2023-Centrale-Psi2-Corrigé

Centrale-Supélec — PSI — 2023 — Mathématiques 2

Durée : quatre heures. Calculatrice autorisée.

Quelques applications de la formule de Stirling

On démontre un raffinement de la formule de Stirling, puis on l’applique aux marches aléatoires sur {\mathbb Z}.

I — Intégrale de Gauss

Q 1. Montrer que {\int_0^{+\infty}e^{-t^2}\,dt} converge absolument.

On pose {\begin{array}{l}\displaystyle f(x)=\int_0^1\frac{e^{-(t^2+1)x^2}}{t^2+1}\,dt,\\[8pt]\displaystyle g(x)=\int_0^xe^{-t^2}\,dt.\end{array}}

Q 2. Montrer que {f} est définie sur {\mathbb R}, paire, et calculer {f(0)}.
Q 3. Montrer que {f\in\mathcal C^1(\mathbb R)} et donner {f'(x)}.
Q 4. Montrer que {g} est définie et de classe {\mathcal C^1} sur {\mathbb R}.
Q 5. Par un changement de variable affine, montrer que {f'(x)=-2g'(x)g(x)}.
Q 6. Vérifier que {f(x)=\pi/4-g(x)^2}.
Q 7. Calculer {\lim\limits_{x\to+\infty}g(x)} et conclure que {\int_0^{+\infty}e^{-t^2}\,dt=\sqrt\pi/2}.

II — Formule de Stirling

On veut établir l’existence d’une suite {q_n\to0} telle que, pour {n\geq1}, {n!=\sqrt{2\pi n}(n/e)^n\left(1+\frac1{12n}+\frac{q_n}{n}\right).}

II.A

Pour {n\in\mathbb N}, on pose {I_n=\int_0^{+\infty}t^ne^{-t}\,dt}.

Q 8. Montrer que tous les {I_n} sont définis.
Q 9. Donner une relation entre {I_{n+1}} et {I_n}, puis montrer que {I_n=n!}.

II.B — Formule de Stirling classique

On cherche à montrer {n!\sim\sqrt{2\pi n}(n/e)^n}.

Q 10. Pour {n\geq1}, déduire de Q9 que {\begin{array}{rcl}n!&=&\displaystyle\sqrt n(n/e)^n\\[8pt]&&\displaystyle\times\int_{-\sqrt n}^{+\infty}\left(1+\frac y{\sqrt n}\right)^ne^{-y\sqrt n}\,dy.\end{array}}

Pour {n\geq1}, on définit {f_n(y)=(1+y/\sqrt n)^ne^{-y\sqrt n}} si {y\geq-\sqrt n}, et {f_n(y)=0} sinon.

Q 11. Montrer que {(f_n)} converge simplement et préciser sa limite.

Pour {x\in]-1,+\infty[\setminus\{0\}}, on pose {q(x)=(x-\ln(1+x))/x^2}.

Q 12. Justifier le prolongement continu de {q} à {]-1,+\infty[}.
Q 13. Montrer que {q(x)=\int_0^1u/(1+ux)\,du} pour {x>-1}.
Q 14. Montrer que {q} est décroissante, puis que {\begin{array}{ll}f_n(y)\leq(1+y)e^{-y},&y\geq0,\\[8pt]f_n(y)\leq e^{-y^2/2},&y\lt0.\end{array}}
Q 15. En déduire la formule de Stirling classique.

II.C — Raffinement

Pour {n\geq1}, on pose {u_n=\frac{n^ne^{-n}\sqrt n}{n!},\quad v_n=\ln u_n,\quad w_n=v_{n+1}-v_n.}

Q 16. Vérifier que {w_n=1/(12n^2)+o(n^{-2})} et déterminer la nature de {\sum w_n}.

II.C.1 — Équivalence des restes

Soient {a_n\geq0} et {b_n>0}, avec {a_n\sim b_n} et {\sum b_n} convergente.

Q 17. Pour {\varepsilon>0}, montrer qu’il existe {n_0\geq1} tel que {(1-\varepsilon)b_n\leq a_n\leq(1+\varepsilon)b_n} pour {n\geq n_0}.
Q 18. Montrer que {\sum a_n} converge et que {\sum_{k=n}^{+\infty}a_k\sim\sum_{k=n}^{+\infty}b_k.}

II.C.2

On pose {R_n=\sum\limits_{k=n}^{+\infty}k^{-2}} pour {n\geq1}.

