Centrale Mathématiques 2 PC 2005Sujet, corrigé et rapport du jury
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MATHÉMATIQUES II
Soit
n un entier naturel supérieur ou égal à 2 . Soit
A une matrice carrée d'ordre
n , dont les coefficients sont des entiers naturels. On note
a_(ij) le coefficient de
A appartenant à la
i -ème ligne et à la
j -ème colonne de
A .
On suppose queA est symétrique et que les coefficients de la diagonale principale de
A sont égaux à 1 .
On désigne parM la matrice réelle, carrée, d'ordre
n , de coefficient
m_(ij) , définie par:
On suppose que
On désigne par
On remarque que
M est symétrique et que les coefficients de sa diagonale principale valent 1.
SoitE un espace vectoriel réel de dimension
n et
ℬ = (e_k)_(1 ≤ k ≤ n) une base donnée de
E .
Pour chaque entieri compris entre 1 et
n , on désigne par
σ_i l'endomorphisme de
E caractérisé par :
Soit
Pour chaque entier
On note
τ l'endomorphisme de
E donné par:
où o désigne la composition des applications.
On désigne parS_i et
T les matrices associées aux endomorphismes
σ_i et
τ dans la base
ℬ et par
I la matrice unité d'ordre
n associé à l'identité (notée
Id ).
On désigne par
Partie I - Étude du cas
n = 2
Dans cette partie I, on suppose
n = 2 et on pose:
I.A -
I.A.1) Expliciter
M en fonction de
m puis en fonction de
a .
I.A.2) Donner en fonction dem les matrices
S_1, S_2 et
T .
I.A.2) Donner en fonction de
Filière PC
I.B - On suppose dans cette question I.B que
a ∈ {0, 1} et donc que
|m| = 1 .
I.B.1) Déterminer les valeurs propres et les vecteurs propres deτ
I.B.2) La matriceT est-elle diagonalisable ? (Justifier la réponse).
I.B.3) Diagonaliser ou trigonaliser, si possible, la matriceT .
I.B.4) Montrer queτ est d'ordre infini (c'est à dire qu'il n'existe pas d'entier naturel strictement positif
k tel que
τ^k = Id , où
τ^k = τ ∘ τ ∘ …τ désigne la puissance
k -ième de
τ pour la loi de composition).
I.C - On suppose dans cette question I.C, quea est supérieur ou égal à 2 , et donc que
|m| < 1 .
On définit la forme bilinéaireφ sur
E × E par:
I.B.1) Déterminer les valeurs propres et les vecteurs propres de
I.B.2) La matrice
I.B.3) Diagonaliser ou trigonaliser, si possible, la matrice
I.B.4) Montrer que
I.C - On suppose dans cette question I.C, que
On définit la forme bilinéaire
I.C.1) Montrer que
φ est un produit scalaire.
Muni de ce produit scalaire,
E est un plan euclidien, que nous noterons aussi
E .
I.C.2) Pour quelle valeur dea la base
ℬ est-elle orthonormale?
I.C.3) Montrer que les sous-espaces propres deσ_1 sont orthogonaux.
I.C.4) Montrer queσ_1 et
σ_2 sont des symétries orthogonales en précisant par rapport à quelles droites vectorielles.
I.C.5) Montrer queτ est une rotation et déterminer une mesure en radians de l'angle de cette rotation, en supposant la base
ℬ directe.
I.C.6) En déduire queτ est d'ordre
a , c'est-à-dire que
a est le plus petit entier strictement positif
k tel que
τ^k = Id .
I.D - On suppose dans cette question quea ∈ {2, 3, 4, 6} .
I.D.1) Dans chacun des casa = 2, 3, 4, 6 , déterminer un réel
μ_a, 1 ≤ μ_a < 2 , tel que les matrices associées à
σ_1 et
σ_2 relativement à la base (
e_1, μ_a e_2 ), aient tous leurs coefficients dans
ℤ .
