CCINP Mathématiques 2 MP 2014Sujet, corrigé et rapport du jury
Téléchargements
Ces sujets peuvent vous intéresser
Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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 de deux exercices et d'un problème, tous indépendants.
Partie I : EXERCICE 1
Soit les suites réelles
(u_n), (v_n) et
(w_n) définies par :
I.1.
I.1.a Justifier sans calcul que la matrice
A = (1, 3, 0; 3, 1, 4; 0, 4, 1) ∈ M_3(ℝ) est diagonalisable.
I.1.b Diagonaliser la matriceA ∈ M_3(ℝ) .
I.1.c Déterminer la matriceA^n pour tout
n ∈ ℕ . On pourra utiliser la calculatrice.
I.2. Expliciter les termesu_n, v_n et
w_n en fonction de
n .
I.1.b Diagonaliser la matrice
I.1.c Déterminer la matrice
I.2. Expliciter les termes
Partie II : EXERCICE 2
Soit
n un entier supérieur à 2 et
E un espace vectoriel sur
ℝ de dimension
n . On appelle projecteur de
E , tout endomorphisme
p de
E vérifiant
p ∘ p = p .
II.1. Soitp un projecteur de
E .
II.1.a Démontrer que les sous-espaces vectorielsKer(p) et
Im(p) sont supplémentaires dans
E .
II.1.b En déduire que la trace dep (notée
Tr(p) ) est égale au rang de
p (noté
rg(p) ).
II.1.c Un endomorphismeu de
E vérifiant
Tr(u) = rg(u) est-il nécessairement un projecteur de
E ?
II.2. Donner un exemple de deux matricesA et
B de
M_3(ℝ) de rang 1 telles que
A soit diagonalisable et
B ne soit pas diagonalisable. Justifier la réponse.
II.3. Soitu un endomorphisme de
E de rang 1 .
II.3.a Démontrer qu'il existe une baseβ = (e_1, ⋯, e_n) de
E telle que la matrice
Mat_β(u) de
u dans
β soit de la forme :
II.1. Soit
II.1.a Démontrer que les sous-espaces vectoriels
II.1.b En déduire que la trace de
II.1.c Un endomorphisme
II.2. Donner un exemple de deux matrices
II.3. Soit
II.3.a Démontrer qu'il existe une base
II.3.b Démontrer que
u est diagonalisable si, et seulement si, la trace de
u est non nulle.
II.3.c On suppose queTr(u) = rg(u) = 1 . Démontrer que
u est un projecteur.
II.3.d Soit la matriceA = (1, 1, − 1; 1, 1, − 1; 1, 1, − 1) ∈ M_3(ℝ) . Démontrer que
A est la matrice d'un projecteur de
ℝ^3 dont on déterminera l'image et le noyau.
II.3.c On suppose que
II.3.d Soit la matrice
Partie III : PROBLEME
Notations et rappels
Soit
n un entier supérieur à 1 . On désigne par diag
(α_1, ⋯, α_n) la matrice diagonale de
M_n(ℝ) dont les coefficients diagonaux sont les réels
α_1, ⋯, α_n dans cet ordre. Si
M ∈ M_n(ℝ) , on note
^t M sa transposée.
On munit l'espace vectorielE = ℝ^n du produit scalaire canonique noté
⟨|⟩ et de la norme euclidienne
‖ ‖ associée. On note
S(E) le sous-espace des endomorphismes symétriques de
E , c'est-à-dire l'ensemble des endomorphismes
s de
E vérifiant :
On munit l'espace vectoriel
Un endomorphisme symétrique
s de
E est dit symétrique positif (respectivement symétrique défini positif) si :
Une matrice symétrique
S de
M_n(ℝ) est dite symétrique positive (respectivement symétrique définie positive) si :
On note
S_n^+(ℝ) (respectivement
S_n^(+ +)(ℝ) ) l'ensemble des matrices symétriques positives (respectivement symétriques définies positives) de
M_n(ℝ) .
On rappelle qu'un endomorphisme
s de
E est symétrique (respectivement symétrique positif, symétrique défini positif) si, et seulement si, sa matrice dans toute base orthonormée de
E est symétrique (respectivement symétrique positive, symétrique définie positive).
On admet que, pour tous réels positifs
a_1, ⋯, a_n ,
Objectif du problème
On se donne une matrice
S de
S_n^+(ℝ) (ou
S_n^(+ +)(ℝ) ) et on étudie le maximum (ou minimum) de la forme linéaire
A ↦ Tr(AS) sur des ensembles de matrices.
Questions préliminaires
III.1.
III.1.a Enoncer (sans démonstration) le théorème de réduction des endomorphismes symétriques de l'espace euclidien
E et sa version relative aux matrices symétriques réelles.
III.1.b Toute matrice symétrique à coefficients complexes est-elle nécessairement diagonalisable? On pourra par exemple considérer la matrice deM_2(ℂ) :
III.1.b Toute matrice symétrique à coefficients complexes est-elle nécessairement diagonalisable? On pourra par exemple considérer la matrice de
III.2. Soit
s ∈ S(E) , de valeurs propres (réelles)
λ_1, ⋯, λ_n rangées dans l'ordre croissant :
Soit
β = (ε_1, ⋯, ε_n) une base orthonormée de E telle que, pour tout
i ∈ {1, ⋯, n}, ε_i est un vecteur propre associé à la valeur propre
λ_i . Pour tout vecteur
x de
E , on pose :
III.2.a Exprimer
R_s(x) à l'aide des
λ_i et des coordonnées de
x dans la base
β .
