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QSP Appro

Les questions sans préparation des oraux HEC (345 exercices, 2005 à 2025) et ESCP (271 questions, 2003 à 2025), complétées par 150 exercices inédits plutôt difficiles (vous verrez !). Chaque exercice porte son origine et a ses indications et son corrigé. Filtrez par origine, par thème (un exercice apparaît dès qu’il porte l’un des thèmes choisis), par année ou par difficulté. Certaines QSP ne sont franchement pas très intéressantes voire triviales mais elles sont effectivement tombées aux oraux, je les ai donc incluses.

Thèmes

766 exercices

ESCP 2003

ESCP Exercice 1 [EV-AL, RED] ★★★

Soient A,BA, B deux matrices de Mn(R)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{R}). On suppose que AA admet nn valeurs propres distinctes et que tout vecteur propre de AA est également vecteur propre de BB. Montrer qu'il existe un polynôme P∈R[X]P \in \mathbb{R}[X] tel que P(A)=BP(A)=B.

Corrigé

Soient λ1,…,λn\lambda_{1},\dots,\lambda_{n} les valeurs propres (distinctes) de AA et X1,…,XnX_{1},\dots,X_{n} des vecteurs propres associés. Ils sont associés à des valeurs propres distinctes, donc forment une famille libre de nn vecteurs de Mn,1(R)\mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R}) : c'est une base. Par hypothèse, chaque XiX_{i} est vecteur propre de BB : il existe μi∈R\mu_{i}\in\mathbb{R} tel que BXi=μiXiBX_{i}=\mu_{i}X_{i}.

Les λi\lambda_{i} étant distincts, le polynôme d'interpolation de Lagrange

P=∑i=1nμi∏j≠iX−λjλi−λjP=\sum_{i=1}^{n}\mu_{i}\prod_{j\neq i}\frac{X-\lambda_{j}}{\lambda_{i}-\lambda_{j}}

vérifie P(λi)=μiP(\lambda_{i})=\mu_{i} pour tout ii. Comme AkXi=λikXiA^{k}X_{i}=\lambda_{i}^{k}X_{i} pour tout kk, on a P(A)Xi=P(λi)Xi=μiXi=BXiP(A)X_{i}=P(\lambda_{i})X_{i}=\mu_{i}X_{i}=BX_{i}. Les matrices P(A)P(A) et BB coïncident sur une base, donc sont égales.

∃P∈R[X] (de degreˊ≤n−1),P(A)=B\boxed{\exists P\in\mathbb{R}[X]\ (\text{de degré}\le n-1),\quad P(A)=B}

ESCP Exercice 2 [DIS, FNV] ★★

Soit XX une variable aléatoire réelle admettant un moment d'ordre 4 et une variance non nulle. Minimiser la quantité :

f(a,b)=E[(X2−a−bX)2]f(a,b) = E[(X^{2}-a-bX)^{2}]

lorsque (a,b)(a, b) parcourt R2\mathbb{R}^{2}.

Corrigé

Posons Y=X2Y=X^{2} (qui admet un moment d'ordre 22 car XX admet un moment d'ordre 44), m=E(X)m=E(X) et c=E(Y)−a−bmc=E(Y)-a-bm. La variable Zb=(Y−E(Y))−b(X−m)Z_{b}=(Y-E(Y))-b(X-m) est centrée, donc

f(a,b)=E[(Zb+c)2]=E(Zb2)+2cE(Zb)+c2=V(Y−bX)+(E(Y)−a−bm)2.f(a,b)=E\big[(Z_{b}+c)^{2}\big]=E(Z_{b}^{2})+2cE(Z_{b})+c^{2}=V(Y-bX)+\big(E(Y)-a-bm\big)^{2}.

