Centrale Mathématiques 2 MP 2010Sujet, corrigé et rapport du jury
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MATHÉMATIQUES II
Les calculatrices sont autorisées
Notations :
Notations :
- IK désigne le corps IR ou le corps
ℂ . - On fixe un IK -espace vectoriel
E de dimensionn ≥ 1 .
Partie I -
I.A - On fixe une application
φ de
E^2 dans IK. On suppose que
φ est une forme bilinéaire symétrique sur
E , c'est-à-dire que, pour tout
(x, y, z) ∈ E^3 et pour tout
α ∈ 𝕂, φ(x + αy, z) = φ(x, z) + αφ(y, z) et
φ(x, z) = φ(z, x) .
I.A.1) Pour tout élémentx de
E , on note
h(x) l'application de
E dans
E telle que
∀y ∈ E, h(x)(y) = φ(x, y) .
a) Montrer que, pour toutx de
E, h(x) est élément du dual de
E , noté
E^∗ .
b) Montrer queh est une application linéaire de
E dans
E^∗ .
I.A.2) SiA est une partie de
E , on note
A^(⊥ φ) = {x ∈ E/∀a ∈ Aφ(x, a) = 0} .
I.A.1) Pour tout élément
a) Montrer que, pour tout
b) Montrer que
I.A.2) Si
Montrer que
A^(⊥ φ) est un sous-espace vectoriel de
E .
Par la suite, lorsqu'il n'y aura pas d'ambiguïté, on noteraA^⊥ au lieu de
A^(⊥ φ) .
I.A.3) On dit queφ est non dégénérée si et seulement si
E^(⊥ φ) = {0} .
Par la suite, lorsqu'il n'y aura pas d'ambiguïté, on notera
I.A.3) On dit que
Montrer que
φ est non dégénérée si et seulement si
h est un isomorphisme.
I.A.4) Soite = (e_1, …, e_n) une base de
E .
I.A.4) Soit
On note
e^∗ = (e_1^∗, …, e_n^∗) la base duale de
e .
a) Montrer que la matrice deh dans les bases
e et
e^∗ est:
a) Montrer que la matrice de
Cette dernière matrice sera également appelée la matrice de
φ dans la base
e et notée
mat(φ, e)
b) Soit(x, y) ∈ E^2 . On note
X et
Y les matrices colonnes dont les coefficients sont les composantes de
x et
y dans la base
e .
Montrer queφ(x, y) = ^t XΩY où
Ω = mat(φ, e) et où
^t X désigne la matrice ligne obtenue en transposant
X .
b) Soit
Montrer que
Filière MP
I.B -
Siφ est une forme bilinéaire symétrique sur
E , on note
q_φ l'application de
E dans IK définie par:
∀x ∈ E, q_φ(x) = φ(x, x) . On dit que
q_φ est la forme quadratique associée à
φ . On note
Q(E) l'ensemble des
q_φ où
φ est une forme bilinéaire symétrique sur
E .
I.B.1) Soitq ∈ Q(E) .
I.B.1) Soit
Montrer qu'il existe une unique forme bilinéaire symétrique sur
E , notée
φ , telle que
q = q_φ . On dira que
φ est la forme bilinéaire symétrique associée à la forme quadratique
q . On dira que
q est non dégénérée si et seulement si
φ est non dégénérée. Si
e est une base de
E , on notera
mat(q, e) = mat(φ, e) . On l'appellera la matrice de
q dans la base
e .
I.B.2) Soitq une forme quadratique sur
E . Soit
E^′ un second IK -espace vectoriel de dimension
n , et soit
q^′ une forme quadratique sur
E^′ .
On appelle isométrie de (E, q ) dans (
E^′, q^′ ) tout isomorphisme
f de
E dans
E^′ vérifiant : pour tout
x ∈ E, q^′(f(x)) = q(x) . On dira que (
E, q ) et (
E^′, q^′ ) sont isométriques si et seulement si il existe une isométrie de (
E, q ) dans (
E^′, q^′ ).
Montrer que (E, q ) et (
E^′, q^′ ) sont isométriques si et seulement si il existe une base
e de
E et une base
e^′ de
E^′ telles que
mat(q, e) = mat(q^′, e^′) .
I.B.3) Soitp ∈ ℕ^∗ . Notons
c = (c_1, …, c_(2p)) la base canonique de
𝕂^(2p) .
