Préparation à l'écrit du CAPES de Mathématiques

Voici une sélection de problèmes corrigés, souvent issus d'anciens manuels de Terminale, mais pas seulement. Le niveau privilégié est celui de Première / Terminale, avec de fréquentes incursions en L1, voire L2, comme le permettent de façon quasi systématique les sujets anciens de terminale.
Je défends la thèse qu'une préparation efficace à l'écrit du CAPES est d'une part de s'attaquer à des problèmes consistants, portant sur le programme des lycées, tels que ceux présents ici, et d'autre part de mener en parallèle une préparation ciblée sur la résolution d'exercices tirés de manuels.
Depuis 2018 inclus, chaque année plus de 50 % des thèmes abordés dans les sujets d'écrit sont au moins évoqués, et parfois entièrement traités, par l'un ou l'autre des problèmes figurant sur cette page.
Ne pas tenir compte dans ces documents des labels "Ecrit 1" ou "Ecrit 2" qui n'ont plus aucune raison d'être. Il s'agit dans tous les cas de documents pour l'actuel "Ecrit 1".

NB. Les sujets de CAPES et CAPES agricole sont, entièrement ou partiellement, corrigés dans cette page d'annales.

Algèbre

Applications linéaires du plan ou de l'espace dont on connaît le noyau et l'image

Baccalauréat Orléans 1976. Etude des endomorphismes du plan et de l'espace dont le noyau et l'image sont donnés.
Problème complet avec corrigé.

Autour d'un exercice des Olympiades Internationales 2021

L'expérience de Clara. . Où l'on trouve toujours deux nombres dont la somme est un carré parfait. Une démarche de résolution et son corrigé.

NB. A propos d'Olympiades, je signale les Olympiades Académiques de Première, qui peuvent être source de sujets d'entraînement pour le CAPES. Leur niveau est certes supérieur à celui des sujets récents du CAPES (Bien qu'il ne s'agisse pas d'une "compétence" officielle, ces sujets nécessitent en effet de l'inventivité). De nombreux corrigés dont je suis l'auteur sont publiés sur le site freemaths.

Lois de groupe dans les anciens sujets de bac Terminale C

Les structures algébriques étaient, à cette époque, au programme de la classe de terminale série C. Il s'ensuivait de très intéressants problèmes posés régulièrement au bac. Aujourd'hui, ces mêmes problèmes fourniraient d'authentiques sujets de CAPES que d'aucuns considèreraient comme "coriaces".

Autour de la racine cubique de 2

Des rationnels, la racine cubique de 2 et ce qu'elle engendre
Ce problème est inspiré d'un énoncé du Gourion /Novelli terminale C 1979.

Géométrie

La cissoïde de Dioclès

L'étude de la "cissoïde de Dioclès" se prête bien à plusieurs angles d'attaque. Dans le problème que voici, nous en verrons trois ; par son équation cartésienne et par le fait qu'elle est, de deux façons, un lieu géométrique déjà connu dans l'Antiquité.
En d'autres termes ce problème est à cheval entre la géométrie (lieu géométrique) et l'analyse (courbes paramétrées).

La versiera d'Agnesi

En hommage à Maria Gaetana AGNESI, l'étude de la versiera d'Agnesi est du même tonneau que celle de la cissoïde. Elle est lieu géométrique, et nous en verrons des équations paramétriques, une équation cartésienne et deux propriétés "amusantes" (?)
En d'autres termes ce problème est lui aussi à cheval entre la géométrie et l'analyse.

L'art de partager un angle en trois

Le problème de la trisection de l'angle est un problème qui, sauf dans des cas particuliers, n'a pas de solution "à la règle et au compas". Dans le document que voici, nous verrons deux méthodes approchées :une première méthode est basée sur l'usage de la "trisectrice de Mac-Laurin", une courbe cissoïdale comme sa collègue de Dioclès et une deuxième méthode qui était employée paraît-il par les compagnons du Moyen-âg.
Ce problème (en ce qui concerne du moins la première méthode) est lui aussi à cheval entre la géométrie et l'analyse.