I.D.2) Dans chacun des casa = 2, 3, 4, 6 , faire une figure soignée où l'on indiquera
e_1 et
f_2 = μ_a e_2 , ainsi que leurs images par
σ_1 et
σ_2 . On représentera le plan euclidien
E de façon usuelle, c'est-à-dire que des vecteurs orthogonaux seront représentés par des flèches perpendiculaires et des vecteurs de même norme par des flèches de même longueur.
I.C.2) Pour quelle valeur de
I.C.3) Montrer que les sous-espaces propres de
I.C.4) Montrer que
I.C.5) Montrer que
I.C.6) En déduire que
I.D - On suppose dans cette question que
I.D.1) Dans chacun des cas
I.D.2) Dans chacun des cas
Partie II - Étude du cas général
Dans cette partie
n désigne un entier quelconque supérieur ou égal à 2 .
II.A -
II.A.1)
a) Pouri compris entre 1 et
n , calculer
σ_i(e_i) .
b) Exprimerσ_i^2 = σ_i ∘ σ_i en fonction de l'identité.
c) Montrer queE = Ker(σ_i − Id) ⊕ Ker(σ_i + Id) .
II.A.2) On poseε_1 = e_1 et, pour tout
k ∈ {2, …, n}, ε_k = σ_1 ∘ σ_2…σ_(k − 1)(e_k) .
a) Montrer par récurrence suri < k , que, pour tout
k ∈ {2, …, n} , on a :
a) Pour
b) Exprimer
c) Montrer que
II.A.2) On pose
a) Montrer par récurrence sur
b) Vérifier que la famille
ℱ = (ε_i)_(1 ≤ i ≤ n) est une base de
E .
II.A.3)
a) Exprimerτ(e_n) en fonction de
ε_n .
b) Montrer que pour toutk ∈ {1, 2, …, n − 1} on a :
II.A.3)
a) Exprimer
b) Montrer que pour tout
II.A.4) Soit
C la matrice carrée d'ordre
n , triangulaire supérieure, dont les coefficients
c_(ij) sont donnés par:
On notera
^t C la matrice transposée de la matrice
C .
On désigne parP la matrice de passage de la base
ℬ à la base
ℱ .
a) ExprimerP^(− 1) en fonction de
C .
b) Montrer que :
On désigne par
a) Exprimer
b) Montrer que :
c) En déduire que, pour tout
λ ∈ ℝ , on a :
II.B - Soient
i, j vérifiant :
1 ≤ i ≤ n, 1 ≤ j ≤ n, i ≠ j ; on note
E_(ij) le sous-espace vectoriel de
E engendré par
e_i et
e_j .
II.B.1)
a) Montrer quedimE_(ij) = 2 .
b) Montrer queE_(ij) est stable par
σ_i, σ_j, σ_i ∘ σ_j et
σ_j ∘ σ_i .
II.B.1)
a) Montrer que
b) Montrer que
On note
π_(ij) et
π_(ji) les restrictions de
σ_i ∘ σ_j et
σ_j ∘ σ_i à
E_(ij) .
c) Donner les matricesΠ_(ij) et
Π_(ji) associées à
π_(ij) et
π_(ji) relativement à la base (
e_i, e_j ) de
E_(ij) .
d) Vérifier queΠ_(ij) et
Π_(ji) sont inverses l'une de l'autre. Pouvait-on prévoir ce résultat?
II.B.2)
a) Montrer que, si pour tousi et
j on a
a_(ij) ∈ {0, 1} , alors
π_(ij) et
π_(ji) sont d'ordre infini.
b) Quels sont les ordres deπ_(ij) et
π_(ji) lorsque
a_(ij) ≥ 2 ?
II.C - On suppose dans cette section que :
i)n ≥ 3
ii)a_(ij) = 2 pour
1 < |i − j| < n − 1
iii){a_(12), a_(23), …, a_((n − 1)n), a_(n1)} ⊂ {3, 4, 6} .
c) Donner les matrices
d) Vérifier que
II.B.2)
a) Montrer que, si pour tous
b) Quels sont les ordres de
II.C - On suppose dans cette section que :
i)
ii)
iii)
On pose
β_n = 2m_(1n) et
β_i = 2m_(i(i + 1)) pour
i ∈ {1, 2, …, n − 1} .
