Centrale Mathématiques 2 PC 2011Sujet, corrigé et rapport du jury
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Notations
- Dans tout le problème,
n est un entier naturel fixé, supérieur ou égal à 2 . - On note
M_(n, p)(ℝ) l'ensemble des matrices àn lignes etp colonnes et à coefficients réels. - En particulier,
M_(n, 1)(ℝ) désigne l'ensemble des matrices colonnes àn lignes et à coefficients réels. Selon l'usage, on pourra librement identifier les espaces vectorielsM_(n, 1)(ℝ) etℝ^n . - On note
M_(i, j) le coefficient sur lai -ème ligne etj -ème colonne d'une matriceM . - L'espace
M_(n, 1)(ℝ) est muni de sa structure euclidienne usuelle. En particulier, si(V, W) ∈ M_(n, 1)(ℝ)^2 , on pose
- La notation
^t M désigne la transposée d'une matriceM, rg(M) son rang et, lorsqueM est carrée,tr(M) sa trace. On rappelle quetr(AB) = tr(BA) pour toutA ∈ M_(k, l)(ℝ) etB ∈ M_(l, k)(ℝ) . - On note également
O_n(ℝ) le groupe des matrices orthogonales d'ordren, O_n^+(ℝ) le sous-groupe deO_n(ℝ) formé des matrices deO_n(ℝ) de déterminant positif etO_n^−(ℝ) l'ensemble des matrices deO_n(ℝ) de déterminant négatif. - Par définition, une rotation est un automorphisme orthogonal de l'espace
M_(n, 1)(ℝ) de déterminant 1 .
Objectif du problème
On se donne des vecteurs
X_1, …, X_m, Y_1, …, Y_m de
M_(n, 1)(ℝ) , et on cherche à déterminer, si c'est possible, une rotation
r de
M_(n, 1)(ℝ) telle que
Cela revient à déterminer une matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) réalisant
Sans hypothèse sur les vecteurs
X_i et
Y_i , une telle rotation n'a pas de raison d'exister, ni d'être unique. C'est pourquoi on s'intéressera plutôt, dans la suite, au problème plus faible suivant : trouver une matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) minimisant la quantité
∑_(i = 1)^m‖WX_i − Y_i‖_2^2 , autrement dit telle qu'en un sens les
WX_i soient «aussi proches que possible » des
Y_i .
I Questions préliminaires
I.A - Généralités sur les matrices orthogonales
I.A.1) Quel est le déterminant d'une matrice de
O_n^+(ℝ) ? de
O_n^−(ℝ) ? On justifiera les réponses.
I.A.2)O_n^−(ℝ) est-il un sous-groupe de
O_n(ℝ) ?
I.A.3) Montrer que les valeurs absolues des coefficients d'une matrice orthogonale sont inférieures ou égales à 1 .
I.A.2)
I.A.3) Montrer que les valeurs absolues des coefficients d'une matrice orthogonale sont inférieures ou égales à 1 .
I.B - Un exemple numérique
Dans cette section,
n = m = 2 . On pose
On introduit les affixes respectives des vecteurs
X_1, X_2, Y_1, Y_2 :
I.B.1) Exprimer ces affixes sous forme trigonométrique puis simplifier pour tout réel
θ la quantité
I.B.2) Déterminer les valeurs de
θ qui minimisent
f(θ) . Illustrer le résultat par un dessin.
II Un problème d'optimisation
Dans cette partie, on fixe des éléments
X_1, …, X_m, Y_1, …, Y_m de
M_(n, 1)(ℝ) , et on se propose d'obtenir une matrice
W ∈ O_n(ℝ) minimisant
∑_(i = 1)^m‖WX_i − Y_i‖_2^2 et, dans certains cas, une matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) minimisant
∑_(i = 1)^m‖WX_i − Y_i‖_2^2 .
Dans toute cette partie, on noteX (respectivement
Y ) la matrice de
M_(n, m)(ℝ) dont les colonnes sont
X_1, …, X_m (respectivement
Y_1, …, Y_m ).
