X/ENS Maths PC 2019 — Corrigé

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Ce corrigé est proposé par Thierry Limoges (professeur en CPGE) ; il a été relu par Sélim Cornet (ENS Paris-Saclay) et Benjamin Monmege (enseignant-chercheur à l’université).

Dans ce sujet, on étudie des propriétés sur les modules de polynômes à coefficients complexes, que l’on applique ensuite pour obtenir des inégalités dans le domaine des probabilités. Il est composé d’une partie préliminaire puis de quatre parties quasiment indépendantes. Chacune des parties 1 à 3 démontre un théorème à utiliser dans les suivantes.

• La partie préliminaire définit les matrices unitaires et présente quelques-unes de leurs propriétés.

• Dans la première partie, on montre que le module maximum d’un polynôme à coefficients complexes sur le disque unité est atteint sur le bord, en utilisant des matrices unitaires.

• Dans la seconde partie, on minore le module d’un polynôme à coefficients dans{−1 ; 0 ; 1}sur un arc du cercle unité.

• Dans la troisième partie, on majore la probabilité qu’une moyenne de variables aléatoires mutuellement indépendantes, suivant une loi de Bernoulli, s’éloigne de son espérance en utilisant l’inégalité de Markov.

• Enfin, dans la quatrième partie, on cherche à reconstituer avec grande probabi- lité un mot binairexà partir d’un grand nombre d’observations bruitéesO(x).

Curieusement, ce sujet utilise exclusivement des outils de première année : matrices, inégalités, étude de fonctions simples, intégration d’inégalités, probabilités sur des ensembles finis. Il est de difficulté progressive, balaye un large spectre de chapitres et fournit une bonne révision entre les deux années de prépa.

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Indications

1 S’inspirer de l’écriture matricielle du produit scalaire dans un espace euclidien.

2 Utiliser la question 1 et la définition d’une matrice unitaire.

3 Montrer séparément les deux inégalités.

4 Montrer que si U est unitaire, alors U⁻¹ également. Montrer séparément les deux inégalités.

5 Effectuer le calcul ^tM M = In+1.

6 Remarquer que multiplier une matrice parP à droite revient à en prendre la première colonne, et que multiplier par ^tP à gauche revient à en prendre la première ligne.

7 Utiliser la bilinéarité du produit matriciel, puis la définition de la norme d’une matrice dans l’énoncé.

8 ÉcrireM = UDU⁻¹ avecUunitaire, vérifier quef(M) = Uf(D)U⁻¹ et utiliser la question 3.

9 Utiliser l’inégalité triangulaire.

10.a Utiliser le théorème 1.

10.b Montrer qu’un desz0e^2iπj^L pour06j 6L−1possède un argument appartenant à l’intervalle[−π/L ;π/L ], puis utiliser la question 9.

11 Utiliser les questions 10.a et 10.b pour le casa0= 1, puis s’y ramener pour les autres cas.

12.a Calculer successivementg^′(x)et g^′′(x).

12.b Effectuer un changement de coordonnées polaires pour exprimerg^′′(x).

12.c Intégrer des inégalités.

13.a Raisonner géométriquement pour observer que pour toutx∈R,

|x−q|6|x−p| si et seulement si x> p+q 2 13.b Utiliser le théorème du transfert.

13.c Appliquer l’inégalité de Markov à la variable aléatoiree^uSⁿ. 13.d Mettre à profit les questions 12.c et 13.c.

14 Utiliser les questions 13.a et 13.d sip < q. Sinon, considérer les variables aléa- toiresX^′_i = 1−Xi.

15.b Se servir de la relation|z|²=zzet de la question 15.a.

16.a Décrire l’événement(N>j+ 1et Ij =k)par la phrase « lej-ième 1dans la suite(B0, . . . ,Bk)est obtenu au rangk».

16.b Utiliser queO_j(x) = 1si et seulement siN>j+ 1 etxI_j = 1.

16.c Faire appel à la linéarité de l’espérance.

17.a Invoquer le théorème 2.

17.b Utiliser l’inégalité triangulaire et la question 17.a avecwbien choisi.

17.c Raisonner par l’absurde et contredire le résultat de la question 17.b.

18 Utiliser la sous-additivité d’une probabilité pour montrer l’indication fournie par l’énoncé, puis la question 17.c et le théorème 3.