I.B.2) Soit
On appelle isométrie de (
Montrer que (
I.B.3) Soit
Pour tout
x = ∑_(i = 1)^(2p)x_i c_i ∈ 𝕂^(2p) , on pose
q_p(x) = 2∑_(i = 1)^p x_i x_(i + p) .
a) Montrer queq_p est une forme quadratique sur
IK^(2p) et calculer mat
(q_p, c) .
b) On appelle espace de Artin (ou espace artinien) de dimension2p tout couple (
F, q ), où
F est un IK -espace vectoriel de dimension
2p , et où
q est une forme quadratique sur
F telle que (
F, q ) et (
K^(2p), q_p ) sont isométriques.
Montrer que dans ce cas,q est non dégénérée.
Lorsquep = 1 , on dit que (
F, q ) est un plan artinien.
c) On suppose queIK = ℂ et pour tout
a) Montrer que
b) On appelle espace de Artin (ou espace artinien) de dimension
Montrer que dans ce cas,
Lorsque
c) On suppose que
Montrer que (
ℂ^(2p), q ) est un espace de Artin.
d) On suppose queIK = ℝ et pour tout
d) On suppose que
Montrer que (
ℝ^(2p), q^′ ) est un espace de Artin.
e)Si(F, q) est un espace de Artin de dimension
2p , montrer qu'il existe un sous-espace vectoriel
G de
F de dimension
p tel que la restriction de
q à
G est identiquement nulle.
e)
Partie II -
Pour toute la suite de ce problème, on suppose que
φ est une forme bilinéaire symétrique non dégénérée sur
E , et on note
q sa forme quadratique.
II.A -
II.A.1) Soit
e = (e_1, …, e_n) une base de
E . On note encore
e^∗ = (e_1^∗, …, e_n^∗) la base duale de
e . Soit
p ∈ {1, …, n} . On note
F l'espace engendré par
e_1, …, e_p .
a) Montrer queF^⊥ est l'image réciproque par
hdeVect(e_(p + 1)^∗, …, e_n^∗) , où
h est définie au I.A.1.
b) Montrer quedim(F) + dim(F^⊥) = n .
c) Montrer que(F^⊥)^⊥ = F .
II.A.2) SoientF et
G deux sous-espaces vectoriels de
E .
a) Montrer que(F + G)^⊥ = F^⊥ ∩ G^⊥ .
b) Montrer que(F ∩ G)^⊥ = F^⊥ + G^⊥ .
II.A.3) SoitF un sous-espace vectoriel de
E . On note
φ_F la restriction de
φ à
F^2 . On dira que
F est singulier si et seulement si
φ_F est dégénérée.
Montrer queF est non singulier si et seulement si l'une des propriétés suivantes est vérifiée :
a) Montrer que
b) Montrer que
c) Montrer que
II.A.2) Soient
a) Montrer que
b) Montrer que
II.A.3) Soit
Montrer que
-
F ∩ F^⊥ = {0} ; -
E = F ⊕ F^⊥ ; -
F^⊥ est non singulier.
II.A.4) On dit que deux sous-espaces vectorielsF etG deE sont orthogonaux si et seulement si pour tout(x, y) ∈ F × G, φ(x, y) = 0 .
SiF etG sont deux sous-espaces vectoriels deE orthogonaux et non singuliers, montrer queF ⊕ G est non singulier.
II.B - Soitq^′ une seconde forme quadratique surE dont la forme bilinéaire symétrique associée est notéeφ^′ . Comme au I.A.1, on note, pour tout(x, y) ∈ E^2 ,h(x)(y) = φ(x, y) eth^′(x)(y) = φ^′(x, y) .
Soit
e = (e_1, …, e_n) une base de
E . On dit que
e est
q -orthogonale si et seulement si, pour tout
(i, j) ∈ {1, …, n}^2 , avec
i ≠ j, φ(e_i, e_j) = 0 .
II.B.1) On suppose queE = ℝ^2 et pour tout
(x, y) ∈ ℝ^2, q(x, y) = x^2 − y^2 et
q^′(x, y) = 2xy .
Déterminer une baseq -orthogonale et une base
q^′ -orthogonale.
II.B.2) Existe-t-il une base deℝ^2 orthogonale pour
q et pour
q^′ définies à la question II.B.1 ?
II.B.3) Supposons quee est à la fois
q -orthogonale et
q^′ -orthogonale.
II.B.1) On suppose que
Déterminer une base
II.B.2) Existe-t-il une base de
II.B.3) Supposons que
Montrer que, pour tout
i ∈ {1, …, n}, e_i est un vecteur propre de
h^(− 1) ∘ h^′ .
II.B.4) On suppose queh^(− 1) ∘ h^′ admet
n valeurs propres distinctes.
II.B.4) On suppose que
Montrer qu'il existe une base de
E orthogonale à la fois pour
q et pour
q^′ .
II.C -
II.C.1) Soit
x ∈ E tel que
q(x) = 0 et tel que
x ≠ 0 .