Or V(Y−bX)=V(X)b2−2 Cov(X,Y) b+V(Y)V(Y-bX)=V(X)b^{2}-2\,\mathrm{Cov}(X,Y)\,b+V(Y). Comme V(X)>0V(X)>0, ce trinôme en bb est minimal en b0=Cov(X,X2)V(X)b_{0}=\frac{\mathrm{Cov}(X,X^{2})}{V(X)}, de minimum V(X2)−Cov(X,X2)2V(X)V(X^{2})-\frac{\mathrm{Cov}(X,X^{2})^{2}}{V(X)}. Ainsi pour tout (a,b)(a,b), f(a,b)≥V(X2)−Cov(X,X2)2V(X)f(a,b)\ge V(X^{2})-\frac{\mathrm{Cov}(X,X^{2})^{2}}{V(X)}, avec égalité si et seulement si b=b0b=b_{0} et a=E(X2)−b0E(X)a=E(X^{2})-b_{0}E(X).

min⁡R2f=V(X2)−(E(X3)−E(X)E(X2))2V(X), atteint en b0=E(X3)−E(X)E(X2)V(X), a0=E(X2)−b0E(X)\boxed{\min_{\mathbb{R}^{2}}f=V(X^{2})-\frac{\big(E(X^{3})-E(X)E(X^{2})\big)^{2}}{V(X)},\ \text{atteint en }b_{0}=\frac{E(X^{3})-E(X)E(X^{2})}{V(X)},\ a_{0}=E(X^{2})-b_{0}E(X)}

ESCP Exercice 3 [EV-AL] ★★

Soit EE un espace vectoriel de dimension finie n≥2n \ge 2. Soient H1,H2H_{1}, H_{2} deux hyperplans de EE (sous-espaces vectoriels de dimension n−1n-1). Quelle est la dimension de H1∩H2H_{1} \cap H_{2} ?

Corrigé
  • Si H1=H2H_{1}=H_{2}, alors H1∩H2=H1H_{1}\cap H_{2}=H_{1} est de dimension n−1n-1.
  • Si H1≠H2H_{1}\neq H_{2} : ces deux sous-espaces ayant même dimension, aucun n'est inclus dans l'autre. Donc H1+H2H_{1}+H_{2} contient strictement H1H_{1} et n−1<dim⁡(H1+H2)≤nn-1<\dim(H_{1}+H_{2})\le n, d'où H1+H2=EH_{1}+H_{2}=E. Par la formule de Grassmann : dim⁡(H1∩H2)=dim⁡H1+dim⁡H2−dim⁡(H1+H2)=2(n−1)−n=n−2.\dim(H_{1}\cap H_{2})=\dim H_{1}+\dim H_{2}-\dim(H_{1}+H_{2})=2(n-1)-n=n-2.
dim⁡(H1∩H2)=n−1 si H1=H2,dim⁡(H1∩H2)=n−2 si H1≠H2\boxed{\dim(H_{1}\cap H_{2})=n-1\text{ si }H_{1}=H_{2},\qquad\dim(H_{1}\cap H_{2})=n-2\text{ si }H_{1}\neq H_{2}}

ESCP Exercice 4 [FNV] ★★★

Parmi tous les parallélépipèdes rectangles de surface totale SS, quel est celui (quels sont ceux) de volume maximal ?

Corrigé

Notons x,y,z>0x,y,z>0 les longueurs des arêtes : S=2(xy+yz+zx)S=2(xy+yz+zx) et V=xyzV=xyz.

Pour u,v,w≥0u,v,w\ge0, un développement direct donne

u3+v3+w3−3uvw=12(u+v+w)[(u−v)2+(v−w)2+(w−u)2]≥0,u^{3}+v^{3}+w^{3}-3uvw=\tfrac12(u+v+w)\big[(u-v)^{2}+(v-w)^{2}+(w-u)^{2}\big]\ge0,

avec égalité (pour u,v,w>0u,v,w>0) si et seulement si u=v=wu=v=w. Appliquons-le à u=(xy)1/3u=(xy)^{1/3}, v=(yz)1/3v=(yz)^{1/3}, w=(zx)1/3w=(zx)^{1/3} :

(xyz)2/3=uvw≤xy+yz+zx3=S6,soitV≤(S6)3/2,(xyz)^{2/3}=uvw\le\frac{xy+yz+zx}{3}=\frac{S}{6},\quad\text{soit}\quad V\le\left(\frac S6\right)^{3/2},

avec égalité si et seulement si xy=yz=zxxy=yz=zx, c'est-à-dire x=y=zx=y=z ; alors 6x2=S6x^{2}=S. Le cube d'arête S/6\sqrt{S/6} atteint donc la borne, et c'est le seul.

