Quantificateurs, injections et surjections : contrôle de maths en MPSI

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Voici un contrôle de maths en MPSI sur le thème « quantificateurs, injections et surjections », avec son barème et un corrigé détaillé.

Ce contrôle de deux heures, au format devoir surveillé, ouvre l’année de MPSI et évalue avant tout la rigueur de rédaction. Vous commencerez par la négation de phrases quantifiées, que vous réfuterez ensuite sur une fonction cubique à l’aide de témoins bien choisis. Puis une suite définie par la partie entière demande une récurrence forte soigneusement initialisée. Le cœur du sujet porte sur les applications : injectivité et surjectivité d’une application du plan, images réciproques et composées. Enfin, le problème vous fait démontrer qu’une relation est une relation d’équivalence dont les classes sont des paraboles. Ce sujet se traite en fin de septembre, une fois les deux premiers chapitres terminés.

Ce qu’évalue le contrôle : quantificateurs, injections et surjections

L’essentiel du sujet

  • NiveauMPSI
  • Durée2 heures
  • Calculatriceinterdite
  • Barèmesur 20

Chapitres : Quantificateurs, raisonnements et rédaction et Ensembles, injections, surjections et relations (5 exercices)

Ce que ce devoir vérifie :

  • Nier une propriété quantifiée d’une fonction réelle puis la réfuter à l’aide de témoins explicites
  • Rédiger une récurrence forte dont l’hypothèse porte sur tous les rangs inférieurs
  • Prouver ou réfuter l’injectivité et la surjectivité d’une application du plan, puis construire une bijection réciproque
  • Manipuler images directes, images réciproques et composées sans confondre les inclusions
  • Montrer qu’une relation est d’équivalence, décrire ses classes et les paramétrer

Avant de commencer le devoir

Rédigez chaque preuve en annonçant sa nature : récurrence forte, contraposée, absurde ou double inclusion. Pour une injectivité, partez de deux antécédents d’une même image et montrez qu’ils sont égaux. Pour une surjectivité, en revanche, fixez un élément d’arrivée et construisez son antécédent. Quand une propriété est fausse, un contre-exemple chiffré suffit, à condition de le vérifier. Gardez enfin quarante minutes pour le problème, qui rapporte le plus de points.

Le sujet du contrôle : quantificateurs, injections et surjections

Exercice 1 – Quatre propriétés d’une fonction cubique (4 points)

Soit \(f\) une fonction réelle définie sur \(\mathbb{R}\) tout entier. On considère d’abord les quatre propriétés suivantes.

\((\mathcal{P}_1)\) : \(\exists A \in \mathbb{R},\ \forall t \in \mathbb{R},\ f(t) \leq A\) ;
\((\mathcal{P}_2)\) : \(\forall (a, b) \in \mathbb{R}^2,\ a < b \Rightarrow f(a) < f(b)\) ;
\((\mathcal{P}_3)\) : \(\forall (a, b) \in \mathbb{R}^2,\ \left(f(a) = 0 \text{ et } f(b) = 0\right) \Rightarrow a = b\) ;
\((\mathcal{P}_4)\) : \(\exists \tau > 0,\ \forall t \in \mathbb{R},\ f(t + \tau) = f(t)\).

On étudie ensuite la fonction \(h : t \mapsto t^3 – 3t\), dont la courbe est tracée ci-dessous.

Courbe de la fonction h définie par h(t) = t au cube moins 3t, avec les points (-1 ; 2), (1 ; -2) et ses trois zéros
  1. Traduire chaque propriété par une phrase en français, puis écrire sa négation avec des quantificateurs, sans utiliser le mot « non ». (2 points)
  2. Démontrer alors que la fonction \(h\) ne vérifie aucune des quatre propriétés. Pour \((\mathcal{P}_4)\), on pourra raisonner par l’absurde et compter les zéros de \(h\). (2 points)

Exercice 2 – Une suite définie par la partie entière (3 points)

On définit une suite d’entiers \((u_n)_{n \geq 1}\) par \(u_1 = 1\) et, pour tout entier \(n \geq 2\), \(u_n = u_{\lfloor n/2 \rfloor} + 1\), où \(\lfloor t \rfloor\) désigne la partie entière du réel \(t\). Ainsi chaque terme dépend d’un terme de rang environ deux fois plus petit.

  1. Calculer d’abord \(u_2\), \(u_3\), \(u_4\), \(u_5\), \(u_6\), \(u_7\) et \(u_8\). (0,5 point)
  2. Démontrer ensuite par récurrence forte que, pour tout \(n \geq 1\), \(2^{u_n – 1} \leq n < 2^{u_n}\). (2 points)
  3. Justifier que, pour \(n\) fixé, il existe un seul entier \(k\) tel que \(2^{k-1} \leq n < 2^{k}\). Donner enfin \(u_{1000}\) sans calculer les termes précédents. (0,5 point)

Exercice 3 – Somme et produit de deux réels (4 points)

On associe à tout couple \((x, y)\) de réels le couple \(\varphi(x, y) = (x + y, xy)\), ce qui définit une application \(\varphi\) du plan dans lui-même. On note aussi \(E\) la partie du plan formée des couples \((s, p)\) tels que \(s^2 \geq 4p\), représentée ci-dessous sous la parabole d’équation \(p = \frac{s^2}{4}\).