Dans toute cette partie, on note
II.A - Un produit scalaire matriciel
II.A.1) Montrer que l'application
est un produit scalaire sur
M_(n, m)(ℝ) . On pose désormais
II.A.2) Montrer que, pour toute matrice
W ∈ M_n(ℝ) , on a
II.A.3) Simplifier
⟨WM, WN⟩_F et
‖WM‖_F pour
W ∈ O_n(ℝ) et
(M, N) ∈ M_(n, m)(ℝ)^2 .
II.A.4) Simplifier aussi⟨MW, NW⟩_F et
‖MW‖_F pour
W ∈ O_m(ℝ) et
(M, N) ∈ M_(n, m)(ℝ)^2 .
II.B - Dans cette section, on suppose quem = n .
II.B.1) Calculer‖W‖_F pour
W ∈ O_n(ℝ) .
II.B.2) Montrer que si une suite(M_k)_(k ∈ ℕ) d'éléments de
O_n(ℝ) converge vers
M ∈ M_n(ℝ) , alors
M ∈ O_n(ℝ) et en déduire que
O_n(ℝ) est une partie fermée de
M_n(ℝ) .
II.B.3) Montrer queO_n(ℝ) est une partie compacte de
M_n(ℝ) .
II.C - Dans cette section,m et
n ne sont plus supposés égaux.
II.C.1) Justifier l'existence d'une matriceW ∈ O_n(ℝ) minimisant
‖WX − Y‖_F^2 , c'est-à-dire vérifiant
II.A.4) Simplifier aussi
II.B - Dans cette section, on suppose que
II.B.1) Calculer
II.B.2) Montrer que si une suite
II.B.3) Montrer que
II.C - Dans cette section,
II.C.1) Justifier l'existence d'une matrice
II.C.2) Montrer que les matrices
W ∈ O_n(ℝ) minimisant
‖WX − Y‖_F^2 sont les matrices
W ∈ O_n(ℝ) maximisant
⟨WX, Y⟩_F .
II.C.3) Déterminer à l'aide deX et
Y une matrice
A ∈ M_n(ℝ) telle que, pour toute matrice
W ∈ O_n(ℝ) ,
II.C.3) Déterminer à l'aide de
II.D - Dans cette section,
Δ désigne une matrice diagonale d'ordre
n à coefficients positifs.
II.D.1) Déterminer une matriceW^′ ∈ O_n(ℝ) maximisant
⟨W^′, Δ⟩_F .
II.D.2) On suppose de plus que les coefficients diagonaux de la matriceΔ vérifient :
II.D.1) Déterminer une matrice
II.D.2) On suppose de plus que les coefficients diagonaux de la matrice
(avec éventuellement
r = n dans le cas où tous les coefficients diagonaux de
Δ sont non nuls). Déterminer toutes les matrices
W^′ ∈ O_n(ℝ) maximisant
⟨W^′, Δ⟩_F .
II.E - Dans cette section, on admet queA peut s'écrire sous la forme
QΔ(^t P) avec
(Q, P) ∈ O_n(ℝ)^2 et
Δ ∈ M_n(ℝ) diagonale avec des coefficients diagonaux vérifiant
Δ_(1, 1) ⩾ … ⩾ Δ_(n, n) ⩾ 0 . Ce résultat sera démontré dans la partie III.
II.E.1) Déterminer à l'aide deP et
Q une matrice
W ∈ O_n(ℝ) maximisant
⟨W, A⟩_F , et appartenant à
O_n^+(ℝ) si et seulement si
detP ⋅ detQ > 0 .
II.E.2) Montrer que sidetA > 0 , il existe une unique matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) maximisant
⟨W, A⟩_F , au sens où
II.E - Dans cette section, on admet que
II.E.1) Déterminer à l'aide de
II.E.2) Montrer que si
II.E.3) Dans cette question, on suppose que
Δ_(n, n) = 0 . Déterminer une matrice
W^′ ∈ O_n^−(ℝ) maximisant
⟨W^′, Δ⟩_F .
II.E.4) Dans cette question, on suppose quedetA = 0 et que
detP ⋅ detQ < 0 . Déduire de la question précédente une matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) maximisant
⟨W, A⟩_F .