Des applications affines remarquables

Pondichéry bac C 1982. Sujet certes peu festif, varié et formateur. Il passe en revue nombre de notions de base sur espaces affines et applications affines

Point de Fermat/Torricelli par les complexes

Baccalauréat série C Rennes septembre 1976 : l'outil des nombres complexes.
Le sujet original, ccompagné d'un corrigé.

Vecten, Van Aubel et Thébault

Migration barycentrique

La migration barycentrique ou "morphing" permet de transformer un objet géométrique en un autre
Ce document propose une étude de quelques exemples simples de migration, en application de la notion de barycentre.

Documents relatifs au thème "courbes de Bézier"

CAPES 1992

La deuxième épreuve de cette session a récemment attiré mon attention car son sujet recoupe certains thèmes abordés en 2017, relatifs au réseau ZxZ. J'en ai tiré trois problèmes indépendants, chacun bien entendu plus court que le sujet original, tous susceptibles de servir de problèmes d'entraînement pour les CAPES >=2019

Probabilités

Who pays for the beer ?

Un exercice extrait de la session 2012 de l'excellent concours canadien CIPAS, hélas défunt. Le premier qui tire un as paye la tournée. Le sujet et un corrigé.

À prendre ou à laisser

Un jeu télévisé où l'on ouvre des boîtes. Mais il faut parfois attendre longtemps pour les ouvrir. On y trouve une loi qui est au programme du CAPES. Une étude mathématique de ce jeu avec son corrigé.

Paris baccalauréat série C 1975

Un problème à thème : probabilité de ruine d'un joueur.
Où l'on mesure que la série S dite actuellement "scientifique" n'a strictement rien à voir avec l'ancienne filière bac C. Le sujet et un corrigé. Un excellent sujet de CAPES>=2019.

Poolage

Pamela part en week-end.
Mais elle doit avant cela terminer son travail ... Terminera-t-elle à temps ?
Une application des lois binomiales. Le sujet et un corrigé

Le jeu des quatre dames

En application de la notion de probabilité conditionnelle : Système complet d'évènements et formule des probabilités totales.
Arrivera-t-on à retourner les quatre dames ? Le jeu probablement dit et une généralisation : Le sujet et un corrigé

Modèle d'Ehrenfest

Trois boules dans les urnes puis quatre puis cinq ... Problème de probabilités amenant à des suites numériques.
Le cas M=3 est de difficulté moyenne, les cas M=4 puis M=5 donnent lieu à des calculs plus éthérés. On y trouve des racines de 10 puis des racines de 19 là où on n'en attendait pas.
L'énoncé est volontairement assez ouvert, les résultats à obtenir sont à votre charge.
  • Voir ici des indications et réponses éparses sur la résolution de ce problème.
  • Voir ici un corrigé complet de ce problème.
  • Analyse

    Une modélisation célèbre

    Le modèle de Verhulst. Un exemple de modélisation continue et les problèmes qui surgissent en cas de modélisation discrète.
    Un problème formateur pour les candidat(e)s au CAPES. Le modèle de Verhulst, ou modèle logistique est une alternative au modèle exponentiel, un candidat au CAPES se doit de le connaître. Ce problème peut servir pour alimenter le sujet n°43 de l'oral 1.

    Calcul d'une intégrale de Gauss

    Baccalauréat terminale C Liban 1978, le problème. Ce sujet est connu pour être, avec Aix-Marseille 1981, l'un des plus consistants de l'histoire de la filière C. Le problème développe une démarche aboutissant au calcul d'une intégrale de Gauss.
    On trouvera par ailleurs un des deux exercices accompagnant ce problème du même sujet.

    "Le beau Rolle"

    Majoration de l'erreur dans les méthodes des trapèzes et des tangentes (calcul approché d'intégrales, en lien éventuel avec le sujet n°41 de l'oral 1). Un sujet d'étude et son corrigé. Ce sujet a été composé à partir du manuel Audirac Terminale C 1983. Il étudie des majorations classiques de l'écart entre une fonction et certains de ses ajustements affines puis une application en intégration.

