نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2003: 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) (2003)، 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
- 2003
- عدد الصفحات
- 4
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
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— صفحة 1 — ROYAUME DU MAROC Ministère de l'Éducation Nationale Ministère de l'Enseignement et de la Jeunesse Supérieur, de la Formation des Cadres et de la Recherche Scientifique Concours National Commun d’Admission aux Grandes Écoles d'Ingénieurs Session 2003 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 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 2 — Concours National Commun - Session 2003 -1 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. EXERCICE On considère la fonction et, pour r € R, on pose 1. Montrer que l'intégrale | f(t) dt est convergente et en déduire que, pour tout réel x, f(x) a un sens. 2. Montrer que f est dérivable sur R et qu'elle satisfait l'équation différentielle 2 3. Résoudre l'équation différentielle (1) et donner l'expression de f en admettant que (7 108=v PROBLÈME 1 Dans ce problème, g désigne la fonction définie sur R par 1 cht’ glt) = 1. Soient a, 8 et À des réels avec À › 0. (a) Calculer l'intégrale A 0 (b) En déduire les valeurs des intégrales | لع cos ft dt et | e“* sin At dt. 0 0 (c) Si p est un réel strictement positif, montrer que l'intégrale / الع cos Bt dt 0 est convergente et expliciter sa valeur à l'aide de 8 et de p. Épreuve de Mathématiques I 1/3 Tournez la page S.V.P. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 3 — Concours National Commun - Session 2003 — TSI 2. Montrer que, pour tout réel r, l'intégrale est absolument convergente. Dans la suite, on pose +08 â(x) = j g(t)cosxt dt, x ER. 0 3. (a) Montrer que, pour tout réel 1 et tout entier naturel n = 1, k=0 û (b) Montrer que, pour tout réel x et tout entier naturel n › 1, +00 e-(2n+3)t 1 0 1+e-% 2n +3 et en déduire soigneusement que +es +0 9(x) =2 Se 1)” ] الجاع cos(xt) dt. n=0 (c) Exprimer l'intégrale intervenant dans l'expression précédente et conclure que ; ve n 2041 VER ا ال لت 5 n=0 4. Soit x un réel ; on désigne par 7 la fonction 2T-périodique, impaire et définie pour + 0,7] par (a) Calculer les coefficients de Fourrier a, et وق de la fonction h. (b) En précisant le théorème utilisé dont on vérifiera les hypothèses dans ce cas, donner la valeur de la somme de la série =. b, sin nt, pour tout + € [0, |. (c) Que devient cette somme pour t = 5 ? 5. Montrer alors que 7 (on rappelle la formule ch(y)=2ch*(2) - 1, pour د € R) PROBLÈME 2 Sur l'équation des cordes vibrantes Dans ce problème, C?(R) (resp. C?(R*)) désigne l’espace vectoriel des fonctions réelles de classe C? sur R (resp. R?), et c est un réel strictement positif. On s'intéresse à l'équation aux dérivées partielles 2, 1 7 où f : (x,t) — f(x,t) est une fonction inconnue élément de C*(R?). Épreuve de Mathématiques I 2/3 ب نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 4 — Concours National Commun - Session 2003 -1 A- Résolution par la méthode de D’Alembert 2 1. Soit h € C*(R?); montrer que = 3 JUOU éléments de C?(R), telles que, pour tout couple (u, v) de R?, h(u,v) = F(u) + G(v). 1 = 0 si et seulement s’il existe deux fonctions F et G, (a) Vérifier que V est un automorphisme de l’espace vectoriel R?. Dans la suite, © désigne l’automorphisme réciproque de .ل (b) Prouver que l'application © : f — f* = f o © est un automorphisme de C?