces q − p égalités (somme finie de séries convergentes). À gauche : Σk=pq−1 ½(f(k) + f(k+1)) = ½f(p) + Σk=p+1q−1 f(k) + ½f(q) (chaque point intérieur est compté deux fois avec le poids ½). À droite, la relation de Chasles regroupe les intégrales en ∫pq. D'où le résultat demandé.
Partie II — Sommes de Gauss
1. Simplification de e−2iπn k²/4
- k pair, k = 2m : k²/4 = m² ∈ ℤ, donc e−2iπn k²/4 = 1.
- k impair, k = 2m + 1 : k² = 4m(m+1) + 1, donc k²/4 = m(m+1) + ¼ et e−2iπn k²/4 = e−iπn/2 = (−i)n = i−n.
2. Calcul de l'intégrale
💡 Erreur d'énoncé à signaler : telle qu'elle est imprimée, l'égalité est fausse (pour p = 0, le membre de droite contient en plus i−n∫−n/2n/2 e2iπu²/ndu, qui n'est pas nul). La formule juste, et celle qu'utilise la question 4, porte sur la somme des intégrales d'indices 2p et 2p + 1 : ∫0n e2iπ(t²/n − 2pt)dt + ∫0n e2iπ(t²/n − (2p+1)t)dt = ∫−pn(−p+1)n e2iπu²/ndu + i−n∫−(p+½)n(−p+½)n e2iπu²/ndu.
Preuve. Pour un entier m, on complète le carré : t²/n − mt = (t − mn/2)²/n − nm²/4. Avec u = t − mn/2 :
∫0n e2iπ(t²/n − mt)dt = e−2iπn m²/4 ∫−mn/2n − mn/2 e2iπu²/ndu.
- m = 2p (pair) : facteur 1 (question 1), bornes −pn et (−p+1)n ;
- m = 2p + 1 (impair) : facteur i−n, bornes −(p+½)n et (−p+½)n.
En ajoutant les deux on obtient la formule.
3. Convergence de ∫−∞+∞ eiαu²du (α ≠ 0)
L'intégrande est continue et paire : il suffit d'étudier ∫1+∞. Pour X > 1, on écrit eiαu² = (2iαu eiαu²)/(2iαu) et on intègre par parties :
∫1X eiαu²du = [eiαu²/(2iαu)]1X + ∫1X eiαu²/(2iαu²) du.
Le crochet tend vers −eiα/(2iα) (car |eiαX²/(2iαX)| ≤ 1/(2|α|X) → 0) et la dernière intégrale converge absolument (module ≤ 1/(2|α|u²), intégrable sur [1, +∞[). Donc ∫1+∞ converge, et par parité ∫−∞+∞ eiαu²du converge.
4. σn = (1 + i−n)∫−∞+∞ e2iπu²/ndu
On applique I.3.(b) à f(t) = e2iπt²/n (C1), avec p = 0 et q = n. Comme f(0) = 1 = e2iπn = f(n) :
½f(0) + Σk=1n−1 f(k) + ½f(n) = 1 + Σk=1n−1 f(k) = Σk=1n e2iπk²/n = σn.
Donc σn = limM Σm=−MM Im avec Im = ∫0n e2iπ(t²/n − mt)dt. On prend M = 2P + 1 et on groupe les indices (2p, 2p+1), p = −P, …, P (le terme supplémentaire I−2P−1 tend vers 0 car les termes d'une série convergente tendent vers 0). Par la question 2, les intervalles [−pn, (−p+1)n] et [−(p+½)n, (−p+½)n] (p = −P…P) se recollent :
Σp=−PP(I2p + I2p+1) = ∫−Pn(P+1)n e2iπu²/ndu + i−n∫−(P+½)n(P+½)n e2iπu²/ndu.
Quand P → +∞, par la question 3 (convergence aux deux bornes) : σn = (1 + i−n)∫−∞+∞ e2iπu²/ndu.
5.(a) Relation entre Jn et J1
Changement de variable u = √n v (affine, sur une intégrale convergente) : Jn = √n J1.
5.(b) Valeur de J1 et de σn
Pour n = 1 : σ1 = e2iπ = 1 = (1 + i−1)J1 = (1 − i)J1, donc J1 = 1/(1 − i) = (1 + i)/2. Ainsi :
σn = √n · (1 + i)(1 + i−n)/2, soit :
| n mod 4 | 0 | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|---|
| σn | (1 + i)√n | √n | 0 | i√n |
Contrôle : σ2 = eiπ + e4iπ = 0 ; σ3 = 1 + 2e2iπ/3 = i√3. ✔
Partie III — La fonction χ
1. Convergence
Pour |n| ≥ 1, n² ≥ |n| donc 0 < e−πtn² ≤ (e−πt)|n|, terme d'une série géométrique de raison e−πt ∈ ]0, 1[. Les séries Σn≥0 et Σn≥1 e−πt(−n)² convergent : χ(t) est bien défini et χ(t) = 1 + 2Σn≥1 e−πtn².
2. χ décroissante
Pour 0 < s < t et n ≥ 1, e−πtn² < e−πsn² ; en sommant, χ(t) < χ(s) : χ est (strictement) décroissante sur ]0, +∞[.
3. Encadrement et limite
χ(t) − 1 = 2Σn≥1 e−πtn² > 0, et avec n² ≥ n : χ(t) − 1 ≤ 2Σn≥1 e−πtn = 2e−πt/(1 − e−πt) = 2/(eπt − 1). Ce majorant tend vers 0 en +∞, donc limt→+∞ χ(t) = 1.