II.E.4) Dans cette question, on suppose que
III Une décomposition matricielle
L'objectif de cette partie est d'établir le résultat admis dans la partie précédente.
SoitM ∈ M_(n, p)(ℝ) de rang
r ⩾ 1 .
III.A - SoitB = (^t M)M .
III.A.1) Montrer queB est une matrice symétrique réelle. Que peut-on en déduire ?
III.A.2) Montrer queB est positive, c'est-à-dire que pour tout
V ∈ M_(p, 1)(ℝ), (^t V)BV ⩾ 0 . En déduire que les valeurs propres de
B sont positives.
III.A.3) Montrer quekerB = kerM . En déduire que
rg(B) = r . (
M étant une matrice de
M_(n, p)(ℝ) , on pose
kerM = {X ∈ M_(p, 1)(ℝ), MX = 0} .)
III.B - Dans la suite de cette partie, on note:
Soit
III.A - Soit
III.A.1) Montrer que
III.A.2) Montrer que
III.A.3) Montrer que
III.B - Dans la suite de cette partie, on note:
-
f l'application linéaire deℝ^p dansℝ^n canoniquement associée àM , -
g l'endomorphisme deℝ^p canoniquement associé àB , -
λ_1, …, λ_p les valeurs propres (distinctes ou non) deg rangées par ordre décroissant:
- et enfin
(v_1, …, v_p) une base orthonormée deℝ^p formée de vecteurs propres deg associés respectivement aux valeurs propresλ_1, …, λ_p .
III.B.1) On poseμ_i = √(λ_i) pour1 ⩽ i ⩽ p etu_i = 1/(μ_i)f(v_i) pour1 ⩽ i ⩽ r . Montrer que (u_1, …, u_r ) est une base orthonormée deIm(f) .
III.B.2) SoitΔ = (Δ_(i, j)) ∈ M_(n, p)(ℝ) la matrice dont les seuls coefficients non nuls sontΔ_(1, 1), …, Δ_(r, r) qui valentμ_1, …, μ_r . Montrer qu'il existeQ ∈ O_n(ℝ) etP ∈ O_p(ℝ) telles que
IV Sur la trace des matrices orthogonales
Dans cette partie, on étudie la trace maximale d'une matrice de
O_n^−(ℝ) , ce qui va permettre d'aboutir dans les cas laissés en suspens dans la partie II à une matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) minimisant
∑_(i = 1)^m‖WX_i − Y_i‖_2^2 .
IV.A -
IV.A.1) Déterminer la trace maximale d'une matrice de
O_n(ℝ) .
IV.A.2) SoitE un espace vectoriel euclidien, et
w un automorphisme orthogonal de
E . Justifier que les seules valeurs propres possibles pour
w sont 1 et -1 .
IV.A.3) Montrer que -1 est valeur propre de toute matriceW ∈ O_n^−(ℝ) .
IV.A.4) Montrer que siF est un sous-espace vectoriel d'un espace vectoriel euclidien
E , stable par un automorphisme orthogonal
w de
E , alors l'orthogonal de
F est aussi stable par
w .
IV.A.5) Montrer que pour toutW ∈ O_n^−(ℝ) , il existe
P_1 ∈ O_n(ℝ) et
W_1 ∈ O_(n − 1)^+(ℝ) tels que
IV.A.2) Soit
IV.A.3) Montrer que -1 est valeur propre de toute matrice
IV.A.4) Montrer que si
IV.A.5) Montrer que pour tout
où
0_(k, l) désigne la matrice nulle dans
M_(k, l)(ℝ) .
IV.A.6) Conclure sur la trace maximale d'une matrice deO_n^−(ℝ) .
IV.B − On rappelle que minimiser ∑_(i = 1)^m‖WX_i − Y_i‖_2^2 revient à maximiser
⟨W, A⟩_F avec
A ∈ M_n(ℝ) une certaine matrice qui peut s'écrire sous la forme
QΔ(^t P) avec
(P, Q) ∈ O_n(ℝ)^2 et
Δ ∈ M_n(ℝ) diagonale, à coefficients diagonaux vérifiant
IV.A.6) Conclure sur la trace maximale d'une matrice de
IV.B.1) Déterminer une matrice
W^′ ∈ O_n^−(ℝ) maximisant
⟨W^′, Δ⟩_F en commençant par écrire
⟨W^′, Δ⟩_F à l'aide de
tr(W^′) et des coefficients
W_(i, i)^′ , pour
1 ⩽ i ⩽ n − 1 .