    Un encadrement de la factorielle de n

    Par la méthode de Daniel PERRIN. Il y est aussi question des méthodes des trapèzes et des tangentes. Voici ces méthodes à l'oeuvre. Un sujet d'étude et son corrigé.
    Un problème voisin figure dans la page "Ecrit du CAPES, archives".

    Méthode d'interpolation de Hermite

    Interpolation d'une fonction sur un segment par un polynôme bi-osculateur.
    En feuilletant le Magnard Terminale C édition 1983, je suis tombé par hasard sur le sujet de Bac Nancy-Metz 1982. Il n'y a aucun doute, il s'agit exactement du sujet de la première épreuve d'une prochaine session du CAPES

    Le problème de Bâle

    Baccalauréat terminale C Aix-Marseille 1981, le problème. Le sujet Aix-Marseille terminale C juin 1981 est connu pour être, avec Liban 1978, l'un des plus consistants de l'histoire de la filière C. Le problème présente une méthode de calcul de la somme des inverses des carrés d'entiers.

    Une série convergente

    Baccalauréat terminale C Centres étrangers 1979. Un exercice de ce sujet, avec en prime un prolongement. Série convergente associée à une suite croissante d'entiers > 1. Cas où la limite est rationnelle, cas où elle ne l'est pas.

    Diverses moyennes

    Modélisation : Modèle de Lotka-Volterra, une histoire de renards et de campagnols

    Systèmes de deux suites récurrentes. Autour de l'exercice 4 du sujet de Bac Terminale S Amérique du Nord 2018
    Pour aller plus loin à propos de la situation décrite dans ce sujet.
    Une étude plus générale du modèle discrétisé de Lotka-Volterra.
    Cette étude peut servir pour le sujet 43 de l'oral 1 (exemples de modélisation).

    Arithmétique

    Variations sur les factorielles

    La notion de factorielle d'un entier se prête à de nombreux thèmes d'étude. Dans ce doncument : "Musique factorielle" nous allons les étudier d'un point de vue arithmétique (décomposition en produit de facteurs premiers, nombre de diviseurs et quelques autres questions).
    Ailleurs sur cette même page, vous trouverez une étude des factorielles d'un point de vue "analyse" (un encadrement). Il y a encore une troisième étude qui figure dans la partie additionnelle "Et d'autres encore". Autrement dit, en cherchant un peu, pas mal de munitions sur ce sujet.

    Deux applications des congruences

    Voici un document : deux problèmes avec corrigé présentant deux applications des congruences
    D'une part l'exponentiation modulaire, outil que l'on retrouve paraît-il en cryptographie (thème non abordé dans ce document). On y trouvera un théorème d'Euler.
    D'autre part le théorème des restes chinois, abordé au travers d'un sujet de baccalauréat qui est un exemple-type de ce que j'appelle un "sujet IKEA".

    Les nombres harmoniques

    Les nombres harmoniques sont les sommes partielles de la série harmonique. Ce sujet est inspiré d'un exercice du Terracher 1999. De l'analyse très classique dans les deux premières parties puis une troisième partie très arithmétique.

    Une infinité de nombres premiers

    Aix-Marseille terminale C 1981, un exercice. Une infinité de nombres premiers de la forme 4n-1.

    Théorème de Lamé

    Le théorème de Lamé majore le nombre de divisions nécessaires dans l'algorithme d'Euclide pour obtenir le PGCD. Une démonstration de ce théorème est proposée par ce problème, en application de l'étude d'une suite de Finobacci...
    Voir le corrigé

    Suites d'Eden

    Les suites d'Eden constituent une autre application des suites de Fibonacci : il s'agit de dénombrer des suites d'entiers extraites de {1,2,...,n} satisfaisant certaines conditions.
    Voir le corrigé

    Mathématiques générales (tout venant ...)

    Réordonnement

    Inégalités de réordonnement et une inégalité de Tchebychev.
    Ce problème corrigé présente diverses manières de tricoter deux listes de réels strictement positifs.