Le seul paralleˊleˊpipeˋde de volume maximal est le cube d’areˆte S/6, de volume (S6)3/2\boxed{\text{Le seul parallélépipède de volume maximal est le cube d'arête }\sqrt{S/6},\ \text{de volume }\left(\frac S6\right)^{3/2}}

ESCP Exercice 5 [DENS, FVR] ★★

Soit XX une variable aléatoire de densité paire et continue sur R\mathbb{R}. On suppose que X2X^{2} suit une loi exponentielle E(λ)\mathcal{E}(\lambda). Déterminer la densité ff.

Corrigé

Notons FF la fonction de répartition de XX. La densité ff étant paire, F(−t)=1−F(t)F(-t)=1-F(t) pour tout tt. Pour x>0x>0, XX étant à densité :

1−e−λx=P(X2≤x)=P(−x≤X≤x)=F(x)−F(−x)=2F(x)−1.1-e^{-\lambda x}=P(X^{2}\le x)=P(-\sqrt x\le X\le\sqrt x)=F(\sqrt x)-F(-\sqrt x)=2F(\sqrt x)-1.

Donc pour t>0t>0, F(t)=1−12e−λt2F(t)=1-\frac12e^{-\lambda t^{2}}. Comme ff est continue, FF est de classe C1\mathcal{C}^{1} et F′=fF'=f ; en dérivant, f(t)=λte−λt2f(t)=\lambda te^{-\lambda t^{2}} pour t>0t>0, puis par parité et continuité (en 00, f(0)=0f(0)=0) :

∀t∈R,f(t)=λ∣t∣e−λt2\boxed{\forall t\in\mathbb{R},\quad f(t)=\lambda|t|e^{-\lambda t^{2}}}

On vérifie que c'est bien une densité : ∫−∞+∞λ∣t∣e−λt2dt=2[−12e−λt2]0+∞=1\int_{-\infty}^{+\infty}\lambda|t|e^{-\lambda t^{2}}dt=2\left[-\tfrac12e^{-\lambda t^{2}}\right]_{0}^{+\infty}=1.

ESCP Exercice 6 [EV-AL, BIL] ★★

Soit E=M2,1(R)E=\mathcal{M}_{2,1}(\mathbb{R}). Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur (a,b,c,d)(a,b,c,d) réels pour que φ\varphi définie sur E2E^{2} par :

φ(X,Y)=tX(abcd)Y\varphi(X,Y) = {}^tX \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} Y

soit un produit scalaire sur EE.

Corrigé

Notons M=(abcd)M=\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} et E1,E2E_{1},E_{2} la base canonique de EE. L'application φ\varphi est toujours bilinéaire.

Symétrie. φ(E1,E2)=b\varphi(E_{1},E_{2})=b et φ(E2,E1)=c\varphi(E_{2},E_{1})=c, donc la symétrie impose b=cb=c. Réciproquement, si b=cb=c, MM est symétrique et φ(Y,X)=t(tYMX)=tX tMY=φ(X,Y)\varphi(Y,X)={}^{t}({}^{t}YMX)={}^{t}X\,{}^{t}MY=\varphi(X,Y).

Positivité stricte (avec b=cb=c). Pour X=t(x,y)X={}^{t}(x,y), φ(X,X)=ax2+2bxy+dy2\varphi(X,X)=ax^{2}+2bxy+dy^{2}.

  • Nécessité : φ(E1,E1)=a>0\varphi(E_{1},E_{1})=a>0, et avec X=t(−b,a)≠0X={}^{t}(-b,a)\neq0 : φ(X,X)=ab2−2ab2+da2=a(ad−b2)>0\varphi(X,X)=ab^{2}-2ab^{2}+da^{2}=a(ad-b^{2})>0, donc ad−b2>0ad-b^{2}>0.
  • Suffisance : si a>0a>0 et ad−b2>0ad-b^{2}>0, alors φ(X,X)=a(x+bay)2+ad−b2ay2≥0\varphi(X,X)=a\left(x+\frac bay\right)^{2}+\frac{ad-b^{2}}{a}y^{2}\ge0, et l'égalité impose y=0y=0 puis x=0x=0.
φ est un produit scalaire  ⟺  b=c,a>0etad−b2>0\boxed{\varphi\text{ est un produit scalaire}\iff b=c,\quad a>0\quad\text{et}\quad ad-b^{2}>0}

(ce qui équivaut aussi à : MM symétrique à valeurs propres strictement positives).