(R?). 3. Soit f € C?(R?) une solution de (I). SF quis 87 du ‘PUS ووو (b) En déduire que f est de la forme f : (x,t)— F(x — ct) + هاه + ct) où F et G sont deux éléments quelconque de C*(R). (a) Calculer 4. Soit م un élément de C?(R). Montrer qu’il existe un unique élément f de C?(R?), solution de (D), que l'on exprimera en fonction de رم satisfaisant aux conditions initiales suivantes : VrEeR, f(x,0)= p(x) (position initiale au temps t = 0) 7 61, 37 (x,0)=0 (corde au repos au temps t = 0) B- Solutions stationnaires vérifiant des conditions aux limites Une solution f de (I) est dite stationnaire s’il existe deux fonctions و et h de C?(R) telles que 1. Soit À une constante réelle. On suppose que و et h sont deux éléments de C?(R) vérifiant le système Établir que la fonction f : (x,t) — g(x)h(t) est solution de (D). 2. Réciproquement, on suppose que و et h sont deux éléments de C?(R) tels que la fonction (æ,t) — 9(x)h(t) soit une solution de (I) non identiquement nulle. Prouver l'existence d’un réel À tel que و et h soient solution du système (S)). 3. Soit a un réel strictement positif. (a) Résoudre l'équation différentielle y” = سر selon les valeur du réel y. On distinguera les trois cas u = 0, u › 0etyu ‹0. (b) Déterminer tous les réels u de sorte que l'équation différentielle y” = jy admette une solution non nulle sur R satisfaisant la condition aux limites y(0) = y(a) = 0. Expliciter l’ensemble des solutions correspondant à chacune de ces valeurs de ju. (c) Déterminer alors l’ensemble des solutions stationnaires f de (I) vérifiant la condition aux limites FIN DE L'ÉPREUVE Épreuve de Mathématiques I 3/3 FIN نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com
✅ التصحيح المقترح
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Ce modèle est l'épreuve de Mathématiques I du Concours National Commun (CNC) 2003, filière TSI, concours d'admission aux grandes écoles d'ingénieurs marocaines. Durée : 4 heures, calculatrice interdite, énoncé de 3 pages. Il comporte un exercice (transformée de Fourier de la gaussienne), un problème 1 (transformée de 1/ch, développement en série et séries de Fourier) et un problème 2 (équation des cordes vibrantes : méthode de D'Alembert et solutions stationnaires). Voici une correction proposée, question par question.
💡 À retenir : pour dériver une intégrale à paramètre, citez toujours le théorème et vérifiez la domination de la dérivée partielle par une fonction intégrable indépendante du paramètre. Dans une EDP, le changement de variables linéaire u = x − ct, v = x + ct ramène l'équation des ondes à ∂²f*/∂v∂u = 0.
Exercice
1. f(t) = e−t² est continue et positive sur ℝ. Comme t²e−t² → 0 quand |t| → +∞, on a e−t² ≤ 1/t² pour |t| assez grand ; 1/t² est intégrable au voisinage de ±∞, donc ∫−∞+∞ f(t) dt converge.
Pour x réel, |e−ixt f(t)| = f(t) : l'intégrale définissant f̂(x) est absolument convergente, donc f̂(x) a un sens.
2. Posons k(x,t) = e−ixte−t². Pour tout t, x ↦ k(x,t) est C¹ et ∂k/∂x(x,t) = −it e−ixte−t², continue en (x,t), avec la domination |∂k/∂x(x,t)| ≤ |t|e−t², fonction intégrable sur ℝ indépendante de x. Par le théorème de dérivation sous le signe intégrale, f̂ est dérivable (même C¹) et
f̂′(x) = ∫−∞+∞ −it e−t² e−ixt dt.
Intégration par parties avec u(t) = e−ixt, v(t) = (i/2)e−t² (donc v′(t) = −it e−t²) :
f̂′(x) = [ (i/2)e−t²e−ixt ]−∞+∞ − ∫ (i/2)e−t²(−ix)e−ixt dt = 0 − (x/2) f̂(x).
Le crochet est nul car |e−t²e−ixt| = e−t² → 0. Donc f̂′ + (x/2) f̂ = 0 : f̂ est solution de (1).