    Des histoires de racines

    Des sous-ensembles de R : Extensions de Q et de Z contenant la racine carrée d'un nombre premier

    Des rationnels, la racine cubique de 2 et ce qu'elle engendre, des structures algébriques à la mode d'antan :
    Ce problème est inspiré d'un énoncé du Gourion /Novelli terminale C 1979, manuel de référence d'excellence de l'époque.

    Numérotation du réseau Z2

    Le réseau Z2 est dénombrable et on va le numéroter.
    Ce problème est inspiré d'un énoncé à deux points rouges Magnard Audirac terminale C 1983.
    La numérotation de Z2 se prête assez bien à une programmation. On tiendra compte du fait qu'en 1983, tout se faisait à la main.

    Fractions continues

    Tout nombre réel irrationnel est infiniment développable en "fraction continue".
    Ce problème présente cette notion.
    La relative originalité du problème est que l'on part d'une suite d'entiers strictement positifs pour construire une suite de fractions continues qui va converger vers un certain irrationnel. On étudie ensuite une réciproque, une application (théorème de meilleure approximation rationnelle d'un irrationnel) et deux exemples anecdotiques.

    La "fonction de Möbius"

    Baccalauréat Tel Aviv 1976. Etude d'une structure d'anneau sur l'ensemble N*.
    Cet étonnant sujet porte sur la notion de produit de convolution de Dirichlet. On y retrouve la fonction de Möbius et autres friandises.
    Ce document propose le texte original, deux questions complémentaires et un corrigé.
    Pour un éventuel approfondissement, sur la page "Ecrit du CAPES" figurent deux autres applications de la fonction de Möbius, s'y reporter.

    Matrices stochastiques et application probabiliste

    Problème d'entraînement
    La partie 1 de ce problème (donné en 2009) porte sur la notion de "matrice stochastique" (algèbre). La partie 2 est une application à une situation probabiliste (un exemple simple de processus de Markov). La partie 3 traite la même situation avec l'outil des suites.
    Voir le corrigé

    Et d'autres encore ...

    Géométrie

    Une distance bornée

    Paris bac C 1979. Une curieuse distance dans le plan.

    Des applications affines remarquables

    Pondichéry bac C 1982. Sujet varié et formateur.

    Une application du plan épointé définie à l'aide des complexes

    Rennes bac C 1977. une application du plan complexe, un groupe pour la loi o et une relation d'équivalence.

    Lieu et construction

    Problème de géométrie tiré d'un manuel de Terminale C. Comment choisir un point K dans un triangle ABC pour qu'il soit isobarycentre d'un triangle PQR inscrit dans ABC ? Et ce qui s'ensuit ...
    Ce sujet n'est pas destiné prioritairement aux candidats au CAPES, car son style a disparu des radars ministériels. Il est ici à titre de culture générale mathématique, témoin de temps révolus. Ce sujet est accompagné d'un corrigé.

    Les trois tangents

    Ce document présente le sujet d'un exercice de géométrie d'un exercice du concours canadien CIPAS 2010. Il s'agit de déterminer le rayon d'un cercle satisfaisant des conditions de tangence avec deux autres cercles. Puis de construire la figure correspondante.
    Le document est composé du sujet original, de deux énoncés plus fermés explorant deux pistes de résolution différentes et d'un corrigé. Chacun pourra choisir sa mouture.

    Un problème de construction

    Une affaire de milieux : l'outil du calcul vectoriel et l'outil barycentrique ; ce qu'il s'ensuit.
    D'après un exercice du regretté concours CIPAS, session 2011. Ce sujet est accompagné d'un corrigé.

    Fonctions scalaires de Leibniz

    Etude sur ces fonctions scalaires. Compilation de trois documents datant de la préparation au CAPES des années 2000 à 2006.

    Applications variées du barycentre, droite d'Euler.

    Baccalauréat La Réunion 1987. Un sujet original et intéressant qui permet de travailler de façon approfondie l'outil vectoriel et celui des barycentres.