On se propose de démontrer qu'il existe un plan
Π ⊂ E contenant
x et tel que (
Π, q_(/Π) ) soit un plan artinien (où
q_(/Π) désigne la restriction de l'application
q au plan
Π ).
a) Démontrer qu'il existez ∈ E tel que
φ(x, z) = 1
b) On posey = z − (q(z))/2x . Calculer
q(y) .
c) Conclure.
II.C.2) SoitF un sous-espace vectoriel singulier de
E . On suppose que (
e_1, …, e_s ) est une base de
F ∩ F^⊥ . On note
G un supplémentaire de
F ∩ F^⊥ dans
F .
a) Montrer queG est non singulier.
b) Démontrer par récurrence sur la dimension deF ∩ F^⊥ (en commençant par
dim(F ∩ F^⊥) = 1 , puis
dim(F ∩ F^⊥) > 1 ) qu'il existe
s plans
P_1, …, P_s de
E tels que les trois propriétés suivantes soient vérifiées :
a) Démontrer qu'il existe
b) On pose
c) Conclure.
II.C.2) Soit
a) Montrer que
b) Démontrer par récurrence sur la dimension de
- Pour tout
i ∈ {1, …, s}, (P_i, q/_(Pi)) est un plan artinien contenante_i - Pour tout
(i, j) ∈ {1, …, s}^2 aveci ≠ j, P_i est orthogonal àP_j . - Pour tout
i ∈ {1, …, s}, P_i est orthogonal àG .
II.C.3) Montrer queF¯ = G ⊕ P_1 ⊕ … ⊕ P_s est non singulier.
On dira que
F¯ est un complété non singulier de
F .
II.C.4) Montrer que siq/_F = 0 , alors
dim(F) ≤ n/2 .
II.C.5) On suppose quen = 2p . Montrer que
(E, q) est un espace de Artin si et seulement si il existe un sous-espace vectoriel
F de
E de dimension
p tel que
q/_F = 0 。
II.C.4) Montrer que si
II.C.5) On suppose que
Partie III -
On note
O(E, q) l'ensemble des isométries de (
E, q ) dans lui-même, c'est-à-dire l'ensemble des automorphismes
f de
E vérifiant :
pour toutx ∈ E, q(f(x)) = q(x) .
pour tout
III.A -
III.A.1) Soit
f un endomorphisme de
E .
a) Montrer quef ∈ O(E, q) si et seulement si, pour tout
(x, y) ∈ E^2 :
φ(f(x), f(y)) = φ(x, y) .
Montrer que siF est un sous-espace vectoriel de
E et si
f ∈ O(E, q) , alors
f(F^⊥) = (f(F))^⊥ .
b) Soite une base de
E . Calculer la matrice de la forme bilinéaire :
(x, y) ↦ φ(f(x), f(y)) en fonction de
mat(f, e) et de
mat(φ, e) .
c) PosonsM = mat(f, e) et
Ω = mat(φ, e) .
a) Montrer que
Montrer que si
b) Soit
c) Posons
Montrer que
f ∈ O(E, q) si et seulement si
Ω = ^t MΩM .
d) Montrer que sif ∈ O(E, q) , alors
det(f) ∈ {1, − 1} . On notera:
d) Montrer que si
III.A.2) Soient
F et
G deux sous-espaces vectoriels de
E tels que
E = F ⊕ G . On note
s la symétrie par rapport à
F parallèlement à
G .
a) Montrer ques ∈ O(E, q) si et seulement si
F et
G sont orthogonaux (pour
φ ).
b) En déduire que les symétries deO(E, q) sont les symétries par rapport à
F parallèlement à
F^⊥ , où
F est un sous-espace non singulier de
E .
c) LorsqueH est un hyperplan non singulier, on appellera réflexion selon
H la symétrie par rapport à
H parallèlement à
H^⊥ . Montrer que toute réflexion de
E est un élément de
O^−(E, q) .
d) Soit(x, y) ∈ E^2 tel que
q(x) = q(y) et
q(x − y) ≠ 0 .
a) Montrer que
b) En déduire que les symétries de
c) Lorsque
d) Soit
On note
s la réflexion selon
H = {x − y}^⊥ . Montrer que
s(x) = y .
III.B -
III.B.1) Supposons que
E est un espace artinien de dimension
2p et que
F est un sous-espace de
E de dimension
p tel que
q/F = 0 .
Sif ∈ O(E, q) avec
f(F) = F , montrer que
f ∈ O^+(E, q) .
III.B.2) SoitF un sous-espace de
E tel que
F¯ = E (où
F¯ est un complété non singulier de
F ). Montrer que si
f ∈ O(E, q) avec
f/_F = Id_F (où
Id_F est l'application identité de
F dans
F ), alors
f ∈ O^+(E, q) .
