Centrale Mathématiques 2 TSI 2016Sujet et corrigé
- Réduction des endomorphismes (valeurs propres, rayon spectral)
- Matrices orthogonales
- Suites de vecteurs et normes matricielles
- Probabilités discrètes et chaînes de Markov
- Méthodes itératives de résolution de systèmes linéaires
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Centrale, mathématiques 2, TSI 2016 : comportement asymptotique de suites définies par une matrice 3x3Afficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Sujet de mathématiques 2 du concours Centrale TSI 2016, qui étudie le comportement asymptotique d'une suite de vecteurs définie par une relation de récurrence u_(n+1) = A u_n, en fonction du rayon spectral de la matrice A. Une partie applique ce cadre à un problème de probabilités (deux personnes cherchant à se retrouver dans un labyrinthe à cinq pièces) et une autre à la méthode itérative de Jacobi pour résoudre un système linéaire.
- 1I - GénéralitésÉtudie le cas d'une matrice orthogonale, pour laquelle la suite reste bornée, puis construit un exemple de matrice à valeurs propres réelles pour laquelle la suite n'est pas bornée.
- 2II - Un exemple issu des probabilitésModélise par une matrice 3x3 la probabilité que deux personnes se retrouvent dans un labyrinthe à cinq pièces, et en déduit la loi du nombre de déplacements avant qu'elles se retrouvent.
- 3III - Rayon spectralDémontre que la suite est bornée, ou converge vers le vecteur nul, dès que le rayon spectral de A est inférieur à 1, y compris quand A n'est pas diagonalisable.
- 4IV - Méthode de JacobiApplique les résultats précédents à la résolution itérative d'un système linéaire MX=B par la méthode de Jacobi, sur deux exemples numériques.
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Notations
-
M_3(ℝ) désigne l'ensemble des matrices à coefficients réels ayant 3 lignes et 3 colonnes. -
GL_3(ℝ) désigne le sous-ensemble deM_3(ℝ) formé des matrices inversibles. -
O_3(ℝ) désigne le sous-ensemble deM_3(ℝ) formé des matrices orthogonales. -
I_3 est la matrice identité deM_3(ℝ) . - Le polynôme caractéristique d'une matrice
A deM_3(ℝ) estχ_A(X) = det(XI_3 − A) . -
M_(3, 1)(ℝ) est l'ensemble des matrices à coefficients réels ayant 3 lignes et 1 colonne. - La norme euclidienne d'un élément
u = (x; y; z) deM_(3, 1)(ℝ) , égale à√(x^2 + y^2 + z^2) , est notée‖u‖ . - On rappelle qu'une suite
(u_n)_(n ∈ ℕ) deM_(3, 1)(ℝ) est bornée s'il existe une constanteC ⩾ 0 indépendante den telle que‖u_n‖ ⩽ C pour toutn ∈ ℕ et qu'une suite(u_n)_(n ∈ ℕ) deM_(3, 1)(ℝ) converge versℓ ∈ M_(3, 1)(ℝ) silim_(n → + ∞)‖u_n − ℓ‖ = 0 . - Pour
A ∈ M_3(ℝ), Sp(A) désigne l'ensemble des valeurs propres complexes deA etρ(A) le maximum des modules des valeurs propres de A ; on appelleρ(A) le rayon spectral deA .
On a doncρ(A) = max{|λ|; λ ∈ Sp(A)} . -
T_3(ℝ) désigne l'ensemble des matricesA ∈ M_3(ℝ) qui vérifientSp(A) ⊂ ℝ (autrement dit, l'ensemble des matrices deM_3(ℝ) dont toutes les valeurs propres sont réelles).
Objectif du problème
Les quatre parties du problème sont largement indépendantes entre elles.
I Généralités
I.A - Cas des matrices orthogonales
I.A.1) Exprimer
I.A.2) À quelle condition, portant sur le vecteur
I.A.3) Que peut-on dire des valeurs propres d'une matrice
I.B - Étude d'un exemple
I.B.1) Pour quelles valeurs du paramètre
I.B.2) Pour quelles valeurs du paramètre
I.B.3) Pour tout entier
I.B.4) Déduire des deux questions précédentes qu'il existe
II Un exemple issu des probabilités
- à partir d'une pièce, chacune peut aller dans l'une ou l'autre des deux pièces voisines, les deux possibilités étant de probabilité
1/2 ; - les déplacements des deux personnes se font simultanément ;
- les choix des déplacements sont indépendants les uns des autres;
- on suppose que les deux personnes ne peuvent ni se retrouver ni se voir dans les couloirs qui relient entre elles les différentes pièces;

- les deux personnes se déplacent jusqu'à se retrouver dans une même pièce ; une fois qu'elles se sont retrouvées, elles restent ensemble lors de leurs déplacements futurs.