    Droite d'Euler, cercle d'Euler, application

    Du cercle d'Euler d'un triangle aux olympiades balkaniques 2016. Une mouture "terminale C" du siècle dernier d'un thème classique de la géométrie du triangle
    Application à un exercice des olympiades balkaniques 2016
    Ce document propose un texte d'énoncé, une page d'indications et un corrigé.

    Isotomie

    Deux problèmes portant sur l'isotomie. Ces deux documents proposent chacun un texte d'énoncé et un corrigé.

    L'outil des nombres complexes dans ses oeuvres

    Une propriété de l'hyperbole équilatère Des cercles qui coupent l'hyperbole en les trois sommets de triangles équilatéraux.

    L'heptadécagone

    L'heptadécagone : Constructibilité du polygone régulier à 17 côtés.

    Triangles dont un angle mesure 120 degrés

    Etude de triangles dont un angle mesure 120 degrés. Recherche de tels triangles dont les côtés sont des nombres entiers
    Après une petite partie "Géométrie" (construction de triangles particuliers), le problème vire résolument à un problème d'arithmétique.
    On recherche des triangles à côtés entiers puis des triangles à côtés entiers dont deux sont des entiers consécutifs.
  • Voir des indications et réponses éparses sur la résolution de ce problème.
  • Voir un corrigé complet de ce problème.
  • Un concours blanc

  • Problème 01 d'entraînement
    Un concours blanc sur la notion de barycentre, de coordonnées barycentriques, de céviennes d'un triangle, ... posé en concours blanc en 2010.
    Voir le corrigé
  • Probabilités

    Coups de dés

    Je me suis inspiré pour ce problème d'un exercice du concours Général 2009. Il s'agit d'étudier plusieurs stratégies pour optimiser un nombre de points lié au lancer de trois dés. Une application de la notion d'espérance mathématique en tant que "aide à la décision".
    Le sujet et un corrigé.

    Le problème des anniversaires

    Problème récurrent dans les manuels de terminale
    Quelle est la probabilité que deux élèves de la classe fêtent leur anniversaire le même jour ? Le sujet et un corrigé

    Questions pour un champion en ligne

    Enoncés de deux problèmes de probabilités distincts inspiré par le jeu QPUC de FR3 (version en ligne).
    Ces problèmes étudient un modèle d'urnes puis s'appliquent à quelques questions que l'on peut se poser à propos du jeu QPUC.
    Le premier problème étudient la probabilité de retrouver un questionnaire déjà vu lors de l'épreuve "Face à face" de ce jeu.
    Le deuxième problème étudie l'espérance du temps d'attente nécessaire pour obtenir tous les questionnaires disponibles.
    Ce deuxième problème est illustré par une simulation.
    L'énoncé est un peu brut de décoffrage. Sur le même thème, le très bon sujet de probabilités du CAPES 2016 est plus gratifiant.

    Analyse

    Minimisation d'un temps de parcours

    Le crocodile et le zèbre. Une contextualisation d'un problème de plus court trajet dans deux milieux différents.
    Les candidat(e)s au CAPES se doivent d'avoir vu un exemple de telle situation au cours de leur préparation.

    Calcul d'une intégrale de Gauss

    Baccalauréat terminale C Liban 1978, le problème. Ce sujet est connu pour être, avec Aix-Marseille 1981, l'un des plus consistants de l'histoire de la filière C. Le problème développe une démarche aboutissant au calcul d'une intégrale de Gauss.
    On trouvera par ailleurs un des deux exercices accompagnant ce problème du même sujet.

    Pas loin de la formule de Stirling

    Baccalauréat terminale C centres étrangers 1994, le problème. Sujet représentatif de son époque. Ce problème développe une démarche permettant de donner une estimation de la factorielle d'un entier assez performante pour un niveau de Terminale. L'énoncé est extrêment guidé, comme c'était le cas dans nombre de sujets de baccalauréat. L'enfonçage de portes ouvertes n'avait pas encore été découvert. Là, c'est plutôt le défonçage à coups de pied, macarel !