3. (1) est linéaire du premier ordre ; une primitive de x/2 est x²/4, donc les solutions sont y(x) = C e−x²/4, C ∈ ℝ (ou ℂ). Or f̂(0) = ∫ f = √π, d'où
f̂(x) = √π e−x²/4 pour tout x réel.
Problème 1
Ici g(t) = 1/ch t.
1.(a) Si (α, β) ≠ (0, 0), α + iβ ≠ 0 et ∫0A e(α+iβ)t dt = (e(α+iβ)A − 1)/(α + iβ). Si α = β = 0, l'intégrale vaut A.
1.(b) On multiplie par le conjugué : (e(α+iβ)A − 1)(α − iβ)/(α² + β²), puis on prend parties réelle et imaginaire (e(α+iβ)t = eαtcos βt + i eαtsin βt) :
∫0A eαtcos βt dt = [eαA(α cos βA + β sin βA) − α] / (α² + β²),
∫0A eαtsin βt dt = [eαA(α sin βA − β cos βA) + β] / (α² + β²),
pour (α, β) ≠ (0, 0) (et respectivement A et 0 si α = β = 0).
1.(c) |e−ptcos βt| ≤ e−pt, intégrable sur [0, +∞[ (p > 0) : l'intégrale converge absolument. Avec α = −p dans (b) et e−pA → 0 (le facteur entre parenthèses est borné) :
∫0+∞ e−ptcos βt dt = p/(p² + β²).
2. |g(t) cos xt| ≤ 1/ch t = 2/(et + e−t) ≤ 2e−|t|, intégrable sur ℝ. L'intégrale est donc absolument convergente pour tout x. (Comme la fonction est paire, ∫−∞+∞ = 2ĝ(x).)
3.(a) Pour t ≥ 0, posons q = e−2t ∈ ]0, 1] ; g(t) = 2e−t/(1 + e−2t) = 2e−t/(1 + q). Somme géométrique : 1/(1 + q) = ∑k=0n (−q)k + (−q)n+1/(1 + q). D'où
g(t) = 2∑k=0n (−1)ke−(2k+1)t + 2(−1)n+1 e−(2n+3)t/(1 + e−2t).
On multiplie par cos(xt) et on intègre sur [0, +∞[ : chaque intégrale converge (1.(c) avec p = 2k + 1 ; le reste est dominé par e−(2n+3)t), et la linéarité donne la formule demandée.
3.(b) Comme 1 + e−2t ≥ 1 et |cos xt| ≤ 1 : |∫0+∞ e−(2n+3)tcos(xt)/(1 + e−2t) dt| ≤ ∫0+∞ e−(2n+3)t dt = 1/(2n + 3).
Notons Ik(x) = ∫0+∞ e−(2k+1)tcos(xt) dt. Par (a), |ĝ(x) − 2∑k=0n(−1)kIk(x)| ≤ 2/(2n + 3) → 0. Les sommes partielles convergent donc vers ĝ(x) : la série converge et ĝ(x) = 2∑n≥0(−1)nIn(x).
3.(c) Par 1.(c) avec p = 2n + 1 et β = x : In(x) = (2n + 1)/(x² + (2n + 1)²), d'où
ĝ(x) = 2∑n=0+∞ (−1)n(2n + 1)/(x² + (2n + 1)²).
4.(a) h est impaire, donc an = 0 pour tout n. Pour n ≥ 1, bn = (2/π)∫0π ch(xt) sin(nt) dt. Notons J cette intégrale ; deux intégrations par parties :
J = [−ch(xt)cos(nt)/n]0π + (x/n)∫0π sh(xt)cos(nt) dt = (1 − (−1)nch(πx))/n + (x/n)[sh(xt)sin(nt)/n]0π − (x²/n²)J.
Le crochet est nul, donc J(1 + x²/n²) = (1 − (−1)nch πx)/n et
bn = (2/π) · n(1 − (−1)nch(πx)) / (n² + x²).