IV.B.2) En déduire, lorsquedetP ⋅ detQ < 0 , une matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) maximisant
⟨W, A⟩_F .
IV.B.2) En déduire, lorsque
V Calcul numérique
Dans cette partie, on étudie un algorithme permettant de calculer de manière approchée une matrice
W ∈ O_n^+(ℝ) minimisant
∑_(i = 1)^m‖WX_i − Y_i‖_2^2 pour certaines matrices
Y .
V.A - Étude d'une suite de réels
On considère
E l'ensemble des suites
(x_k)_(k ∈ ℕ) de réels vérifiant :
V.A.1) Écrire une instruction en Maple ou Mathematica permettant de calculer les trente premiers termes de la suite
(x_k)_(k ∈ ℕ) ∈ E telle que
x_0 = 0, 1 .
V.A.2) Représenter graphiquement le comportement d'une suite(x_k)_(k ∈ ℕ) ∈ E pour un
x_0 > 0 quelconque. On effectuera les calculs nécessaires à une représentation soignée.
V.A.3) Démontrer la convergence d'une telle suite et préciser sa limite.
V.A.2) Représenter graphiquement le comportement d'une suite
V.A.3) Démontrer la convergence d'une telle suite et préciser sa limite.
V.B - Étude d'une suite de matrices
On considère
F l'ensemble des suites
(Z_k)_(k ∈ ℕ) de matrices de
M_n(ℝ) vérifiant les deux conditions suivantes :
i.Z_0 est inversible ;
ii.Z_(k + 1) = Z_k(^t Z_k Z_k + 3I_n)(3^t Z_k Z_k + I_n)^(− 1) pour
k ∈ ℕ(I_n désigne la matrice identité d'ordre
n) .
V.B.1) Montrer que pour toute matriceZ ∈ M_n(ℝ) , la matrice
3^t ZZ + I_n est bien inversible.
V.B.2) Soit(Z_k)_(k ∈ ℕ) ∈ F . D'après la deuxième partie,
Z_0 peut s'écrire sous la forme
QD(^t P) avec
(Q, P) ∈ O_n(ℝ)^2 et
D ∈ M_n(ℝ) diagonale à coefficients diagonaux strictement positifs. On définit, pour tout
k ∈ ℕ , l'assertion
P_k ainsi: «
Z_k peut s'écrire sous la forme
QD_k(^t P) avec
D_k diagonale à coefficients diagonaux strictement positifs
» . Montrer que pour tout
k ∈ ℕ, P_k est vraie.
V.B.3) Déterminer la limite de la suite(Z_k)_(k ∈ ℕ) .
i.
ii.
V.B.1) Montrer que pour toute matrice
V.B.2) Soit
V.B.3) Déterminer la limite de la suite
V.C - Une application
On fixe
X_1, …, X_m des éléments de
M_(n, 1)(ℝ) , et on note
X la matrice de
M_(n, m)(ℝ) dont les colonnes sont
X_1, …, X_m . On fixe également
W_0 ∈ O_n^+(ℝ) , et on pose
Y_0 = W_0 X . On suppose de plus la matrice
X de rang
n .
V.C.1) Montrer qu'il existe un ouvertU de
M_(n, m)(ℝ) contenant
Y_0 tel que pour tout
Y ∈ U , l'on ait
det(Y(^t X)) > 0 .
V.C.2) Dans le cas oùY ∈ U , quelle valeur donner à
Z_0 pour que la suite
(Z_k)_(k ∈ ℕ) ∈ F converge vers
W ∈ O_n^+(ℝ) minimisant
∑_(i = 1)^m‖WX_i − Y_i‖_2^2 ?
V.C.1) Montrer qu'il existe un ouvert
V.C.2) Dans le cas où
Pas de description pour le moment
