CCINP Mathématiques 2 MP 2021Sujet, corrigé et rapport du jury
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Moyenne 10,12 / 20 · écart-type 4,44 · 7 553 présents · où vous situez-vous ?
- Moyenne
- 10,12/ 20
- Écart-type
- 4,44
- Présents
- 7 553
- Coefficient
- 12
- Durée
- 4 h
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 4 mai 2021. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
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ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE MP
MATHÉMATIQUES 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.
RAPPEL DES CONSIGNES
- Utiliser uniquement un stylo noir ou bleu foncé non effaçable pour la rédaction de votre composition ; d'autres couleurs, excepté le vert, peuvent être utilisées, mais exclusivement pour les schémas et la mise en évidence des résultats.
- Ne pas utiliser de correcteur.
- Écrire le mot FIN à la fin de votre composition.
Les calculatrices sont interdites.
Le sujet est composé d'un exercice et d'un problème indépendants.
Notations pour l'ensemble du sujet :
K désigne
ℝ ou
ℂ .
On note, pourn entier naturel,
n ≥ 2 :
On note, pour
-
M_n(K) le K-espace vectoriel des matrices carrées de taillen à coefficients dans K. -
D_n(ℝ) le sous-espace vectoriel des matrices diagonales deM_n(ℝ) .
EXERCICE
Q1. On munit
M_n(ℝ) du produit scalaire canonique
(⟨A|B⟩ = trace(^t A ⋅ B)) , déterminer
(D_n(ℝ))^⊥ , l'orthogonal de
D_n(ℝ) pour ce produit scalaire.
PROBLÈME - Théorème de décomposition de Dunford
On admet le théorème suivant que l'on pourra utiliser librement :
SiA est une matrice de
M_n(K) telle que son polynôme caractéristique
χ_A soit scindé sur K , alors il existe un unique couple (
D, N ) de matrices de
M_n(K) vérifiant les quatre propriétés :
(1)A = D + N ;
(2)D est diagonalisable dans
M_n(K) (pas nécessairement diagonale);
(3)N est nilpotente ;
(4)DN = ND .
Si
(1)
(2)
(3)
(4)
De plus,
D et
N sont des polynômes en
A et
χ_A = χ_D .
Le couple (D, N ) s'appelle la décomposition de Dunford de
A .
Le couple (
Partie I - Quelques exemples
Q2. Donner le couple de la décomposition de Dunford d'une matrice
A de
M_n(K) lorsque
A est diagonalisable, puis lorsque la matrice
A de
M_n(K) est nilpotente.
Justifier qu'une matrice trigonalisable vérifie l'hypothèse du théorème, admettant ainsi une décomposition de Dunford.
Le couple de matrices((1, 0; 0, 2), (0, 1; 0, 0)) est-il la décomposition de Dunford de la matrice
(1, 1; 0, 2) ?
Justifier qu'une matrice trigonalisable vérifie l'hypothèse du théorème, admettant ainsi une décomposition de Dunford.
Le couple de matrices
Q3. Donner un exemple d'une matrice de
M_2(ℝ) n'admettant pas de décomposition de Dunford dans
M_2(ℝ) .
Q4. Soit la matrice
A = (3, 0, 8; 3, − 1, 6; − 2, 0, − 5) .
Calculer son polynôme caractéristique
χ_A , puis donner le couple
(D, N) de la décomposition de Dunford de
A (on utilisera le fait que
χ_A = χ_D ).
Q5. Application
PourA ∈ M_n(K), exp(A) = ∑_(k = 0)^(+ ∞)1/(k!)A^k est l'exponentielle de la matrice
A .
Déduire de la question précédente l'exponentielle de la matriceA définie en
Q4 .
On pourra utiliser sans démonstration que siM et
N sont deux matrices de
M_n(K) qui commutent,
exp(M + N) = (expM)(expN) .
Pour
Déduire de la question précédente l'exponentielle de la matrice
On pourra utiliser sans démonstration que si
Q6. Soit
A ∈ M_n(K) telle que
A^2(A − I_n) = 0 .
Justifier que le polynômeX(X − 1) est annulateur de la matrice
A^2 .
Démontrer que le couple (D, N ) de la décomposition de Dunford de la matrice
A est donné par :
D = A^2 et
N = A − A^2 .
Justifier que le polynôme
Démontrer que le couple (
Partie II - Un exemple par deux méthodes
Soit la matrice
A = (3, − 1, 1; 2, 0, 1; 1, − 1, 2) .
On noteu l'endomorphisme de
ℝ^3 canoniquement associé à la matrice
A .