4.(b) Théorème de Dirichlet : si h est 2π-périodique et C¹ par morceaux, sa série de Fourier converge en tout t vers ½(h(t⁺) + h(t⁻)). Ici, sur [0, π], h coïncide (hors des extrémités) avec t ↦ ch(xt), qui est C¹ sur [0, π] : h est bien C¹ par morceaux. Donc :
• pour t ∈ ]0, π[, h est continue en t : ∑ bnsin nt = ch(xt) ;
• en t = 0 et t = π, tous les sin nt sont nuls : la somme vaut 0 (c'est bien la demi-somme des limites, ±1 en 0 et ±ch(πx) en π).
4.(c) Pour t = π/2 : sin(nπ/2) = 0 si n est pair et sin((2p+1)π/2) = (−1)p. Pour n = 2p + 1, (−1)n = −1, d'où
ch(πx/2) = (2/π)(1 + ch πx) ∑p=0+∞ (−1)p(2p + 1)/((2p + 1)² + x²).
5. Par 3.(c), la série de 4.(c) vaut ĝ(x)/2, donc ch(πx/2) = (1 + ch πx) ĝ(x)/π. Avec la formule rappelée, 1 + ch(πx) = 2ch²(πx/2) :
ch(πx/2) = 2ch²(πx/2) ĝ(x)/π, et comme ch(πx/2) ≠ 0 : ĝ(x) = π / (2 ch(πx/2)) pour tout x réel.
Problème 2 — Équation des cordes vibrantes
A — Méthode de D'Alembert
1. Si h(u,v) = F(u) + G(v) avec F, G ∈ C²(ℝ), alors ∂h/∂u = F′(u) et ∂²h/∂v∂u = 0.
Réciproquement, si ∂/∂v(∂h/∂u) = 0 sur ℝ², alors pour u fixé, v ↦ ∂h/∂u(u,v) a une dérivée nulle sur l'intervalle ℝ : elle est constante, ∂h/∂u(u,v) = φ(u) := ∂h/∂u(u,0). φ est C¹ (h est C²). Soit F une primitive de φ : F ∈ C²(ℝ). Alors ∂(h(u,v) − F(u))/∂u = 0, donc h(u,v) − F(u) ne dépend que de v : h(u,v) − F(u) = G(v) avec G(v) = h(0,v) − F(0), qui est C². D'où h(u,v) = F(u) + G(v).
2.(a) Ψ est linéaire, de matrice (1 −c ; 1 c) dans la base canonique, de déterminant 2c ≠ 0 : c'est un automorphisme de ℝ². Son inverse est Φ(u,v) = ((u + v)/2, (v − u)/(2c)).
2.(b) Φ est linéaire donc de classe C∞ ; si f ∈ C²(ℝ²), f∘Φ ∈ C²(ℝ²). Θ est linéaire : (λf + g)∘Φ = λ f∘Φ + g∘Φ. Elle est bijective, d'inverse f* ↦ f*∘Ψ (même argument). Θ est donc un automorphisme de C²(ℝ²).
3.(a) f*(u,v) = f(x,t) avec x = (u + v)/2 et t = (v − u)/(2c). Règle de la chaîne :
∂f*/∂u = ½ ∂f/∂x − (1/(2c)) ∂f/∂t (dérivées prises en Φ(u,v)).
On dérive par rapport à v (∂x/∂v = ½, ∂t/∂v = 1/(2c)) et on utilise le théorème de Schwarz (f est C²) :
∂²f*/∂v∂u = ¼ ∂²f/∂x² + (1/(4c))∂²f/∂t∂x − (1/(4c))∂²f/∂x∂t − (1/(4c²))∂²f/∂t² = ¼ (∂²f/∂x² − (1/c²)∂²f/∂t²)∘Φ = 0, car f est solution de (I).