III.2.b En déduire l'inclusion :R_s(S(0, 1)) ⊂ [λ_1, λ_n] où
S(0, 1) désigne la sphère unité de
E .
III.2.b En déduire l'inclusion :
III.3.
III.3.a On suppose dans cette question que
s est symétrique positif (respectivement symétrique défini positif). Démontrer que les valeurs propres de
s sont toutes positives (respectivement strictement positives).
III.3.b SoitS = (s_(i, j)) ∈ S_n^+(ℝ) , de valeurs propres
λ_1, ⋯, λ_n rangées dans l'ordre croissant :
III.3.b Soit
On note
s l'endomorphisme de
E représenté par
S dans la base canonique
B = (e_1, ⋯, e_n) . Exprimer le terme général
s_(i, j) de
S comme un produit scalaire et démontrer que :
Un maximum sur
O_n(ℝ)
On note
I_n la matrice unité de
M_n(ℝ) et
O_n(ℝ) le groupe des matrices orthogonales de
M_n(ℝ) .
III.4. Démontrer que l'applicationM ↦ ^t MM − I_n est continue de
M_n(ℝ) dans
M_n(ℝ) .
III.5. Justifier que, siA = (a_(i, j)) est une matrice orthogonale, alors :
III.4. Démontrer que l'application
III.5. Justifier que, si
III.6. En déduire que le groupe orthogonal
O_n(ℝ) est une partie compacte de
M_n(ℝ) .
III.7. SoitS ∈ S_n^+(ℝ) , de valeurs propres (positives)
λ_1, ⋯, λ_n . On pose
Δ = diag(λ_1, ⋯, λ_n) . Si
A est une matrice orthogonale, on note
T(A) le nombre réel
T(A) = Tr(AS) .
III.7.a SoitA ∈ O_n(ℝ) . Démontrer qu'il existe une matrice orthogonale
B telle que :
III.7. Soit
III.7.a Soit
III.7.b Démontrer que l'application
T de
O_n(ℝ) dans
ℝ admet un maximum sur
O_n(ℝ) , que l'on notera
t .
III.7.c Démontrer que, pour toute matrice orthogonaleA de
O_n(ℝ), T(A) ⩽ Tr(S) , puis déterminer le réel
t .
III.7.c Démontrer que, pour toute matrice orthogonale
Inégalité d'Hadamard
Soit
S = (s_(i, j)) ∈ S_n^+(ℝ) , de valeurs propres (réelles positives)
λ_1, ⋯, λ_n rangées dans l'ordre croissant :
III.8. Démontrer l'inégalité valable pour tout
S ∈ S_n^+(ℝ) :
III.9. Soit
α = (α_1, ⋯, α_n) ∈ ℝ^n, D = diag(α_1, ⋯, α_n) et
S_α = ^t DSD . Démontrer que
S_α ∈ S_n^+(ℝ) et calculer
Tr(S_α) .
III.10. Dans cette question, on suppose que les coefficients diagonauxs_(i, i) de
S sont strictement positifs et, pour
1 ⩽ i ⩽ n , on pose
α_i = 1/(√(s_(i, i))) . En utilisant l'inégalité (*), démontrer que :
III.10. Dans cette question, on suppose que les coefficients diagonaux
III.11. Pour tout réel
ε > 0 , on pose
S_ε = S + εI_n . Démontrer que
det(S_ε) ⩽ ∏_(i = 1)^n(s_(i, i) + ε) , puis conclure que :
Application de l'inégalité d'Hadamard : détermination d'un minimum
Soit
S ∈ S_n^(+ +)(ℝ) , de valeurs propres
0 < λ_1 ⩽ ⋯ ⩽ λ_n , et
Δ = diag(λ_1, ⋯, λ_n) . Soit
Ω ∈ O_n(ℝ) telle que
S = ΩΔ^t Ω . On désigne par
U l'ensemble des matrices de
S_n^(+ +)(ℝ) de déterminant égal à 1 .
III.12. Démontrer que, pour toutA ∈ U , la matrice
B = ^t ΩAΩ est une matrice de
U vérifiant :
III.12. Démontrer que, pour tout
III.13. Démontrer que
{Tr(AS)∖A ∈ U} = {Tr(BΔ)∖B ∈ U} , puis que ces ensembles admettent une borne inférieure que l'on notera
m .
III.14. Démontrer que, siB = (b_(i, j)) ∈ U :
III.14. Démontrer que, si
III.15. En déduire que, pour
B = (b_(i, j)) ∈ U, Tr(BΔ) ⩾ n(det(S))^(1/n) .
III.16. Pour tout entierk tel que
1 ⩽ k ⩽ n , on pose
μ_k = 1/(λ_k)(det(S))^(1/n) et
D = diag(μ_1, ⋯, μ_n) . Déterminer le réel
m .
III.16. Pour tout entier
Pas de description pour le moment
