MPSI B Année 2016-2017. DS 2 le 07/10/16 29 juin 2019
Exercice 1
Soit E un ensemble et A , B deux parties xées de E . On dénit une fonction f par f :
( P (E) → P (E) × P (E)
X 7→ f (X) = (A ∩ X, B ∪ X)
1. Préciser f (A) , f (A ∪ B) , f ( ∅ ) , f (B ∩ A) . Que peut-on en déduire si f est injective ? 2. Soit X une partie de E , montrer que
X = (X ∩ B) ∪ (X ∪ B) ∩ B 3. Dans cette question, on suppose B ⊂ A .
a. Montrer que :
∀ (X, Y ) ∈ P (E) 2 , A ∩ X = A ∩ Y ⇒ B ∩ X = B ∩ Y b. Montrer que f est injective.
Exercice 2
On considère deux systèmes de trois équations linéaires aux inconnues réelles (x, y, z) dépendant des paramètres réels a et b
(S) :
ax + by + z = 1 x + aby + z = b x + by + az = 1
(S 0 )
x+ z+aby =b
(a − 1)z+b(1 − a)y =1 − b b(1 − a)(2 + a)y =2 − b − ab 1. Préciser les opérations élémentaires assurant que les deux systèmes sont équivalents.
2. Préciser, suivant les valeurs des paramètres a et b les ensembles de solutions. Lorsque le système admet un unique triplet solution, on ne cherchera pas à le calculer.
Problème
Ce problème porte sur l'inégalité isopérimétrique reliant l'aire et le périmètre de certaines gures géométriques.
Dans tout le problème, n désigne un entier supérieur ou égal à 3 et ω désigne e i
2πn.
Un polygone (à n côtés) est un élément de C n . Par exemple Z = (z 0 , z 1 , · · · , z n−1 ) est un polygone. On convient alors que z n = z 0 .
Un polygone Z est dit équilatéral lorsque | z j+1 − z j | est indépendant de l'indice j entre 0 et n − 1 .
Il est dit régulier direct lorsqu'il existe a ∈ C ∗ et b ∈ C tels que
∀ k ∈ { 0, · · · , n − 1 } , z k = aω k + b Il est dit régulier indirect lorsqu'il existe a ∈ C ∗ et b ∈ C tels que
∀ k ∈ { 0, · · · , n − 1 } , z k = a¯ ω k + b Un polygone régulier direct ou indirect est dit simplement régulier.
Pour un polygone
Z = (z 0 , z 1 , · · · , z n−1 )
on dénit son conjugué (noté Z ) et son translaté par c (noté Z + c avec c ∈ C) par : Z = (z 0 , z 1 , · · · , z n−1 ), Z + c = (z 0 + c, z 1 + c, · · · , z n−1 + c)
On dénit aussi b z 0 , z b 1 , · · · , b z n−1 , b z n par :
∀ j ∈ { 0, · · · , n } , b z j = 1
√ n
n−1
X
k=0
(¯ ω j ) k z k
On peut remarquer que b z n = b z 0 .
Partie I. Calculs préliminaires.
1. a. Soit k ∈ J 1, n − 1 K et ε ∈ {− 1, +1 }. Montrer que sin
kπ n
+ ε tan π n
cos kπ
n
≥ 0
b. En utilisant le tableau de variations de x → tan x − x dans un intervalle à préciser, montrer que
n tan π n
≥ π
2. Soit Z = (z 0 , · · · , z n−1 ) un polygone régulier avec a et b comme dans la dénition.
a. Montrer que Z est équilatéral.
Cette création est mise à disposition selon le Contrat
Paternité-Partage des Conditions Initiales à l'Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/
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Rémy Nicolai S1602EMPSI B Année 2016-2017. DS 2 le 07/10/16 29 juin 2019
z 0 = 1 z 1 = 2i
z 2 = −1
z 3 = −2i
Fig. 1: Un polygone à 4 côtés
b. Montrer les points dont les axes sont les z i sont sur un cercle dont on précisera le centre et le rayon.
c. Exprimer b puis a en fonction des z i .
3. Montrer que le polygone de l'exemple de la gure 1 est équilatéral mais pas régulier.
4. Soit p ∈ Z, discuter selon p de la valeur de
√ 1 n
n−1
X
k=0
(ω p ) k
5. Soit Z = (z 0 , z 1 , · · · , z n−1 ) ∈ C n . Vérier que
∀ j ∈ { 0, · · · , n − 1 } , z j = 1
√ n
n−1
X
k=0
(ω j ) k z b k
Partie II. Inégalité isopérimétrique pour les polygones.
Pour tout polygone Z = (z 0 , · · · , z n−1 ) , on dénit L(Z) , E(Z) et A(Z) par : L(Z) =
n−1
X
k=0
| z k+1 − z k | , E(Z) =
n−1
X
k=0
| z k+1 − z k | 2 , A(Z ) = 1 2 Im
n−1
X
k=0
z k+1 z k
!
Il est évident que L(Z) est le périmètre du polygone. Le réel A(Z) représente son aire algébrique mais vous ne devez ni justier ni utiliser cette propriété.
1. Soit c ∈ C et Z ∈ C n . Exprimer A(Z ) et A(Z + c) en fonction de A(Z) . 2. On suppose dans cette question seulement que Z est un polygone régulier.
a. Exprimer L(Z) , E(Z) , A(Z) en fonction de sin π n
ou de sin 2π n b. En déduire les rapports
| A(Z ) | L(Z ) 2
| A(Z) | E(Z )
L(Z) 2 E(Z)
3. Soit Z ∈ C n . Montrer que L(Z) 2 ≤ nE(Z ) . Sous quelle condition sur Z a-t-on l'égalité ? 4. Soit Z ∈ C n .
a. Établir les relations A(Z) = 1
2
n−1
X
k=0
sin 2kπ
n
| z b k | 2 E(Z ) = 4
n−1
X
k=0
sin 2 kπ
n
| b z k | 2 b. Montrer que
E(Z ) − 4 tan π n
A(Z ) = 4
n−1
X
k=0
sin kπ
n sin kπ
n
− tan π n
cos kπ
n
|b z k | 2 c. Montrer que
| A(Z) |
E(Z) ≤ 1 4 tan π n 5. On admet qu'il existe Z 0 ∈ C n tel que :
∀ Z ∈ C n : | A(Z ) |
L(Z) 2 ≤ | A(Z 0 ) | L(Z 0 ) 2
a. Soit (z 0 , · · · , z n−1 ) = Z 0 et j entier entre 0 et n − 1 . On note Z 1 le polygone obtenu à partir de Z en remplaçant z j par z j + λ(z j+1 − z j−1 ) (avec un λ réel) sans changer les autres valeurs. Montrer que A(Z 1 ) = A(Z 0 ) .
b. Montrer que Z 0 est équilatéral.
c. Montrer l'inégalité isopérimétrique pour les polygones :
∀ Z ∈ C n , 4π | A(Z ) | ≤ L(Z) 2
Ce qui prouve l'inégalité demandée pour le cas des polygones. Cette inégalité se généralise à d'autres courbes.
Cette création est mise à disposition selon le Contrat
Paternité-Partage des Conditions Initiales à l'Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/
