CCINP Mathématiques 1 PC 2007Sujet, corrigé et rapport du jury
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N.B. : Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction.
Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.
Notations et objectifs
Soit
n un entier supérieur ou égal à 1 . On note :
-
M_(n, 1)(ℝ) leℝ -espace vectoriel des matrices réelles àn lignes et 1 colonne. -
M_n(ℝ) leℝ -espace vectoriel des matrices carrées réelles àn lignes etn colonnes. -
GL_n(ℝ) l'ensemble des matrices inversibles deM_n(ℝ) . -
^i M la matrice transposée d'une matriceM . -
I_n la matrice unité deM_n(ℝ) . -
S_n(ℝ) l'ensemble des matrices symétriques deM_n(ℝ) . -
S_m^+(ℝ) l'ensemble des matrices symétriques positives deM_n(ℝ) , c'est-à-dire l'ensemble des matricesS deS_n(ℝ) vérifiant :
-
S_m^(+ +)(ℝ) l'ensemble des matrices symétriques définies positives deM_n(ℝ) , c'est-à-dire l'ensemble des matricesS deS_n(ℝ) vérifiant :
Le but du problème est d'introduire et d'étudier la notion de racine carrée d'une matrice de
M_n(ℝ) : si
A est une matrice de
M_n(ℝ) , on dit que
R est une racine carrée de
A si
R^2 = A .
La première partie propose de montrer qu'une matrice donnée peut admettre une infinité de racines carrées ou n'en n'avoir aucune. La seconde partie montre l'existence et l'unicité d'une racine carrée symétrique positive de
A lorsque
A est symétrique positive et introduit la notion de valeur absolue d'une matrice symétrique réelle. Enfin la dernière partie est consacrée à l'étude d'un algorithme de calcul de la racine carrée d'une matrice symétrique définie positive.
PARTIE I
Pour
a réel, soit
M_a la matrice de
M_3(ℝ) donnée par :
et
f_a l'endomorphisme de
ℝ^3 dont la matrice dans la base canonique de
ℝ^3 est
M_a .
I. 1 Déterminer suivant les valeurs dea , le rang de la matrice
M_a − (1 + 3a)I_3 . Quelle valeur propre de
M_a a-t-on ainsi mise en évidence ? Préciser la dimension du sous-espace propre associé.
I. 2 Montrer queV = (1; 1; 1) est vecteur propre de
M_a , puis déterminer les valeurs propres de
M_a .
I. 3 a) Montrer que pour touta réel,
M_a est trigonalisable.
b) Déterminer l'ensemble des valeurs dea pour lesquelles
M_a est diagonalisable.
I. 4 Dans cette question, on supposea = 1 .
a) DéterminerP inversible et
D diagonale dans
M_3(ℝ) telles que
P^(− 1)M_1 P = D , puis déterminer une racine carrée de
M_1 .
b) Montrer que la matricem = (4, 0; 0, 4) admet une infinité de racines carrées dans
M_2(ℝ) . En déduire que
M_1 admet une infinité de racines carrées dans
M_3(ℝ) .
I. 5 Dans cette question, on supposea = 0 et on pose
N = M_0 − I_3 . Calculer
N^2 et en déduire l'existence de
α et
β réels tels que
αI_3 + βN soit une racine carrée de
M_0 dans
M_3(ℝ) .
I. 6 Dans cette question, on supposea = − 1/3 et on note
u = f_(− 1/3) .
a) Déterminer tous les élémentsX = (x; y; z) de
M_(3, 1)(ℝ) tels que
M_(− 1/3)(x; y; z) = (0; 1; 1) .
b) Déterminer une baseB de
ℝ^3 telle que la matrice de
u dans cette base soit
I. 1 Déterminer suivant les valeurs de
I. 2 Montrer que
I. 3 a) Montrer que pour tout
b) Déterminer l'ensemble des valeurs de
I. 4 Dans cette question, on suppose
a) Déterminer
b) Montrer que la matrice
I. 5 Dans cette question, on suppose
I. 6 Dans cette question, on suppose
a) Déterminer tous les éléments
b) Déterminer une base
c) Déterminer les matrices commutant avec
U . En déduire que
U ne possède pas de racine carrée dans
M_3(ℝ) .
d) La matriceM_(− 1/3) possède-t-elle une racine carrée dans
M_3(ℝ) ?
d) La matrice
PARTIE II
II. 1 Soit
a_1, a_2, …, a_n n réels distincts deux à deux et
φ l'application de
ℝ_(n − 1)[X] dans
ℝ^n définie par :
a) Montrer que
φ est une application linéaire injective.
b) En déduire que quels que soient les réelsb_1, b_2, …, b_r , il existe un unique polynôme
Q de
ℝ_(n_n − 1)[X] vérifiant :
b) En déduire que quels que soient les réels
II. 2 Soit
f et
g deux endomorphismes de
ℝ^n diagonalisables et vérifiant
f ∘ g = g ∘ f .
a) Démontrer, sans se contenter d'énoncer le résultat du cours, que tout sous-espace propre def est stable par
g .
b) Soitλ_1, λ_2, …, λ_p les valeurs propres distinctes de
f et
E_(λ_1), E_(λ_2), …, E_(λ_p) les sousespaces propres de
f respectivement associés. Pour tout
i ∈ {1, 2, …, p} , on note
g_i l'endomorphisme de
E_(λ_i) induit par
g . Montrer que pour tout
i ∈ {1, 2, …, p} il existe une base
B_i de
E_(λ_i) formée de vecteurs propres de
g . En déduire qu'il existe une base
B de
ℝ^n telle que les matrices de
f et
g dans cette base soient toutes deux diagonales.