Plan des couples (s, p) avec la parabole p = s carré sur 4, la région E située sous la parabole et les points (3 ; 2) et (0 ; 1)
  1. Montrer que \(\varphi\) n’est pas injective. (0,5 point)
  2. Prouver que le couple \((0, 1)\) n’a aucun antécédent par \(\varphi\), puis indiquer la propriété de \(\varphi\) qui tombe ainsi en défaut. (0,5 point)
  3. Démontrer que \(\varphi(\mathbb{R}^2) = E\) par double inclusion. (1,5 point)
  4. Soit \(\Delta\) l’ensemble des couples \((x, y)\) tels que \(x \leq y\), et soit \(\psi : \Delta \to E\) l’application définie par \(\psi(x, y) = \varphi(x, y)\). Montrer que \(\psi\) est bijective et expliciter sa bijection réciproque. (1,5 point)

Exercice 4 – Images réciproques et composées (4 points)

Dans les questions 1 à 3, \(E\), \(F\) et \(G\) sont trois ensembles, \(f : E \to F\) et \(g : F \to G\) deux applications, et \(A\), \(B\) deux parties de \(F\).

  1. Démontrer l’égalité \(f^{-1}(A \cap B) = f^{-1}(A) \cap f^{-1}(B)\). (1 point)
  2. Montrer que \(f\left(f^{-1}(B)\right) \subset B\), puis prouver l’égalité dans le cas où \(f\) est surjective. Avec \(f : x \mapsto x^2\) de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) et \(B = [-4\,;9]\), calculer ensuite \(f^{-1}(B)\) et \(f\left(f^{-1}(B)\right)\). (1 point)
  3. Prouver que l’injectivité de \(g \circ f\) entraîne celle de \(f\). De même, établir que la surjectivité de \(g \circ f\) entraîne celle de \(g\). (1 point)
  4. Le diagramme sagittal ci-dessous définit deux applications \(f : \{1, 2\} \to \{a, b, c\}\) et \(g : \{a, b, c\} \to \{\alpha, \beta\}\). Vérifier que \(g \circ f\) est bijective, mais que \(f\) ne prend pas toutes les valeurs de son ensemble d’arrivée et que \(g\) prend deux fois la même valeur. Que montre donc cet exemple au sujet des réciproques de la question 3 ? (1 point)
Diagramme sagittal : f envoie 1 sur a et 2 sur b ; g envoie a sur alpha, b et c sur beta

Exercice 5 – Problème : des paraboles comme classes d’équivalence (5 points)

Sur le plan \(\mathbb{R}^2\), on définit la relation \(\sim\) par

\[(x, y) \sim (x^{\prime}, y^{\prime}) \iff y – x^2 = y^{\prime} – x^{\prime 2}.\]

On note \(\mathrm{cl}(x, y)\) la classe d’un couple \((x, y)\) et \(\mathcal{Q}\) l’ensemble de toutes les classes.

  1. Démontrer que \(\sim\) est une relation d’équivalence sur \(\mathbb{R}^2\). On pourra introduire l’application \(\theta : (x, y) \mapsto y – x^2\). (1,5 point)
  2. Décrire les classes de \((0, 0)\), de \((1, 3)\) et de \((2, 1)\), puis représenter ces trois classes dans un repère. Plus généralement, quelle est la nature géométrique d’une classe ? (1,5 point)
  3. Montrer que chaque classe contient un et un seul point de l’axe des ordonnées. Établir ensuite que \(c \mapsto \mathrm{cl}(0, c)\) réalise une bijection de \(\mathbb{R}\) sur \(\mathcal{Q}\). (1 point)
  4. On note cette fois \(\mathcal{R}\) la relation définie sur \(\mathbb{R}^2\) par : \((x, y)\,\mathcal{R}\,(x_1, y_1)\) lorsque \(\theta(x, y) \leq \theta(x_1, y_1)\). Cette relation est-elle réflexive ? transitive ? Est-ce par conséquent une relation d’ordre sur \(\mathbb{R}^2\) ? (1 point)

Voir le corrigé du contrôle : quantificateurs, injections et surjections (MPSI)

Réviser quantificateurs, injections et surjections avant le contrôle

Si un exercice vous a bloqué, relisez le cours quantificateurs, raisonnements et rédaction puis ensembles, injections, surjections et relations ; entraînez-vous sur les exercices quantificateurs, raisonnements et rédaction et ensembles, injections, surjections et relations avant de retenter le sujet.

La page contrôles de maths en MPSI regroupe les 25 sujets de l’année, et la page maths post-bac permet de changer d’année.

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