Q 19. Montrer que {1/(n+1)^2\leq\int_n^{n+1}t^{-2}\,dt\leq1/n^2}.
Q 20. En déduire un équivalent de {R_n}.

II.C.3

Q 21. Déterminer un équivalent de {\sum\limits_{k=n}^{+\infty}w_k}.
Q 22. En déduire une suite {q_n\to0} telle que {n!=\sqrt{2\pi n}(n/e)^n\left(1+\frac1{12n}+\frac{q_n}{n}\right).}

III — Séries entières et marche aléatoire

On fixe {p\in]0,1[} et {q=1-p}. Les variables {(X_k)_{k\geq1}} sont indépendantes, de même loi, avec {\mathbb P(X_k=1)=p} et {\mathbb P(X_k=-1)=q}.
On pose {S_0=0} et {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}. On admet que les sommes de même longueur prises dans deux blocs de variables de même loi ont même loi.
Un retour en zéro ne peut avoir lieu qu’à un instant pair. On définit {a_0=1}, {b_0=0} et, pour {n\geq1}, {\begin{array}{rcl}a_n&=&\mathbb P(S_{2n}=0),\\[8pt]b_n&=&\mathbb P(S_1\ne0,\ldots,S_{2n-1}\ne0,S_{2n}=0).\end{array}}Enfin, {A(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}a_nx^{2n}} et {B(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}b_nx^{2n}} lorsque ces séries convergent.

III.A

Q 23. Donner la loi de {(X_1+1)/2}, puis calculer l’espérance et la variance de {S_n} à l’aide d’une loi binomiale.
Q 24. Écrire une fonction Python prenant le nombre {n} de lancers et renvoyant le nombre de retours à l’origine. On pourra utiliser random.random().
Q 25. Montrer que {a_n=\binom{2n}{n}p^nq^n}.
Q 26. Déterminer le rayon de convergence de {\sum a_nx^{2n}}.
Q 27. Pour quelles valeurs de {p} la série {A(1)} converge-t-elle ?
Q 28. Utiliser le développement de {(1-x)^{-1/2}} pour exprimer {A(x)}.

III.B

Q 29. Décomposer suivant le premier retour pour montrer que {a_n=\sum\limits_{k=0}^n b_ka_{n-k}} pour {n\geq1}.
Q 30. En déduire une relation entre {A(x)} et {B(x)} et préciser sa validité.
Q 31. Conclure que {B(x)=1-\sqrt{1-4pqx^2}} sur un intervalle à préciser.
Q 32. Pour quels {p} l’expression de Q31 est-elle définie en {x=1} ? Qu’en est-il de la série définissant {B(1)} ?

III.C

Q 33. Montrer que la probabilité de ne jamais revenir en zéro vaut {|p-q|}.

IV — Loi de l’arcsinus

On suppose désormais {p=q=1/2}. Chaque suite de {m} pas dans {\{-1,1\}} a probabilité {2^{-m}}.
L’énoncé définit {T_n=\max\{0\leq k\leq2n:S_k=0\},}dernière visite en zéro pendant les {2n} premiers pas, et admet qu’il s’agit d’une variable aléatoire discrète.
Précision de notation. Les questions Q41, Q42 et Q46 écrivent ensuite {T_{2n}} pour cette même variable. C’est une incohérence d’indice : avec la définition ci-dessus, il faut y lire {T_n}. Les questions sont reprises ci-dessous avec cette correction explicite.
On note {\lfloor x\rfloor} la partie entière de {x}.

IV.A — Chemins

Un chemin de longueur {m} relie successivement les points {(0,S_0),\ldots,(m,S_m)}. La figure illustrative du sujet correspond aux ordonnées {0,-1,0,1,2,1,0,1} pour les instants de {0} à {7}.
Dans les questions de réflexion, les hauteurs initiale et finale {x,y} sont des entiers strictement positifs.

IV.A.1

On note {N_{n,x}} le nombre de chemins de {(0,0)} à {(n,x)}.