On notera id l'application identité deℝ^3 .
Q7. La matriceA est-elle diagonalisable dans
M_3(ℝ) ?
Démontrer qu'on a la somme directe :ℝ^3 = ker(u − id) ⊕ ker(u − 2id)^2 .
Q8. Déterminer une base(e_1, e_2, e_3) de
ℝ^3 telle que :
ker(u − id) = vect{e_1}, ker(u − 2id) = vect{e_2} et
ker(u − 2id)^2 = vect{e_2, e_3} .
Écrire la matriceB de
u dans la base
(e_1, e_2, e_3) de
ℝ^3 .
Q9. Déterminer le couple de la décomposition de Dunford de la matriceB et en déduire le couple (on calculera ces matrices) de la décomposition de Dunford de la matrice
A .
On note
On notera id l'application identité de
Q7. La matrice
Démontrer qu'on a la somme directe :
Q8. Déterminer une base
Écrire la matrice
Q9. Déterminer le couple de la décomposition de Dunford de la matrice
Q10. Décomposer en éléments simples la fraction
1/((X − 1)(X − 2)^2) et en déduire deux polynômes
U et
V tels que :
Q11. On pose les endomorphismes :
p = V(u) ∘ (u − 2id)^2 et
q = U(u) ∘ (u − id) .
Calculerp(x) + q(x) pour tout
x vecteur de
ℝ^3 .
Démontrer quep est le projecteur sur
ker(u − id) parallèlement à
ker(u − 2id)^2 et
q est le projecteur sur
ker(u − 2id)^2 parallèlement à
ker(u − id) .
Calculer
Démontrer que
Q12. On pose
d = p + 2q . Écrire la matrice de
d dans la base
(e_1, e_2, e_3) de
ℝ^3 (de la question Q8).
Déterminer le couple de la décomposition de Dunford de la matriceA en exprimant
D et
N comme polynômes de la matrice
A (sous forme développée).
Déterminer le couple de la décomposition de Dunford de la matrice
Partie III - Une preuve de l'unicité de la décomposition
Q13. Soit
E un K-espace vectoriel de dimension
n .
Soientu et
v deux endomorphismes diagonalisables de
E qui commutent. On note
λ_1, λ_2, …, λ_p les valeurs propres de
u et pour tout
1 ≤ i ≤ p, E_(λ_i)(u) le sous-espace propre de
u associé à la valeur propre
λ_i .
Démontrer que tout sous-espace propre deu est stable par
v .
En déduire qu'il existe une base commune de diagonalisation pouru et
v .
Pour tout1 ≤ i ≤ p , on pourra noter
v_i l'endomorphisme induit par
v sur
E_(λ_i)(u) .
Q14. SoientA et
B deux matrices diagonalisables de
M_n(K) qui commutent. Démontrer que la matrice
A − B est diagonalisable.
Soient
Démontrer que tout sous-espace propre de
En déduire qu'il existe une base commune de diagonalisation pour
Pour tout
Q14. Soient
Q15. Soient
A et
B deux matrices nilpotentes de
M_n(K) qui commutent, démontrer que la matrice
A − B est nilpotente.
Q16. Déterminer les matrices de
M_n(K) qui sont à la fois diagonalisables et nilpotentes.
Q17. Dans cette question, on admet, pour toute matrice carréeA de
M_n(K) à polynôme caractéristique scindé, l'existence d'un couple (
D, N ) vérifiant les conditions (1), (2), (3), (4) et tel que
D et
N soient des polynômes en
A .
Établir l'unicité du couple (D, N ) dans la décomposition de Dunford.
Q17. Dans cette question, on admet, pour toute matrice carrée
Établir l'unicité du couple (
Partie IV - Non continuité de l'application
A ↦ D
Q18. On note
𝒟 l'ensemble des matrices de
M_n(ℂ) qui sont diagonalisables.
𝒟 est-il un espace vectoriel ?
SiP est une matrice inversible de
M_n(ℂ) , justifier que l'application de
M_n(ℂ) vers
M_n(ℂ), M ↦ PMP^(− 1) est continue.
Si
Q19. Démontrer que
𝒟 est dense dans
M_n(ℂ) .
Q20. Si(D, N) est le couple de la décomposition de Dunford d'une matrice
A , on note
φ l'application de
M_n(ℂ) dans
𝒟 qui à la matrice
A associe la matrice
D .
Justifier queφ est l'application identité sur
𝒟 et en déduire que l'application
φ n'est pas continue.
Q20. Si
Justifier que
FIN
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