On désigne parp (resp.
q ) le nombre de couples
(i, j), i < j , tels que
a_(ij) = 4( resp.
a_(ij) = 6) .
II.C.1) Montrer que sip et
q sont pairs, alors il existe un
n -uplet de réels
(v_1, v_2, …, v_n) tel que les matrices de tous les
σ_k , pour
k ∈ {1, 2, …, n} , relativement à la base (
v_1 e_1, v_2 e_2, …, v_n e_n ), ont leurs coefficients dans
ℤ .
II.C.2)det(λI − T) est un polynôme réel en
λ , de degré
n , que l'on écrira
det(λI − T) = ∑α_k λ^k .
a) Justifier queα_n = 1 et
α_(n − 1) = − trT , où tr
T désigne la trace de
T .
b) Calculer, pourn = 3, det(λI − T) en fonction de
λ, β_1, β_2 et
β_3 .
c) Montrer que
On désigne par
II.C.1) Montrer que si
II.C.2)
a) Justifier que
b) Calculer, pour
c) Montrer que
(on pourra utiliser la question II.A. 4 et démontrer la relation par récurrence sur
n) .
II.C.3)
a) Montrer que, s'il existe une base deE dans laquelle toutes les matrices des
σ_k ont tous leurs coefficients entiers, alors la trace de
τ est un entier.
b) Montrer que sip est impair ou
q est impair, alors la trace de
τ est irrationnelle.
c) Montrer qu'il existe une base deE dans laquelle les matrices de tous les
σ_k ont tous leurs coefficients entiers si et seulement si
p et
q sont pairs.
II.C.3)
a) Montrer que, s'il existe une base de
b) Montrer que si
c) Montrer qu'il existe une base de
Partie III - Un exemple dans le cas de
n = 3
On suppose dans cette partie que
n = 3 et que :
III.A - Peut-on trouver une base de
E dans laquelle les matrices de
σ_1, σ_2 et
σ_3 ont tous leurs coefficients entiers?
III.B - On définit la forme bilinéaireΦ sur
E × E par :
III.B - On définit la forme bilinéaire
pour tous
x_1, x_2, x_3, y_1, y_2, y_3 réels.
III.B.1) Vérifier queΦ est un produit scalaire.
III.B.1) Vérifier que
On considérera donc
E comme un espace vectoriel euclidien muni de ce produit scalaire.
III.B.2) Donner une équation cartésienne de l'orthogonal, pourΦ , du vecteur
ae_1 + be_2 + ce_3 en fonction de
a, b, c .
III.B.2) Donner une équation cartésienne de l'orthogonal, pour
III.C -
III.C.1) Pour
i ∈ {1, 2, 3} , déterminer les sous-espaces
F_i = Ker(σ_i − Id) et
G_i = Ker(σ_i + Id) .
III.C.2) En déduire que lesσ_i, i ∈ {1, 2, 3} , sont des symétries orthogonales par rapport à des plans (ou réflexions) de
E .
III.D - Montrer que lesσ_i ∘ σ_j , pour
1 ≤ i, j ≤ 3 , sont des rotations et les caractériser.
III.C.2) En déduire que les
III.D - Montrer que les
III.E -
III.E.1) Que peut-on dire de
τ = σ_1 ∘ σ_2 ∘ σ_3 ?
III.E.2) Déterminer la matriceT .
III.E.2) Déterminer la matrice
Déterminer un vecteur non nul
u de norme 1 tel que
τ(u) = − u , puis une base directe de
E , de premier vecteur
u , orthonormale pour
Φ, 𝒟 = (u, v, w) .
III.E.3) Montrer queτ est la composée d'une rotation d'axe
ℝu , dont on précisera l'angle et de la symétrie orthogonale par rapport au plan
(ℝu)^⊥ .
Donner l'ordre de la matriceT , c'est-à-dire le plus petit entier
k > 0 tel que
T^k = I .
III.E.3) Montrer que
Donner l'ordre de la matrice
FIN •••
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