    Autour de la suite de Fibonacci

    caplp2020, exercice 3. Un corrigé personnel de cet exercice, traitant de la suite de Fibonacci avec des outils du lycée. Les parties B et C sont corrigées, mais j'ai pris quelques libertés avec la partie A.
    Voir plus bas le paragraphe "théorème de Lamé" pour une application de ce type de suite.
    .

    Une équation fonctionnelle

    Baccalauréat terminale S, Amérique du Sud septembre 1986. Une équation fonctionnelle un peu ésotérique certes, mais un chapelet de méthodes que l'on retrouve dans l'étude d'un bon nombre de problèmes de genre.

    Convergence géométrique, convergence quadratique

    Baccalauréat terminale C Montpellier 1979. Le problème de ce sujet. Il y est question d'applications contractantes, puis de deux types de convergence. Disons, de façon édulcorante, niveau "CAPES soutenu".

    L'épidémie

    Baccalauréat métropole 2017. un exercice au carrefour des probabilités, des suites et des matrices. Prémonitoire dans ces temps sombres de mars 2020. On y apprend que le pic est atteint après 4 semaines mais, dans cette histoire, tout est bien qui finit bien.

    Voyage au Malthuskistan

    Le sujet de baccalauréat série C Montpellier 1984, portant sur des suites récurrentes doubles. Mais où sont les suites d'antan ?
    Le sujet original avec complément sur suites récurrentes doubles.
    Un corrigé commenté.

    Arithmétique

    Triangles entiers

    Triangles entiers dont le périmètre est donné
    Savez vous qu'il y a plus de 85000 triangles entiers dont périmètre est égal à 2020 ?
    En voici une mouture python allégée.

    Un théorème de Fermat

    La démo de Don Zagier
    du fait que tout nombre premier de la forme 4n+1 est une somme de deux carrés.

    Bac Paris série C 1982

    L'exercice 1 de ce sujet, portant sur la notion de division euclidienne. Quand le quotient devient le diviseur et vice versa...
    Sujet formateur sur le thème "division euclidienne" pour des candidats au CAPES.

    Numération et équation diophantienne

    Montpellier Terminale C septembre 1979, exercice 1
    Un problème de numération amenant à la résolution d'une équation diophantienne.

    Les répunits et les répéchis

    Les Nombres répunits et nombres répéchis. Des nombres dont l'écriture en numération décimale est particulière.

    Une contextualisation d'équations diophantiennes

    Lyon terminale C 1976 exercice 2. Quels sont les points à coordonnées entières d'une droite dont l'équation cartésienne est à coefficients entiers ?
    Un exemple d'exercice qu'il est envisageable de sélectionner pour un "oral 2" sur le thème de l'arithmétique. Il est corrigé dans cette optique.

    PGCD des termes homologues de deux suites de nombres entiers

    Aix Marseille terminale C 1977 exercice 1. Comment évolue le PGCD des termes homologues de deux suites d'entiers ? Un type d'exercice asssez courant à l'époque. Relooké à la mode contemporaine, ce type d'exercice peut encore être envisagé en terminale S spé. Le lecteur devrait trouver quelques sujets analogues dans certains manuels récents (?).

    Une exercice "avec prise d'initiative"

    Liban terminale C 1978, un exercice. Un ensemble de nombres entiers aux propriétés pittoresques. Cet exercice pourrait être revisité avec les méthodes algorithmiques contemporaines.

    La voisine de palier

    La voisine de palier est le sujet d'un exercice d'arithmétique de niveau Terminale S Spé inspiré d'un concours mathématique canadien.

    Les TRPI

    Ou "triangles rectangles pseudo-isocèles". D'après le baccalauréat Métropole 2017, exercice 4 spécialité. Il y a 10 TRPI dont l'aire est plus petite que celle de la France et 11 dont l'aire est plus petite que celle de l'ex-URSS. Le saviez-vous ?
    Les TRPI : une mouture modifiée du bac 2017 Métropole
    Sujet à traiter en parallèle avec celui sur les éléments inversibles de l'anneau Z+Z(racine(5)). On y trouve aussi une équation de Pell-Fermat. Beaucoup d'analogies entre les deux problèmes. Haut de page

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