Banque PT Mathématiques B PT 2008Sujet et corrigé
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
* Banque filière PT *
Epreuve de Mathématiques B
Durée 4 h
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, d'une part il le signale au chef de salle, d'autre part il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.
L'usage de calculatrices est interdit.
La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies. En particulier, les résultat non justifiés ne seront pas pris en compte. Les candidats sont invités à encadrer les résultats de leurs calculs.
Soit
E un espace vectoriel et
φ un endomorphisme de
E . Un sous-espace vectoriel
F de
E est dit stable par
φ si et seulement si
ce qui s'écrit également
Préliminaire
Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu'une matrice carrée d'ordre
n à coefficients réels soit diagonalisable.
Partie I
Dans l'espace vectoriel
ℝ^3 , on considère l'endomorphisme
φ dont la matrice dans la base canonique est donnée par
- Montrer que la matrice
A_φ est diagonalisable. - Calculer le polynôme caractéristique de la matrice
A_φ .
Déterminer les valeurs propres de cette matrice.
Quelle est la dimension des sous-espaces propres?
3. Déterminer une base (c_1, c_2, c_3 ) de vecteurs propres de
φ .
4. On poseD_1 = Vect(c_1) . Montrer que
D_1 est stable par
φ .
5. On poseP_1 = Vect(c_2, c_3) . Montrer que
P_1 est stable par
φ .
Quelle est la dimension des sous-espaces propres?
3. Déterminer une base (
4. On pose
5. On pose
Partie II
Dans l'espace vectoriel
ℝ^3 , on considère les endomorphismes
f et
g dont les matrices dans la base canonique sont respectivement
- Montrer que les matrices
A_f etA_g sont diagonalisables. - Vérifier que les endomorphismes
f etg commutent. - Déterminer tous les vecteurs propres de
f associés à la valeur propre 1.
Vérifier que ces vecteurs sont aussi vecteurs propres de
g .
4. Déterminer le sous-espace propre def associé à la valeur propre -1 .
4. Déterminer le sous-espace propre de
Vérifier que ce sous-espace propre est stable par
g .
Partie III
Dans l'espace vectoriel
ℝ^3 , on considère l'endomorphisme
φ dont la matrice dans la base canonique est donnée par
- Déterminer le polynôme caractéristique de
A_φ . - La matrice
A_φ est-elle diagonalisable? - Montrer qu'une droite vectorielle
Vect(u)(u ≠ 0) est stable parφ si et seulement siu est un vecteur propre deφ .
En déduire toutes les droites vectorielles stables parφ . - Montrer que
φ est bijectif. - Montrer que, si
F est un sous-espace vectoriel deℝ^3, dimφ(F) = dimF . - Montrer qu'un sous-espace vectoriel
F deℝ^3 est stable parφ si et seulement siφ(F) = F . - Soient
α, β, γ des réels non tous nuls et
Soit
ψ la forme linéaire sur
ℝ^3 définie par
(a) Donner la matrice de
ψ dans la base canonique de
ℝ^3 .
(b) Vérifier queφ^(− 1)(H) = Kerψ ∘ φ .
(c) Montrer queH est stable par
φ si et seulement si
Kerψ ∘ φ = Kerψ .
(d) Montrer qu'il existe un sous-espace vectorielF de dimension 1 tel que
(b) Vérifier que
(c) Montrer que
(d) Montrer qu'il existe un sous-espace vectoriel
(e) Montrer que, si
ψ_1 et
ψ_2 sont deux applications linéaires non identiquement nulles de
F dans
ℝ , alors il existe un réel
λ ≠ 0 tel que
(f) En déduire que
H est stable par
φ si et seulement si il existe un réel
λ ≠ 0 tel que
(g) En écrivant la relation précédente sous forme matricielle, montrer que
H est stable par
φ si et seulement si le vecteur
(α; β; γ) est un vecteur propre
de^t A_φ .
(h) En déduire tous les plans vectoriels stables parφ .
(h) En déduire tous les plans vectoriels stables par
Partie IV
Soit
E un espace euclidien de dimension finie. On suppose
dimE ≥ 2 . On note
⟨u|v⟩ le produit scalaire des vecteurs
u et
v et
‖u‖ la norme du vecteur
u . On se donne un vecteur
a de
E de norme 1 et, pour tout réel
α ≠ 0 , on pose, pour tout
x ∈ E ,
- Vérifier que
f_α est un endomorphisme deE . - Montrer que pour tous réels non nuls
α, β, f_α ∘ f_β = f_β ∘ f_α . - Montrer que pour tous vecteurs
x ety , on a⟨x|f_α(y)⟩ = ⟨f_α(x)|y⟩ . - Vérifier que
a est un vecteur propre def_α . - Montrer que 1 est valeur propre de
f_α .
Quel est le sous-espace propre associé à la valeur propre 1 ?
L'endomorphismef_α est-il diagonalisable?
6. Pour quelles valeurs deα l'endomorphisme
f_α est-il inversible ? Calculer dans ce cas son inverse.
7. Pour quelles valeurs deα l'endomorphisme
f_α est-il une isométrie (i.e., pour tout
x de
E, ‖f_α(x)‖ = ‖x‖) ? Caractériser dans ce cas cet endomorphisme.
8. En utilisant la question 3 , montrer que siF est un sous-espace vectoriel stable par
f_α , alors
F^⊥ est également stable par
f_α .
L'endomorphisme
6. Pour quelles valeurs de
7. Pour quelles valeurs de
8. En utilisant la question 3 , montrer que si
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