CCINP Mathématiques 2 MP 2012Sujet, corrigé et rapport du jury
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EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE MP
MATHEMATIQUES 2
Durée : 4 heures
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.
Les calculatrices sont autorisées
Le sujet est composé d'un exercice et d'un problème qui sont indépendants.
Exercice
- Déterminer le plus petit entier naturel non nul
p tel que3^p ≡ 1 modulo 11 . - En utilisant des congruences modulo 11, démontrer que, pour tout entier naturel
n , l'entier3^(n + 2012) − 9 × 5^(2n) est divisible par 11 .
Problème
Dans tout le problème,
n est un entier naturel supérieur ou égal à 2 . Cet entier est quelconque sauf dans la partie I, où il est égal à 2 .
On noteM_n(ℝ) l'algèbre des matrices carrées d'ordre
n à coefficients réels, (
E_(i, j) ) sa base canonique (
1 ≤ i ≤ n et
1 ≤ j ≤ n ) et
I_n sa matrice unité (tous les coefficients de
E_(i, j) sont nuls, sauf celui situé à la
i -ème ligne et à la
j -ième colonne, qui vaut 1 ).
On noteℝ[X] l'algèbre des polynômes à coefficients réels.
Dans tout le problème,A est une matrice quelconque de
M_n(ℝ) et
u l'endomorphisme de
ℝ^n canoniquement associé à la matrice
A .
Pour toutP = ∑_(k = 0)^d a_k X^k ∈ ℝ[X] , on note
P(A) = ∑_(k = 0)^d a_k A^k . L'ensemble des matrices
P(A) pour tout
P ∈ ℝ[X] est noté
ℝ[A] .
On note
On note
Dans tout le problème,
Pour tout
On dit que
P annule
A lorsque
P(A) = 0 ce qui équivaut à
P(u) = 0 . On appelle polynôme minimal de la matrice
A le polynôme minimal de l'endomorphisme
u ; c'est donc le polynôme unitaire de plus petit degré qui annule
A .
On note
φ_A l'application de
M_n(ℝ) dans
M_n(ℝ) définie par :
L'objet du problème est d'étudier quelques propriétés des éléments propres de
φ_A . Les parties I et II étudient la diagonalisabilité de
φ_A , les parties III et IV en étudient les vecteurs propres. Les quatre parties sont indépendantes.
Partie I. Étude du cas
n = 2
Dans toute cette partie, on prendra
n = 2 .
- Vérifier que l'application
φ_A est linéaire et queI_2 etA appartiennent àKer(φ_A) .
Dans la suite de cette partie, on pose
A = (a, b; c, d) ∈ M_2(ℝ) .
2. Donner la matrice deφ_A dans la base (
E_(1, 1), E_(2, 2), E_(1, 2), E_(2, 1) ) de
M_2(ℝ) .
2. Donner la matrice de
Dans la suite de cette partie, on suppose que
φ_A ≠ 0 (c'est-à-dire que
A ≠ λI_2 pour tout
λ ∈ ℝ ).
3. Donner le polynôme caractéristique deφ_A sous forme factorisée (on pourra utiliser la calculatrice).
4. En déduire queφ_A est diagonalisable si et seulement si
(d − a)^2 + 4bc > 0 .
5. Démontrer queφ_A est diagonalisable si et seulement si
A est diagonalisable.
3. Donner le polynôme caractéristique de
4. En déduire que
5. Démontrer que
Partie II. Étude du cas général
On note
c = (c_1, …, c_n) la base canonique de
ℝ^n .
6. On suppose dans cette question queA est diagonalisable.
6. On suppose dans cette question que
On note
e = (e_1, …, e_n) une base de vecteurs propres de
u (défini au début du problème) et, pour tout entier
i tel que
1 ≤ i ≤ n, λ_i la valeur propre associée au vecteur
e_i . On note alors
P la matrice de passage de la base
c à la base
e et
D = (λ_1, 0, ⋯, 0; 0, ⋱, ⋱, ⋮; ⋮, ⋱, ⋱, 0; 0, ⋯, 0, λ_n) .
Enfin, pour tout couple(i, j) d'entiers tels que
1 ≤ i ≤ n et
1 ≤ j ≤ n , on pose :
Enfin, pour tout couple
(a) Exprimer, pour tout couple
(i, j) , la matrice
DE_(i, j) − E_(i, j)D en fonction de la matrice
E_(i, j) et des réels
λ_i et
λ_j .
(b) Démontrer que, pour tout couple(i, j), B_(i, j) est un vecteur propre de
φ_A .
(c) En déduire queφ_A est diagonalisable.
7. On suppose dans cette question queφ_A est diagonalisable en tant qu'endomorphisme de
M_n(ℝ) .
On note(P_(i, j))_(1 ≤ i ≤ n; 1 ≤ j ≤ n) une base de vecteurs propres de
φ_A et, pour tout couple
(i, j), λ_(i, j) la valeur propre associée à
P_(i, j) .