3.(b) f* ∈ C²(ℝ²) vérifie ∂²f*/∂v∂u = 0 ; par A.1, f*(u,v) = F(u) + G(v) avec F, G ∈ C²(ℝ). Comme f = f*∘Ψ :
f(x,t) = F(x − ct) + G(x + ct). (Réciproquement, une telle fonction vérifie ∂²f/∂x² = F″ + G″ et ∂²f/∂t² = c²(F″ + G″) : elle est solution de (I).)
4. Soit f = F(x − ct) + G(x + ct) une solution. Les conditions (1) donnent F(x) + G(x) = φ(x) et c(G′(x) − F′(x)) = 0 pour tout x. Donc G = F + k (k constante), puis F = (φ − k)/2 et G = (φ + k)/2. La constante disparaît :
f(x,t) = ½ [φ(x − ct) + φ(x + ct)].
Unicité : toute solution vérifiant (1) est de cette forme (calcul ci-dessus). Existence : cette fonction est C² (φ l'est), solution de (I) par A.3.(b), et vérifie f(x,0) = φ(x), ∂f/∂t(x,0) = ½(−cφ′(x) + cφ′(x)) = 0.
B — Solutions stationnaires vérifiant des conditions aux limites
1. f(x,t) = g(x)h(t) : ∂²f/∂x² = g″(x)h(t) = λg(x)h(t) et ∂²f/∂t² = g(x)h″(t) = λc²g(x)h(t). Donc ∂²f/∂x² − (1/c²)∂²f/∂t² = λgh − λgh = 0 : f est solution de (I).
2. f solution s'écrit g″(x)h(t) = (1/c²)g(x)h″(t) pour tous x, t. f n'étant pas identiquement nulle, il existe (x₀, t₀) avec g(x₀) ≠ 0 et h(t₀) ≠ 0. Posons λ = g″(x₀)/g(x₀).
• En x = x₀ : g(x₀)·λ h(t) = (1/c²)g(x₀)h″(t), donc h″ = λc²h.
• En t = t₀ : g″(x)h(t₀) = (1/c²)g(x)h″(t₀) = λ g(x)h(t₀), donc g″ = λg.
g et h sont donc solutions de (Sλ).
3.(a) Équation caractéristique r² = μ.
• μ = 0 : y(x) = Ax + B ;
• μ = ω² > 0 (ω > 0) : y(x) = A ch(ωx) + B sh(ωx) ;
• μ = −ω² < 0 (ω > 0) : y(x) = A cos(ωx) + B sin(ωx) ; (A, B) ∈ ℝ².
3.(b) • μ = 0 : y(0) = B = 0, y(a) = Aa = 0 ⇒ y = 0.
• μ > 0 : y(0) = A = 0, y(a) = B sh(ωa) = 0 avec sh(ωa) ≠ 0 ⇒ y = 0.
• μ < 0 : A = 0 et B sin(ωa) = 0 ; une solution non nulle existe si et seulement si sin(ωa) = 0, soit ω = kπ/a, k ∈ ℕ*.
Conclusion : μ = −k²π²/a², k ∈ ℕ*, et les solutions correspondantes sont y(x) = B sin(kπx/a), B ∈ ℝ.
3.(c) La fonction nulle convient. Soit f = g(x)h(t) une solution stationnaire non nulle vérifiant (2). Par B.2 il existe λ avec g″ = λg et h″ = λc²h. Comme h(t₀) ≠ 0 pour un t₀, (2) donne g(0) = g(a) = 0, et g ≠ 0 : par 3.(b), λ = −k²π²/a² et g(x) = B sin(kπx/a). Alors h″ = −(kπc/a)²h, donc h(t) = C cos(kπct/a) + D sin(kπct/a). Réciproquement ces fonctions sont solutions (B.1) et vérifient (2). L'ensemble cherché est :
{0} ∪ { (x,t) ↦ sin(kπx/a)·[C cos(kπct/a) + D sin(kπct/a)] ; k ∈ ℕ*, (C, D) ∈ ℝ² }
(les « modes propres » de la corde fixée en 0 et en a).
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المصدر: مباريات ولوج المدارس والمعاهد العليا
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