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CCINP Mathématiques 1 PC 2010Sujet, corrigé et rapport du jury

Racines carrées d'un endomorphisme

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CONCOURS COMMUNS POLYTECHNIOUES
EPREUVE SPECIFIQUE FILIERE PC

MATHEMATIQUES 1

Durée : 4 heures
Les calculatrices sont interdites
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

Dans tout ce problème n est un entier naturel supérieur ou égal à 2 et E est un espace vectoriel de dimension finie n sur le corps ℝ des nombres réels.
L(E) désigne l'algèbre des endomorphismes de E et GL(E) l'ensemble des endomorphismes de E qui sont bijectifs.
On note 0 l'endomorphisme nul et id l'application identité.
Pour tout endomorphisme f, Ker(f) et Im(f) désigneront respectivement le noyau et l'image de f.
L'ensemble des valeurs propres de f sera noté Sp(f) et on notera :
R(f) = {h ∈ L(E)|h^2 = f}
ℝ[X] désigne l'espace des polynômes à coefficients réels.
Étant donné f ∈ L(E) et P ∈ ℝ[X] donné par P(X) = ∑_(k = 0)^ℓ a_k X^k, on définit P(f) ∈ L(E) par :
P(f) = ∑_(k = 0)^ℓ a_k f^k
où f^0 = id et pour k ∈ ℕ^⋆, f^k = f ∘ … ∘ f_()_(k fois).
Si f_1, …, f_q désignent q endomorphismes de E(q ∈ ℕ^⋆) alors ∏_(1 ⩽ i ⩽ q)f_i désignera l'endomorphisme f_1 ∘ … ∘ f_q.
Pour tout entier p non nul, M_p(ℝ) désigne l'espace des matrices carrées à p lignes et p colonnes à coefficients dans ℝ.
I_p est la matrice identité de M_p(ℝ).
L'objectif du problème est d'étudier des conditions nécessaires ou suffisantes à l'existence de racines carrées d'un endomorphisme f et de décrire dans certains cas l'ensemble R(f).

PARTIE I

A) On désigne par f l'endomorphisme de ℝ^3 dont la matrice dans la base canonique est donnée par :
A = (8, 4, − 7; − 8, − 4, 8; 0, 0, 1)
  1. Montrer que f est diagonalisable.
  2. Déterminer une base ( v_1, v_2, v_3 ) de ℝ^3 formée de vecteurs propres de f et donner la matrice D de f dans cette nouvelle base.
  3. Soit P la matrice de passage de la base canonique à la base ( v_1, v_2, v_3 ). Soit un entier m ⩾ 1. Sans calculer l'inverse de P, exprimer A^m en fonction de D, P et P^(− 1).
  4. Calculer P^(− 1), puis déterminer la matrice de f^m dans la base canonique.
  5. Déterminer toutes les matrices de M_3(ℝ) qui commutent avec la matrice D trouvée à la question 2).
  6. Montrer que si H ∈ M_3(ℝ) vérifie H^2 = D, alors H et D commutent.
  7. Déduire de ce qui précède toutes les matrices H de M_3(ℝ) vérifiant H^2 = D, puis déterminer tous les endomorphismes h de ℝ^3 vérifiant h^2 = f en donnant leur matrice dans la base canonique.
    B) Soient f et j les endomorphismes de ℝ^3 dont les matrices respectives A et J dans la base canonique sont données par :
A = (2, 1, 1; 1, 2, 1; 1, 1, 2) et J = (1, 1, 1; 1, 1, 1; 1, 1, 1)
  1. Calculer J^m pour tout entier m ⩾ 1.
  2. En déduire que pour tout m ∈ ℕ^⋆, f^m = id + 1/3(4^m − 1)j. Cette relation est-elle encore valable pour m = 0 ?
  3. Montrer que f admet deux valeurs propres distinctes λ et μ telles que λ < μ.
  4. Montrer qu'il existe un unique couple ( p, q ) d'endomorphismes de ℝ^3 tel que pour tout entier m ⩾ 0, f^m = λ^m p + μ^m q et montrer que ces endomorphismes p et q sont linéairement indépendants.
  5. Après avoir calculé p^2, q^2, p ∘ q et q ∘ p, trouver tous les endomorphismes h, combinaisons linéaires de p et q qui vérifient h^2 = f.
  6. Montrer que f est diagonalisable et trouver une base de vecteurs propres de f. Écrire la matrice D de f, puis la matrice de p et de q dans cette nouvelle base.
  7. Déterminer une matrice K de M_2(ℝ) non diagonale telle que K^2 = I_2, puis une matrice Y de M_3(ℝ) non diagonale telle que Y^2 = D.
  8. En déduire qu'il existe un endomorphisme h de ℝ^3 vérifiant h^2 = f qui n'est pas combinaison linéaire de p et q.
  9. Montrer que tous les endomorphismes h de ℝ^3 vérifiant h^2 = f sont diagonalisables.