4. Formule avec I.3.(b)
On applique I.3.(b) à f(x) = e−πtx² (C1), avec p = −n et q = n :
Σk=−nn e−πtk² − e−πtn² = Σp∈ℤ ∫−nn e−πtx²e−2iπpxdx (car ½f(−n) + ½f(n) = e−πtn²). Quand n → +∞, le membre de gauche tend vers χ(t) − 0 : χ(t) = limn Σp ∫−nn e−(πtx² + 2iπpx)dx.
5. Double intégration par parties (p ≠ 0)
Notons φ(x) = e−πtx², e(x) = e−2iπpx, de primitive −e(x)/(2iπp), avec e(±n) = 1 (pn ∈ ℤ).
1re IPP : ∫−nn φe = [−φe/(2iπp)]−nn + (1/(2iπp))∫ φ′e. Le crochet est nul (φ(n) = φ(−n)) et φ′ = −2πtxφ, donc ∫ φe = (it/p)∫−nn xφ(x)e(x)dx.
2e IPP : ∫ xφe = [−xφe/(2iπp)]−nn + (1/(2iπp))∫(xφ)′e = i n e−πtn²/(πp) + (1/(2iπp))∫(1 − 2πtx²)φe.
En multipliant par it/p : ∫−nn e−(πtx² + 2iπpx)dx = −nte−πtn²/(πp²) + (t/(2πp²))∫−nn (1 − 2πtx²)e−(πtx² + 2iπpx)dx.
6. Convergence
|P(x)e−(πtx² + 2iπpx)| = |P(x)|e−πtx² = o(1/x²) en ±∞ (croissances comparées) : l'intégrale est absolument convergente.
7. Majoration en M(t)/p²
D'après 5 : |∫−nn …| ≤ (t/(πp²)) · n e−πtn² + (t/(2πp²))∫−∞+∞ |1 − 2πtx²|e−πtx²dx. Or n e−πtn² ≤ supx>0 x e−πtx² = 1/√(2πet), et la dernière intégrale converge (question 6). On pose
M(t) = t/(π√(2πet)) + (t/(2π))∫−∞+∞ |1 − 2πtx²|e−πtx²dx, indépendant de n et p.
8.(a) Existence de N0
Σ M(t)/p² converge (Riemann, exposant 2) : son reste tend vers 0, d'où N0 tel que Σp≥N+1 M(t)/p² ≤ ε pour N ≥ N0.
8.(b) χ(t) = Σp ∫−∞+∞ e−πtx² − 2iπpxdx
Fixons N ≥ N0. Par 7, le reste Σ|p|≥N+1 ∫−nn est de module ≤ 2ε, uniformément en n. Faisons n → +∞ : la somme finie Σ|p|≤N ∫−nn tend vers Σ|p|≤N ∫−∞+∞ (question 6) et le membre de gauche tend vers χ(t) (question 4), donc
|χ(t) − Σ|p|≤N ∫−∞+∞ e−πtx² − 2iπpxdx| ≤ 2ε.
Par passage à la limite dans 7, |∫−∞+∞ e−πtx² − 2iπpxdx| ≤ M(t)/p² : la série Σp ∫−∞+∞ converge absolument et son reste d'ordre N est ≤ 2ε. Donc |χ(t) − Σp∈ℤ ∫−∞+∞| ≤ 4ε pour tout ε > 0 : χ(t) = Σp=−∞+∞ ∫−∞+∞ e−πtx² − 2iπpxdx.
9.(a) f bien définie et dérivable
|e−x² + iax| = e−x², intégrable sur ℝ : f est définie. h(a, x) = e−x² + iax est C1 en a avec |∂h/∂a| = |ix e−x² + iax| = |x|e−x², intégrable et indépendant de a (hypothèse de domination). Par le théorème de dérivation sous le signe intégrale, f est C1 sur ℝ et f′(a) = i∫−∞+∞ x e−x²eiaxdx.
9.(b) Équation (E)
On intègre par parties avec x e−x² = −½(e−x²)′ (le crochet −½e−x²eiax tend vers 0 en ±∞) : f′(a) = i · ½∫ e−x² · ia eiaxdx = −(a/2)f(a). Donc f′ + (a/2)f = 0.
9.(c) Résolution et équation fonctionnelle
(E) est linéaire du premier ordre : f(a) = f(0)e−a²/4. Dans ∫−∞+∞ e−πtx² − 2iπpxdx, on pose y = √(πt) x : = (1/√(πt))∫ e−y² − iaydy avec a = 2p√(π/t), soit (1/√(πt)) f(−a) = (f(0)/√(πt)) e−πp²/t (car a²/4 = πp²/t). En sommant sur p (question 8) :
χ(t) = (K/√(πt)) χ(1/t), avec K = f(0) = ∫−∞+∞ e−x²dx > 0.
9.(d) Valeurs de K et f(0)
Pour t = 1 : χ(1) = (K/√π)χ(1) avec χ(1) ≥ 1 > 0, donc K = √π et f(0) = √π (on retrouve l'intégrale de Gauss).
10. Comportement en 0
Avec K = √π : χ(t) = χ(1/t)/√t, donc χ(t) − 1/√t = (χ(1/t) − 1)/√t. Par la question 3, 0 < (χ(1/t) − 1)/√t ≤ 2/(√t (eπ/t − 1)), qui tend vers 0 quand t → 0+ (l'exponentielle l'emporte). Donc χ(t) = 1/√t + o(1) quand t → 0.
أسئلة شائعة حول هذا النموذج
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