ESCP Exercice 7 [DIS, CE] ★★

Soit (Xn)(X_{n}) une suite de variables aléatoires qui converge en loi vers une variable aléatoire XX. A-t-on :

lim⁡n→+∞E(Xn)=E(X)?\lim_{n\rightarrow+\infty}E(X_{n}) = E(X) \quad ?
Corrigé

Non. Soit XnX_{n} telle que P(Xn=n)=1nP(X_{n}=n)=\frac1n et P(Xn=0)=1−1nP(X_{n}=0)=1-\frac1n, et X=0X=0. Pour x<0x<0, FXn(x)=0F_{X_{n}}(x)=0 ; pour x≥0x\ge0 et n>xn>x, FXn(x)=1−1n→1F_{X_{n}}(x)=1-\frac1n\to1. Donc FXn(x)→FX(x)F_{X_{n}}(x)\to F_{X}(x) en tout réel : (Xn)(X_{n}) converge en loi vers X=0X=0. Pourtant E(Xn)=n⋅1n=1E(X_{n})=n\cdot\frac1n=1 pour tout nn, alors que E(X)=0E(X)=0.

Non : on peut avoir Xn→LX et E(Xn)=1↛E(X)=0\boxed{\text{Non : on peut avoir }X_{n}\xrightarrow{\mathcal{L}}X\text{ et }E(X_{n})=1\not\to E(X)=0}

(De même, les XnX_{n} peuvent ne pas avoir d'espérance alors que XX en a une.)

ESCP Exercice 8 [EV-AL, RED] ★★★

Soit M∈M3(R)M \in \mathcal{M}_{3}(\mathbb{R}) non nulle. Peut-on avoir MM semblable à 2M2M ?

Corrigé

Contrainte. Si MM est semblable à 2M2M et λ\lambda est valeur propre de MM, alors 2λ2\lambda est valeur propre de 2M2M, donc de MM ; par récurrence, 2kλ2^{k}\lambda l'est pour tout kk. Le spectre étant fini, λ=0\lambda=0. En particulier MM n'est pas diagonalisable (sinon elle serait semblable à la matrice nulle, donc nulle).

Exemple. Soient M=E1,2=(010000000)M=E_{1,2}=\begin{pmatrix} 0&1&0\\0&0&0\\0&0&0\end{pmatrix} et D=diag(2,1,1)D=\mathrm{diag}(2,1,1), inversible. Le coefficient (i,j)(i,j) de DMD−1DMD^{-1} est didjmi,j\frac{d_{i}}{d_{j}}m_{i,j}, d'où

DMD−1=(020000000)=2M.DMD^{-1}=\begin{pmatrix} 0&2&0\\0&0&0\\0&0&0\end{pmatrix}=2M. Oui : par exemple M=E1,2≠0 est semblable aˋ 2M\boxed{\text{Oui : par exemple }M=E_{1,2}\neq0\text{ est semblable à }2M}

ESCP Exercice 9 [DIS] ★★

Pour allumer un feu, on dispose de NN allumettes. La probabilité d'allumer le feu avec une allumette donnée est p∈]0,1[p \in ]0,1[. Vous finissez par allumer le feu. On note XX la variable aléatoire égale au nombre d'allumettes restantes. Déterminer la loi et l'espérance de XX.