(a) Dans cette question, on considèreA comme une matrice à coefficients complexes
(A ∈ M_n(ℝ) ⊂ M_n(ℂ)) et
φ_A comme un endomorphisme de
M_n(ℂ) (défini par
φ_A(M) = AM − MA pour tout
M ∈ M_n(ℂ)) .
i. Justifier que toutes les valeurs propres deφ_A sont réelles.
ii. Soitz ∈ ℂ . Justifier que si
z est une valeur propre de
A , alors
z est aussi une valeur propre de
^t A .
iii. Soitz ∈ ℂ . On suppose que
z et
z¯ sont deux valeurs propres de la matrice
A . On considère alors
X ∈ M_(n, 1)(ℂ)(X ≠ 0) et
Y ∈ M_(n, 1)(ℂ)(Y ≠ 0) , tels que
AX = zX et
^t AY = z¯Y .
(b) Démontrer que, pour tout couple
(c) En déduire que
7. On suppose dans cette question que
On note
(a) Dans cette question, on considère
i. Justifier que toutes les valeurs propres de
ii. Soit
iii. Soit
En calculant
φ_A(X^t Y) , démontrer que
z − z¯ est une valeur propre de
φ_A .
(b) En déduire que la matriceA a au moins une valeur propre réelle.
(b) En déduire que la matrice
On note
λ une valeur propre réelle de
A et
X ∈ M_(n, 1)(ℝ)(X ≠ 0) une matrice colonne telle que
AX = λX .
(c) Démontrer que, pour tout couple(i, j) , il existe un réel
μ_(i, j) , que l'on exprimera en fonction de
λ et
λ_(i, j) , tel que
AP_(i, j)X = μ_(i, j)P_(i, j)X .
(d) En déduire queA est diagonalisable.
(c) Démontrer que, pour tout couple
(d) En déduire que
Partie III. Étude des vecteurs propres de
φ_A associés à la valeur propre 0
Soit
m le degré du polynôme minimal de
A .
8. Démontrer que la famille (I_n, A, …, A^(m − 1) ) est une base de
ℝ[A] .
9. Vérifier queℝ[A] est inclus dans
Ker(φ_A) et en déduire une minoration de
dim(Ker(φ_A)) .
10. Un cas d'égalité
8. Démontrer que la famille (
9. Vérifier que
10. Un cas d'égalité
On suppose que l'endomorphisme
u (défini au début du problème) est nilpotent d'indice
n (c'est-à-dire que
u^n = 0 et
u^(n − 1) ≠ 0 ). On considère un vecteur
y de
ℝ^n tel que
u^(n − 1)(y) ≠ 0 et, pour tout entier
i tel que
1 ≤ i ≤ n , on pose
e_i = u^(n − i)(y) .
(a) Démontrer que la famille(e_1, e_2, …, e_n) est une base de
ℝ^n .
(b) SoitB ∈ Ker(φ_A) et
v l'endomorphisme de
ℝ^n canoniquement associé à
B . Démontrer que si
v(y) = ∑_(i = 1)^n α_i e_i(α_i ∈ ℝ) alors
v = ∑_(i = 1)^n α_i u^(n − i) .
(c) En déduireKer(φ_A) .
11. Cas où u est diagonalisable
(a) Démontrer que la famille
(b) Soit
(c) En déduire
11. Cas où u est diagonalisable
On suppose que
u est diagonalisable. On note
λ_1, λ_2, …, λ_p(1 ≤ p ≤ n) les
p valeurs propres distinctes de
u et, pour tout entier
k tel que
1 ≤ k ≤ p, E_u(λ_k) le sous-espace propre associé à la valeur propre
λ_k . On note
m_k la dimension de cet espace propre.
(a) SoitB ∈ M_n(ℝ) et
v l'endomorphisme de
ℝ^n canoniquement associé à
B . Démontrer que
B ∈ Ker(φ_A) si et seulement si, pour tout entier
k tel que
1 ≤ k ≤ p, E_u(λ_k) est stable par
v( c'est-à-dire
v(E_u(λ_k)) ⊂ E_u(λ_k)) .
(b) En déduire queB ∈ Ker(φ_A) si et seulement si, la matrice de
v , dans une base adaptée à la décomposition de
ℝ^n en somme directe des sous-espaces propres de
u , a une forme que l'on précisera.
(c) Préciser la dimension deKer(φ_A) .
(d) Lorsquen = 7 , donner toutes les valeurs possibles pour cette dimension en envisageant les différentes valeurs possibles de
p et des
m_k (on ne demande pas de justification).
(a) Soit
(b) En déduire que
(c) Préciser la dimension de
(d) Lorsque
Partie IV. Étude des vecteurs propres de
φ_A associés à une valeur propre non nulle
Dans cette partie,
α est une valeur propre non nulle de
φ_A et
B un vecteur propre associé
(B ∈ M_n(ℝ), B ≠ 0) . On note
π_B le polynôme minimal de
B et
d le degré de
π_B .
12. Démontrer que, pour toutk ∈ ℕ, φ_A(B^k) = αkB^k .
13. SoitP ∈ ℝ[X] . Exprimer
φ_A(P(B)) en fonction de
α, B et
P^′(B) .
14. Démontrer que le polynômeXπ_B^′ − dπ_B est le polynôme nul (
π_B^′ étant le polynôme dérivé du polynôme minimal
π_B de la matrice
B ).
15. En déduire queB^d = 0 .
12. Démontrer que, pour tout
13. Soit
14. Démontrer que le polynôme
15. En déduire que
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