III.B.3) Soitf ∈ O(E, q) . On suppose que pour tout
x ∈ E tel que
q(x) ≠ 0 , on a
f(x) − x ≠ 0 et
q(f(x) − x) = 0 .
On se propose de démontrer quef ∈ O^+(E, q) et que
E est un espace de Artin.
a) Montrer quedim(E) ≥ 3 .
b) On noteV = Ker(f − Id_E) . Montrer que
q/_V = 0 .
c) Soitx ∈ E tel que
q(x) = 0 . Notons
H = {x}^⊥ . Montrer que
q/_H n'est pas identiquement nulle.
En déduire qu'il existey ∈ E tel que
q(x + y) = q(x − y) = q(y) ≠ 0 .
d) On noteU = Im(f − Id_E) . Montrer que
q/_U = 0 .
e) Montrer queU^⊥ = V = U .
f) En déduire queE est un espace de Artin et que
f ∈ O^+(E, q) .
Si
III.B.2) Soit
III.B.3) Soit
On se propose de démontrer que
a) Montrer que
b) On note
c) Soit
En déduire qu'il existe
d) On note
e) Montrer que
f) En déduire que
Partie IV -
IV.A - On souhaite démontrer le théorème de Cartan-Dieudonné, dont voici l'énoncé : «si
f ∈ O(E, q) ,
f est la composée d'au plus
n réflexions, où
n = dim(E) , en convenant que
Id_E est la composée de 0 réflexion.»
IV.A.1) Montrer le théorème de Cartan-Dieudonné lorsquen = 1 . On veut ensuite raisonner par récurrence. On suppose donc que
n > 1 et que le théorème de Cartan-Dieudonné est démontré en remplaçant
E par tout espace vectoriel de dimension
n − 1 .
IV.A.2) Conclure lorsqu'il existex ∈ E tel que
f(x) = x avec
q(x) ≠ 0 .
IV.A.3) Conclure lorsqu'il existex ∈ E tel que
q(x) ≠ 0 et
q(f(x) − x) ≠ 0 .
IV.A.4) Conclure dans les autres cas.
IV.B - On se propose de démontrer le théorème de Witt, dont voici l'énoncé : «soientF et
F^′ deux sous-espaces vectoriels de
E tels qu'il existe une isométrie
fde(F, q/_F) dans (
F^′, q/_(F^′) ) (la définition d'une isométrie a été donnée au I.B.2). Alors il existe
g ∈ O(E, q) telle que
g/_F = f.»
IV.B.1) Montrer qu'on peut se ramener au cas oùF et
F^′ sont non singuliers.
IV.B.2) On suppose queF et
F^′ sont non singuliers, avec
dim(F) = dim(F^′) = 1 . Soit
x ∈ F avec
x ≠ 0 . Posons
y = f(x) .
a) Montrer queq(x + y) ou
q(x − y) est non nul.
b) Montrer le théorème de Witt dans ce cas, en utilisant la question III.A.2-d).
IV.B.3) On suppose maintenant queF et
F^′ sont non singuliers, avec
dim(F) = dim(F^′) > 1 .
a) Montrer qu'il existeF_1 et
F_2 non singuliers, tels que
F_1 ⊥ F_2 et
F = F_1 ⊕ F_2 ,
avecdim(F_1) = dim(F) − 1 .
b) Supposons qu'il existeg ∈ O(E, q) telle que
g/_(F_1) = f/_(F_1) . Notons
F_1^′ = f(F_1) . Montrer que
f(F_2) ⊂ F_1^(′ ⊥) et que
g(F_2) ⊂ F_1^(′ ⊥) .
c) Montrer qu'il existe
IV.A.1) Montrer le théorème de Cartan-Dieudonné lorsque
IV.A.2) Conclure lorsqu'il existe
IV.A.3) Conclure lorsqu'il existe
IV.A.4) Conclure dans les autres cas.
IV.B - On se propose de démontrer le théorème de Witt, dont voici l'énoncé : «soient
IV.B.1) Montrer qu'on peut se ramener au cas où
IV.B.2) On suppose que
a) Montrer que
b) Montrer le théorème de Witt dans ce cas, en utilisant la question III.A.2-d).
IV.B.3) On suppose maintenant que
a) Montrer qu'il existe
b) Supposons qu'il existe
c) Montrer qu'il existe
d) Montrer qu'il existe
k ∈ O(E, q) telle que
k/_F = f .
IV.B.4) Démontrer le théorème de Witt.
IV.B.4) Démontrer le théorème de Witt.
- FIN - ••
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