II. 3 SoitA et
B deux matrices de
M_n(ℝ) diagonalisables et vérifiant
AB = BA . Montrer qu'il existe
P ∈ GL_n(ℝ) telle que
P^(− 1)AP et
P^(− 1)BP soient toutes deux diagonales.
II. 4 SoitS ∈ S_n(ℝ) .
a) Montrer queS est positive si et seulement si toutes ses valeurs propres sont positives.
b) Montrer de même queS est définie positive si et seulement si toutes ses valeurs propres sont strictement positives.
II. 5 SoitS ∈ S_n^+(ℝ) . On note
λ_1, λ_2, …, λ_p, p ∈ {1, 2, …, n} , les valeurs propres deux à deux distinctes de
S .
a) Montrer qu'il existe un unique polynômeQ de degré inférieur ou égal à
p − 1 vérifiant :
a) Démontrer, sans se contenter d'énoncer le résultat du cours, que tout sous-espace propre de
b) Soit
II. 3 Soit
II. 4 Soit
a) Montrer que
b) Montrer de même que
II. 5 Soit
a) Montrer qu'il existe un unique polynôme
b) Montrer que
Q(S) est symétrique positive.
c) Montrer que(Q(S))^2 = S .
d) On souhaite montrer l'unicité d'une matrice symétrique positive qui soit une racine carrée deS . Soit donc
T ∈ S_n^+(ℝ) telle que
T^2 = S .
c) Montrer que
d) On souhaite montrer l'unicité d'une matrice symétrique positive qui soit une racine carrée de
Montrer que
T commute avec
S puis avec
Q(S) et conclure.
L'unique matrice symétrique positive racine carrée deS est alors notée
√S .
e) Dans cette question, on suppose queS admet seulement deux valeurs propres distinctes
λ_1 et
λ_2 . Montrer que:
L'unique matrice symétrique positive racine carrée de
e) Dans cette question, on suppose que
II. 6 Soit
S ∈ S_n(ℝ) .
a) Montrer queS^2 ∈ S_n^+(ℝ) . On note alors
|S| = √(S^2) et cette matrice est appelée valeur absolue de la matrice
S .
b) Montrer que les matrices|S| + S et
|S| − S sont dans
S_m^+(ℝ) .
c) SoitS_1 = (1, 3; 3, 1) et
S_2 = (1, − 3; − 3, 1) . Calculer
|S_1| et
|S_2| .
a) Montrer que
b) Montrer que les matrices
c) Soit
PARTIE III
Soit
a un réel strictement positif. On considère les deux suites réelles
(a_k)_(k ∈ ℕ) et
(b_k)_(k ∈ ℕ) définies par leurs premiers termes
a_0 = a, b_0 = 1 et les relations de récurrence :
III. 1 Montrer que pour tout
k ∈ ℕ, a_k > 0 et
b_k > 0 .
III. 2 On définit les suites(u_k)_(k ∈ ℕ) et
(v_k)_(n ∈ ℕ) en posant pour tout
k ∈ ℕ, u_k = a_k b_k et
v_k = (a_k)/(b_k) .
a) Etudier la suite(v_k)_(k ∈ ℕ) .
b) Etablir une relation de récurrence vérifiée par les termes de la suite(u_k)_(k ∈ ℕ) .
c) Montrer que pour tout entierk supérieur ou égal à
1, u_k ⩾ 1 .
d) Etudier la convergence de la suite(u_k)_(k ∈ ℕ) .
III. 3 Déduire des questions précédentes que les suites(a_k)_(k ∈ ℕ) et
(b_k)_(k ∈ ℕ) convergent et préciser leurs limites respectives.
III. 4 a) Montrer que toute matrice symétrique définie positive est inversible.
b) Montrer que l'inverse d'une matrice symétrique définie positive est symétrique et définie positive.
c) Montrer que la somme de deux matrices symétriques définies positives est symétrique définie positive.
III. 5 SoitA une matrice symétrique définie positive d'ordre
n . On considère les deux suites de matrices
(A_k)_(k ∈ ℕ) et
(B_k)_(k ∈ ℕ) définies par leurs premiers termes
A_0 = A, B_0 = I_r et les relations de récurrence :
III. 2 On définit les suites
a) Etudier la suite
b) Etablir une relation de récurrence vérifiée par les termes de la suite
c) Montrer que pour tout entier
d) Etudier la convergence de la suite
III. 3 Déduire des questions précédentes que les suites
III. 4 a) Montrer que toute matrice symétrique définie positive est inversible.
b) Montrer que l'inverse d'une matrice symétrique définie positive est symétrique et définie positive.
c) Montrer que la somme de deux matrices symétriques définies positives est symétrique définie positive.
III. 5 Soit
Montrer que pour tout
k ∈ ℕ, A_k et
B_k sont symétriques définies positives.
III. 6 SoitD diagonale et
P orthogonale telle que
A = PDP^(− 1) .
a) Montrer queD est symétrique définie positive.
b) On pose pour toutk ∈ ℕ, D_k = P^(− 1)A_k P et
Δ_k = P^(− 1)B_k P . Montrer que les matrices
D_k et
Δ_k sont des matrices diagonales inversibles vérifiant:
III. 6 Soit
a) Montrer que
b) On pose pour tout
c) Montrer que les suites
(D_k)_(k ∈ ℕ) et
(Δ_k)_(k ∈ ℕ) sont toutes deux convergentes dans
M_n(ℝ) vers une même limite
L que l'on précisera.
III. 7 a) Montrer que l'application deM_n(ℝ) dans lui-même qui à
M associe
PMP^(− 1) est continue.
b) En déduire que les suites(A_k)_(k ∈ ℕ) et
(B_k)_(k ∈ ℕ) sont aussi convergentes dans
M_n(ℝ) et préciser leur limite.
III. 7 a) Montrer que l'application de
b) En déduire que les suites
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