Épreuve de mathématiques du premier concours blanc en khâgne BL

Jeudi 19 novembre 2015, 14h-18h, devoir sans calculatrice ni autre document
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Courbe de Lorenz pour une variable exponentielle

Variable aléatoire

Soit λR∗+.

Rappeler la fonction de densité f et la fonction de répartition F d'une variable aléatoire suivant une loi exponentielle de paramètre λ.

Analyse de fonction

  1. Montrer que la fonction de répartition est bijective de R+ sur [0 ; 1[ et que sa réciproque s'écrit pour tout x ∈ [0 ; 1[, F−1(x) = −1/λ ln(1 − x).
  2. Pour tout xR+, calculer Q(x) = 1/E(X) 0x t f(t) dt
  3. Montrer que la composée h = Qφ vérifie pour tout x ∈ [0 ; 1[, h(x) = x + (1 − x) × ln(1 − x).
  4. Calculer la dérivée de h et en déduire les variations de h.
  5. Montrer que la dérivée de h est croissante.
  6. Montrer que la fonction h est prolongeable par continuité en 1.
    Le prolongement par continuité est-il dérivable en 1 ?
  7. Tracer l'allure de la courbe représentative de h, appelée courbe de Lorenz.
  8. Donner le développement limité à l'ordre 2 de la fonction h en 0.
  9. Calculer le coefficient de Gini de la loi exponentielle, c'est-à-dire 01 h(t) dt.

Principe de Pareto

La courbe de Lorenz permet de représenter la poids des faibles valeurs par rapport au poids total des valeurs. Selon le principe de Pareto, 20 % des valeurs concentrent 80 % du poids total. Ce n'est pas le cas ici et on essaie d'évaluer le point d'intersection de la courbe de Lorenz avec la droite d'équation y = 1 − x.

  1. Tracer cette droite sur le graphique précédent.
  2. Justifier qu'il n'y a qu'un seul point d'intersection entre la droite et la courbe.
  3. Montrer que l'ordonnée de ce point d'intersection satisfait l'équation 1 + y ln(y) = 2y.
  4. On pose pour tout t ∈ ]0 ; 1] φ(t) = 1 + t ln(t)/2.
    Montrer que le réel y de la question précédente est un point fixe de φ.
  5. Dresser le tableau de variations de φ en précisant ses limites et valeurs extrêmes.
    Expliciter l'intervalle image de φ, que l'on notera I.
  6. Montrer que l'intervalle I est stable par f et que pour tout tI on a |φ′(t)|1/2.
  7. On définit une suite par récurrence en posant u0 = 1/2 et pour tout nN, un+1 = φ(un).
    Justifier que la suite u est bien définie à valeurs dans I et que pour tout nN on a |un+1y|1/2|uny|.
  8. En déduire que pour tout nN on a |uny|(1/2)n+1.
  9. Justifier que u converge vers y.
  10. Sachant que ln(2) vaut 0,7 à 0,01 près, calculer une valeur approchée de u1.

Convergence des sommes de Riemann

On considère une fonction réelle g de classe 𝓒2 sur [0 ; 1].

  1. Justifier qu'il existe MR+ tel que pour tout t ∈ [0 ; 1] on ait |g″(t)|M
  2. Soit (a, b) ∈ [0 ; 1]2. Démontrer la formule de Taylor-Lagrange avec reste intégral : g(b) = g(a) + (ba) g′(a) + ab (bt) g″(t) dt
    puis montrer |ab (bt) g″(t) dt|M(ba)2/2 à l'aide de la question précédente.
  3. Soit nN. Démontrer la majoration |g(1) − g(0) − k=0n−1 1/n g(k/n)|M/2n
  4. En déduire la convergence et la limite de la suite de terme général k=0n−1 1/n g(k/n)
  5. Donner une primitive de la fonction t1/1 + t sur [0 ; 1].
  6. En déduire la limite de la suite de terme général k=0n−1 1/n + k

Variables aléatoires discrètes

On considère deux variables aléatoires X et Y indépendantes et de même loi géométrique de paramètre p ∈ ]0 ; 1[. On pose q = 1 − p, U = X + Y et T = XY.

  1. Déterminer la loi de U.
  2. Calculer la probabilité P(T = 1).
  3. Calculer la covariance de T et U.
  4. Les variables T et U sont-elles indépendantes ?