Q 34. Montrer que {N_{n,x}=\binom n{(n+x)/2}} si {|x|\leq n} et {n-x} est pair, et que {N_{n,x}=0} sinon.
Q 35. En déduire {\mathbb P(S_n=x)}.
Q 36. Retrouver ce résultat avec une variable aléatoire adaptée.

IV.A.2 — Principe de réflexion

Q 37. Montrer que le nombre de chemins de {(0,x)} à {(n,y)} rencontrant au moins une fois l’axe d’ordonnée {0} est égal au nombre de chemins quelconques de {(0,-x)} à {(n,y)}.

IV.A.3

Q 38. Montrer que le nombre de chemins de {(1,1)} à {(n,x)} restant strictement au-dessus de l’axe est {N_{n-1,x-1}-N_{n-1,x+1}}.
Q 39. Pour {k\geq1}, montrer que {\begin{array}{l}\mathbb P(S_1>0,\ldots,S_{2n-1}>0,S_{2n}=2k)\\[8pt]\quad=\frac12\bigl(\mathbb P(S_{2n-1}=2k-1)\\[8pt]\quad\quad-\mathbb P(S_{2n-1}=2k+1)\bigr).\end{array}}
Q 40. En sommant sur les valeurs positives de {S_{2n}}, montrer que {\mathbb P(S_1>0,\ldots,S_{2n}>0)=\tfrac12\mathbb P(S_{2n}=0),}puis que {\mathbb P(S_1\ne0,\ldots,S_{2n}\ne0)=\mathbb P(S_{2n}=0).}

IV.B — Loi de la dernière visite

On fixe {n\geq1} ; on utilise {T_n} conformément à sa définition, à la place du {T_{2n}} imprimé dans les deux questions suivantes.

Q 41. Pour {0\leq k\leq n}, montrer que {\begin{array}{l}\mathbb P(T_n=2k)=\mathbb P(S_{2k}=0)\\[8pt]\quad\times\mathbb P(S_1\ne0,\ldots,S_{2n-2k}\ne0).\end{array}}
Q 42. En déduire, pour {0\leq k\leq n}, {\mathbb P(T_n=2k)=\binom{2k}{k}\binom{2n-2k}{n-k}\frac1{4^n}.}

IV.C — Passage à la limite

On fixe {0\lt\alpha\lt\beta\lt1}.

Q 43. Soit {f(t)=1/\sqrt{t(1-t)}} sur {[\alpha,\beta]}, prolongée par la constante {f(\alpha)} sur {[0,\alpha[} et par {f(\beta)} sur {]\beta,1]}. Montrer, grâce à des sommes de Riemann, que {\begin{array}{l}\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\sum_{k=\lfloor n\alpha\rfloor+1}^{\lfloor n\beta\rfloor}\frac1{\sqrt{k}\sqrt{n-k}}\\[8pt]\quad=\displaystyle\int_\alpha^\beta\frac{dt}{\sqrt{t(1-t)}}.\end{array}}
Q 44. À l’aide de II, montrer qu’il existe une suite {\varepsilon_n\to1} telle que {\binom{2n}{n}=\frac{4^n}{\sqrt{\pi n}}\left(1-\frac{\varepsilon_n}{8n}\right).}
Q 45. Montrer que la différence des deux sommes suivantes tend vers zéro : {\begin{array}{l}\displaystyle\sum_{k=\lfloor n\alpha\rfloor+1}^{\lfloor n\beta\rfloor}\binom{2k}{k}\binom{2n-2k}{n-k}4^{-n},\\[8pt]\displaystyle\frac1\pi\sum_{k=\lfloor n\alpha\rfloor+1}^{\lfloor n\beta\rfloor}\frac1{\sqrt{k(n-k)}}.\end{array}}
Q 46. Montrer, avec la correction d’indice signalée, que {\begin{array}{l}\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\mathbb P\left(\frac{T_n}{2n}\in[\alpha,\beta]\right)\\[8pt]\quad=\displaystyle\frac2\pi\left(\arcsin\sqrt\beta-\arcsin\sqrt\alpha\right).\end{array}}

L’énoncé souligne l’interprétation de la loi de l’arcsinus : pour une longue marche symétrique, la probabilité que la dernière égalité ait lieu avant la moitié de la période tend vers {1/2}. Cela correspond, dans un jeu équilibré, à la possibilité qu’un même joueur reste en tête pendant toute la seconde moitié de la période.