Pour tout entier natureln on note: -
A_n l'événement «les deux personnes sont dans la même pièce aprèsn déplacements » eta_n = P(A_n) ; -
B_n l'événement «les deux personnes sont dans des pièces voisines (par exemple les pièces 1 et 2 ou 1 et 5 ) aprèsn déplacements » etb_n = P(B_n) ; -
C_n l'événement «les deux personnes sont dans des pièces non voisines (par exemple les pièces 1 et 3 ou 1 et 4) aprèsn déplacements » etc_n = P(C_n) .
II.A - Donner les valeurs dea_0, b_0 etc_0 .
II.B - Soitn un entier naturel. Déterminer la probabilité conditionnelleP_(A_n)(A_(n + 1)) deA_(n + 1) sachantA_n . Calculer de même les probabilités conditionnellesP_(B_n)(A_(n + 1)) etP_(C_n)(A_(n + 1)) .
II.C - En déduire l'égalitéP(A_(n + 1)) = P(A_n) + 1/4P(C_n) .
II.D - Démontrer que, pour toutn ∈ ℕ, a_(n + 1) = a_n + 1/4c_n, b_(n + 1) = 3/4b_n + 1/4c_n etc_(n + 1) = 1/4b_n + 1/2c_n .
II.E - On noteu_n = (a_n; b_n; c_n) . Déterminer une matriceA telle que la relationu_(n + 1) = Au_n soit vérifiée pour toutn ∈ ℕ .
II.F - On se propose de déterminer l'expression des trois suites(a_n)_(n ∈ ℕ), (b_n)_(n ∈ ℕ) et(c_n)_(n ∈ ℕ) .
II.F.1) Montrer que la suite(b_n)_(n ∈ ℕ) vérifie la relation de récurrence linéaire d'ordre 2
II.F.3) Les suites
II.
II.G.1) Quelles sont les valeurs prises par
II.G.2) Pour
II.G.3) Donner la loi de
Calculer l'espérance de
Comment peut-on l'interpréter dans le cadre du problème du labyrinthe.
III Rayon spectral
III.A - Quelques résultats intermédiaires
III.A.1) Démontrer l'inégalité
III.A.2)
III.A.4) En introduisant
III.A.5)
a) Dans le cas où
b) Dans le cas où
III.B - Cas d'une matrice diagonalisable
III.B.1) Justifier l'égalité
III.B.2) Préciser le rayon spectral
III.B.3) Pour tout
III.B.4) Expliquer pourquoi il existe une matrice
III.B.5) En déduire que si
III.B.6) Le résultat de la question précédente est-il cohérent avec la question II.F. 3 ? Justifier la réponse.
III.B.7) Que dire de la suite
III.C - Optimalité de l'hypothèse
ρ(A) < 1 dans le cas général
III.C.2) Donner l'expression de
III.C.3) Comme précédemment, pour
Démontrer qu'il existe
III.D - Cas d'une matrice
III.D.1)
b) Exprimer le rayon spectral
III.D.2)
b) En déduire, pour tous vecteurs
III.D.3)
b) Démontrer l'inégalité
III.D.4)
b) Démontrer l'inégalité
III.D.5) Comme précédemment, pour tout vecteur
En exploitant l'hypothèse
On pourra poser
IV Méthode de Jacobi
-
X ∈ M_(3, 1)(ℝ) est un vecteur inconnu; -
M = (m_(ij))_((i, j)) est une matrice deT_3(ℝ) ∩ GL_3(ℝ) dont aucun élément diagonal n'est nul ; -
B = (α; β; γ) est un élément deM_(3, 1)(ℝ) .
Partant d'un vecteur
IV.B - Justifier l'existence et l'unicité de
IV.
IV.D - En déduire que si
IV.E - Pour chacun des deux exemples ci-dessous, calculer
IV.F - Pour chacun des deux exemples, calculer
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de mathématiques 2 de Centrale TSI 2016 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de mathématiques 2 de Centrale TSI 2016 ?
La réduction des matrices et leur rayon spectral, avec une application aux probabilités discrètes puis à la méthode itérative de Jacobi pour résoudre un système linéaire.
Les quatre parties de ce sujet de maths 2 Centrale TSI 2016 sont-elles indépendantes ?
L'énoncé les présente comme largement indépendantes, même si la partie IV réutilise le résultat général établi en partie III.
Le sujet maths 2 Centrale TSI 2016 utilise-t-il les probabilités ?
Oui, la partie II modélise par une chaîne de Markov la rencontre de deux personnes dans un labyrinthe à cinq pièces.
Quel est le fil conducteur du sujet de mathématiques 2, Centrale TSI 2016 ?
Comprendre à quelle condition, portant sur le rayon spectral d'une matrice, une suite définie par récurrence matricielle reste bornée ou converge.
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