PARTIE II

Soit f un endomorphisme de E. On suppose qu'il existe (λ, μ) ∈ ℝ^2 et deux endomorphismes non nuls p et q de E tels que :
λ ≠ μ et {id, =, p + q; f, =, λp + μq; f^2, = λ^2 p + μ^2 q
  1. Calculer (f − λid) ∘ (f − μid). En déduire que f est diagonalisable.
  2. Montrer que λ et μ sont valeurs propres de f et qu'il n'y en a pas d'autres.
  3. Déduire de la relation trouvée dans la question 1) que p ∘ q = q ∘ p = 0 puis montrer que p^2 = p et q^2 = q.
  4. On suppose jusqu'à la fin de cette partie que λμ ≠ 0.
Montrer que f est un isomorphisme et écrire f^(− 1) comme combinaison linéaire de p et q.
5) Montrer que pour tout m ∈ ℤ :
f^m = λ^m p + μ^m q
  1. Soit F le sous-espace de L(E) engendré par p et q. Déterminer la dimension de F.
  2. On suppose dans la suite de cette partie que λ et μ sont strictement positifs. Déterminer R(f) ∩ F.
  3. Soit k un entier supérieur ou égal à 2 . Déterminer une matrice K de M_k(ℝ) non diagonale et vérifiant K^2 = I_k.
  4. Montrer que si l'ordre de multiplicité de la valeur propre λ est supérieur ou égal à 2, alors il existe un endomorphisme p^′ ∈ L(E)∖F tel que p^2 = p et p^′ ∘ q = q ∘ p^′ = 0.
  5. En déduire que si dim(E) ⩾ 3, alors R(f)⊄F.

PARTIE III

Soient p_1, …, p_m, m endomorphismes non nuls de E et λ_1, …, λ_m, m nombres réels distincts. Soit f un endomorphisme de E vérifiant pour tout entier k ∈ ℕ :
f^k = ∑_(i = 1)^m λ_i^k p_i
  1. Montrer que pour tout P ∈ ℝ[X], on a :
P(f) = ∑_(i = 1)^m P(λ_i)p_i
  1. En déduire que ∏_(i = 1)^m(f − λ_i id) = 0, puis que f est diagonalisable.
  2. Pour tout entier ℓ tel que 1 ⩽ ℓ ⩽ m, on considère le polynôme :
L_ℓ(X) = ∏_(1 ⩽ i ⩽ m; i ≠ ℓ)((X − λ_i))/((λ_ℓ − λ_i))
Montrer que pour tout entier ℓ, tel que 1 ⩽ ℓ ⩽ m, on a p_ℓ = L_ℓ(f). En déduire que Im(p_ℓ) ⊂ Ker(f − λ_ℓ id), puis que le spectre de f est :
Sp(f) = {λ_1, …, λ_m}
  1. Vérifier que pour tout couple d'entiers ( i, j ) tels que 1 ⩽ i, j ⩽ m, on a :
p_i ∘ p_j = {0, si i ≠ j; p_i, si i = j
  1. Justifier le fait que la somme ∑_(i = 1)^m Ker(f − λ_i id) est directe et égale à E et que les projecteurs associés à cette décomposition de E sont les p_i.
  2. Soit F le sous-espace vectoriel de L(E) engendré par {p_1, …, p_m}. Déterminer la dimension de F.
  3. Déterminer R(f) ∩ F dans le cas où λ_1, …, λ_m sont des réels positifs ou nuls.
  4. Dans cette question, on suppose de plus que m = n.
    8.1) Préciser alors la dimension des sous-espaces propres de f.
    8.2) Montrer que si h ∈ R(f), tout vecteur propre de f est également vecteur propre de h.
    8.3) En déduire que R(f) ⊂ F et donner une condition nécessaire et suffisante sur les λ_i pour que R(f) soit non vide.
  5. Montrer que si m < n et si tous les λ_i sont positifs ou nuls, alors R(f)⊄F.

PARTIE IV

A) Soit f un endomorphisme non nul de E tel qu'il existe un entier p > 1 tel que f^p = 0 et f^(p − 1) ≠ 0.
  1. Montrer qu'il existe x ∈ E non nul tel que la famille ( x, f(x), f^2(x), …, f^(p − 1)(x) ) est libre. En déduire que p ⩽ n et que f^n = 0.
  2. Montrer que si R(f) ≠ ∅ alors 2p − 1 ⩽ n.
  3. Déterminer les réels a_0, …, a_(n − 1) tels que √(1 + x) = ∑_(k = 0)^(n − 1)a_k x^k + O(x^n) au voisinage de 0 . Dans la suite, P_n désigne le polynôme défini par P_n(X) = ∑_(k = 0)^(n − 1)a_k X^k.
  4. Montrer qu'il existe une fonction η bornée au voisinage de 0 telle que l'on ait P_n^2(x) − x − 1 = x^n η(x). En déduire que X^n divise P_n^2 − X − 1.
  5. Montrer alors que R(f + id) ≠ ∅. Plus généralement, montrer que pour tout α réel, R(αf + id) ≠ ∅, puis que pour tout β réel strictement positif, R(f + βid) ≠ ∅.
    B) 1) Soit T = (a_(ij))_(1 ⩽ i, j ⩽ n) une matrice triangulaire supérieure de M_n(ℝ) dont tous les coefficients diagonaux sont égaux à un réel λ.
Montrer que (T − λI_n)^n = 0.
2) On suppose dans toute la suite que f est un endomorphisme de E dont le polynôme caractéristique est scindé et qui n'admet qu'une seule valeur propre λ. Déduire de la question précédente que E = Ker(f − λid)^n.
3) Montrer que si λ > 0 alors R(f) ≠ ∅.

Fin de l'énoncé

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