Corrigé

On utilise les allumettes une à une ; les essais sont indépendants. Soit TT le rang de la première allumette qui allume le feu : T↪G(p)T\hookrightarrow\mathcal{G}(p). Notons q=1−pq=1-p. L'énoncé dit qu'on finit par allumer le feu : on se place sous la probabilité conditionnelle sachant A=[T≤N]A=[T\le N], avec P(A)=1−qNP(A)=1-q^{N}. Alors X=N−TX=N-T prend ses valeurs dans {0,…,N−1}\{0,\dots,N-1\} et

∀k∈{0,…,N−1},PA(X=k)=P(T=N−k)P(T≤N)=p qN−k−11−qN\boxed{\forall k\in\{0,\dots,N-1\},\quad P_{A}(X=k)=\frac{P(T=N-k)}{P(T\le N)}=\frac{p\,q^{N-k-1}}{1-q^{N}}}

Espérance. En dérivant ∑j=0Nxj=1−xN+11−x\sum_{j=0}^{N}x^{j}=\frac{1-x^{N+1}}{1-x} sur ]0,1[]0,1[ :

∑j=1Njqj−1=1−(N+1)qN+NqN+1(1−q)2,doncEA(T)=11−qN∑j=1Njpqj−1=1−qN−NpqNp(1−qN)=1p−NqN1−qN.\sum_{j=1}^{N}jq^{j-1}=\frac{1-(N+1)q^{N}+Nq^{N+1}}{(1-q)^{2}},\quad\text{donc}\quad E_{A}(T)=\frac{1}{1-q^{N}}\sum_{j=1}^{N}jpq^{j-1}=\frac{1-q^{N}-Npq^{N}}{p(1-q^{N})}=\frac1p-\frac{Nq^{N}}{1-q^{N}}.

Par linéarité, EA(X)=N−EA(T)E_{A}(X)=N-E_{A}(T) :

EA(X)=N+NqN1−qN−1p=N1−(1−p)N−1p\boxed{E_{A}(X)=N+\frac{Nq^{N}}{1-q^{N}}-\frac1p=\frac{N}{1-(1-p)^{N}}-\frac1p}

Vérifications : pour N=1N=1, on trouve 00 ; pour N=2N=2, 11+q=PA(X=1)\frac{1}{1+q}=P_{A}(X=1).

ESCP Exercice 10 [EV-AL, RED] ★

  • Existe-t-il une base de M2(R)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{R}) formée de matrices diagonalisables ?
  • Existe-t-il une base de M2(R)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{R}) formée de matrices inversibles ?
Corrigé
  • Matrices diagonalisables. Considérons E1,1E_{1,1}, E2,2E_{2,2}, A=E1,1+E1,2=(1100)A=E_{1,1}+E_{1,2}=\begin{pmatrix} 1&1\\0&0\end{pmatrix} et B=E1,1+E2,1=(1010)B=E_{1,1}+E_{2,1}=\begin{pmatrix} 1&0\\1&0\end{pmatrix}. Les deux premières sont diagonales ; AA et BB sont triangulaires, de valeurs propres 11 et 00 distinctes, donc diagonalisables (deux valeurs propres distinctes en dimension 22). Cette famille de 44 matrices engendre E1,1,E2,2,E1,2=A−E1,1,E2,1=B−E1,1E_{1,1},E_{2,2},E_{1,2}=A-E_{1,1},E_{2,1}=B-E_{1,1}, donc M2(R)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{R}) : c'est une base. Oui : (E1,1, E2,2, E1,1+E1,2, E1,1+E2,1)\boxed{\text{Oui : }(E_{1,1},\,E_{2,2},\,E_{1,1}+E_{1,2},\,E_{1,1}+E_{2,1})}
  • Matrices inversibles. Soient I2I_{2}, D=(100−1)D=\begin{pmatrix} 1&0\\0&-1\end{pmatrix}, J=(0110)J=\begin{pmatrix} 0&1\\1&0\end{pmatrix}, K=(01−10)K=\begin{pmatrix} 0&1\\-1&0\end{pmatrix}. On a D2=J2=I2D^{2}=J^{2}=I_{2} et K2=−I2K^{2}=-I_{2}, donc elles sont inversibles. Si αI2+βD+γJ+δK=(α+βγ+δγ−δα−β)=0\alpha I_{2}+\beta D+\gamma J+\delta K=\begin{pmatrix} \alpha+\beta&\gamma+\delta\\\gamma-\delta&\alpha-\beta\end{pmatrix}=0, alors α=β=γ=δ=0\alpha=\beta=\gamma=\delta=0 : famille libre de 4=dim⁡M2(R)4=\dim\mathcal{M}_{2}(\mathbb{R}) éléments. Oui : (I2,D,J,K)\boxed{\text{Oui : }(I_{2},D,J,K)}