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Préliminaires

1 Soitx∈Cⁿ, de coordonnées(x0, . . . , xn−1). Calculons le nombre complexe suivant, vu comme un élément deM₁(C)

tx x=

n−1

P

i=0

xixi=

n−1

P

i=0

|xi|²=kxk22

Ainsi, ∀x∈Cⁿ ^tx x=kxk2

2

2 Soitx∈Cⁿ. D’après la question 1 et comme ^tU U = In, on a kUxk2

2= ^tUxUx= ^tx^tU Ux= ^txInx= ^tx x=kxk2 2

Comme ces nombres sont positifs, on obtient

∀x∈Cⁿ kUxk2=kxk2

3 Remarquons d’abord que les normes des matrices sont bien définies. En effet, la norme 2 est la racine carrée d’une fonction polynomiale en les coordonnées deCⁿ, donc continue, et on considère cette fonction surS_n ={x∈Cⁿ | kxk2= 1} qui est un ensemble fermé et borné de l’espace vectoriel norméCⁿ. Celle-ci est donc bornée et atteint ses bornes, ce qui prouve l’existence de la borne supérieure.

La norme surM_n(C)est appelée norme subordonnée.

Pour toutx= ^t(x0, . . . , xn−1)∈Cⁿ aveckxk2 = 1, comme D =diag(d0, . . . , dn−1), on aDx= ^t(d0x0, . . . , dn−1xn−1). PosonsM = max06i6n−1|di| ∈R₊ et calculons

kDxk2 2=

n−1

P

i=0

dixidixi=

n−1

P

i=0

|di|²|xi|²6

n−1

P

i=0

M²|xi|²= M²kxk2 2= M²

Ainsi, kDk= Sup

x∈S_n

kDxk26M

Soit i0 ∈ [[ 0 ;n−1 ]] vérifiant |di0| = M. Pour y = ^t(0, . . . ,0,1,0, . . . ,0) avec un 1 au rang i0 et des 0 ailleurs, on a y ∈ S_n et Dy = ^t(0, . . . ,0, di0,0, . . . ,0), d’oùkDyk2

2=|di0|²= M²et kDyk2= M. On obtient kDk= Sup

x∈S_n

kDxk2>kDyk2>M

Finalement, kDk= Max

06i6n−1|di|

4 SoitU∈M_n(C)avecUunitaire vérifiantB = UAU⁻¹. Remarquons queU⁻¹est également unitaire car

t U⁻¹

= ^tU⁻¹

En effet, pourM∈M_n(C), d’après le cours ^t M⁻¹

= ^tM⁻¹

, etM⁻¹= M⁻¹car M⁻¹×M = M⁻¹M = In = In

la conjugaison dansCcommutant avec les additions et les multiplications.

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kBxk2=kUAU⁻¹xk2=kAU⁻¹xk26kAk

carkU⁻¹xk2= 1. Ceci étant vrai pour toutx∈S_n, on akBk6kAk. Par symétrie, commeA = U⁻¹BU, on akAk6kBk.

SiB = UAU⁻¹ avecUunitaire, alorskBk=kAk.

Première partie

5 Pour k∈[[ 2 ;n]], le coefficient mk+1,k deM à la(k+ 1)-ième ligne et lak-ième colonne vaut1, puisque c’est le coefficient diagonal du blocIn−1. Notons

N = ^tM =





 z

q

1− |z|² 0 · · · 0

0 0

... ... In−1

0 0

q

1− |z|² −z 0 · · · 0







On a de mêmenk,k+1= 1pourk∈[[ 2 ;n]]. On obtient

tM M =





 zz+

q 1− |z|²

2

0 · · · 0

0 1 0

... ... ...

0 1 0

0 · · · 0

q 1− |z|²

2

+zz







= In+1

carzz+ q

1− |z|²

2

=|z|²+ 1− |z|²= 1 et pourk∈[[ 2 ;n]],

n

P

ℓ=0

nk,ℓmℓ,k=nk,k+1mk+1,k= 1

les autres calculs étant des sommes de 0. Ainsi, M est inversible et M⁻¹ = ^tM, d’oùM^tM = In+1 également. En conclusion,

La matriceMest unitaire.

Les matrices unitaires interviennent dans le cadre des espaces hermitiens, qui sont l’analogue des espaces euclidiens pour des espaces vectoriels complexes de dimension finie.