ENS Mathématiques C MP 2014Sujet et corrigé
- Matrices symétriques définies positives
- Espaces euclidiens et normes associées à une matrice
- Réseaux entiers et bases du réseau Z²
- Intégrales à paramètre et valeur moyenne
- Continuité et fonctions de plusieurs variables
- Aires et changement de variables linéaire
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- Rapport du jury : non disponible
Présentation du sujet
Minima de Minkowski et géométrie des nombres pour les réseaux du planAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet étudie les minima de Minkowski d'une matrice symétrique définie positive de taille 2, qui mesurent la longueur des plus courts vecteurs non colinéaires du réseau Z² pour une norme associée à cette matrice. Il encadre ces minima, majore et minore leur produit à l'aide d'arguments d'aires, puis étudie leur valeur moyenne lorsque la matrice est conjuguée par des rotations, avant de borner la norme euclidienne des vecteurs d'une base réduite du réseau.
- 1Partie A : préliminairesÉtude de la norme et du produit scalaire associés à une matrice symétrique définie positive M, et encadrement des minima de Minkowski par les racines carrées des valeurs propres de M.
- 2Partie B : produit des minima de MinkowskiCaractérisation des bases du réseau Z², existence et propriétés d'une base M-réduite, et encadrement du produit des deux minima de Minkowski par des arguments d'aires de parallélogrammes.
- 3Partie C : valeur moyenne des minima de MinkowskiÉtude de la continuité des minima de Minkowski, définition de leur valeur moyenne lorsque M est conjuguée par une rotation d'angle theta, et encadrement de cette valeur moyenne à l'aide d'une estimation d'intégrale sur les points entiers du plan.
- 4Partie D : norme euclidienne des éléments d'une base réduiteÉtablissement de bornes uniformes puis d'une borne supérieure en moyenne pour la norme euclidienne des vecteurs d'une base M-réduite, en fonction du conditionnement de M.
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ÉCOLES NORMALES SUPÉRIEURES
COMPOSITION DE MATHÉMATIQUES C - (ULCR)
L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve.
Si le candidat ne parvient pas à établir le résultat annoncé dans une question, il peut néanmoins l'admettre et l'utiliser dans les questions suivantes, en l'indiquant clairement.(On prêtera en particulier attention au dernier résultat de chaque sous section.)
Minima de Minkowski
Introduction et notations
A Préliminaires.
I. Etude de la norme et du produit scalaire associés à
M .
- Montrer qu'il existe une matrice inversible
A ∈ M_2(ℝ) , telle que^t AA = M .
2. Montrer que
3. Montrer que l'application
4. Montrer que, pour tout
- Montrer que
B¯(r) est l'image deB¯_M(r) par l'application linéaire associée à la matriceA . En déduire que
II. Encadrement des minima de Minkowski.
- Montrer que
μ_1(M) ≤ λ_1(M) . - En choisissant judicieusement la paire (
u, v ), montrer queλ_2(M) ≤ μ_2(M) . - En déduire que
- Montrer que, si
M est diagonale, alorsμ_1(M) = λ_1(M) , etλ_2(M) = μ_2(M) . - Montrer que les infimums définissant
λ_1(M) etλ_2(M) sont atteints.
B Produit des minima de Minkowski.
I. Caractérisation des bases de
ℤ^2 .
- Supposons que
(u, v) est une base deℤ^2 .
(a) Montrer que la matrice[u, v] est inversible, et que les coefficients de son inverse sont entiers.
(b) Montrer que pour toutz ∈ ℤ^2 , il existeα, β ∈ ℤ tels quez = αu + βv . - Soient
u, v ∈ ℤ^2 , tels que pour toutz ∈ ℤ^2 il existe des entiersα, β ∈ ℤ tels quez = αu + βv . Montrer que(u, v) est une base du réseauℤ^2 .
II. Définition et existence d'une base
M -réduite.
- Montrer qu'il existe
u, v ∈ ℤ^2 , tels queDet(u, v) ≠ 0, ‖u‖_M = λ_1(M) , et‖v‖_M = λ_2(M) . - Soient
u, v ∈ ℤ^2 des vecteurs satisfaisant les conditions de la question II.1. ci dessus. Nous souhaitons montrer que (u, v ) est une base du réseauℤ^2 . Pour cela, nous supposons par l'absurde qu'il existez ∈ ℤ^2 dont la décompositionz = αu + βv sur la base (u, v ) deℝ^2 , fait intervenir au moins un coefficient non entier,α ouβ .
(a) Montrer qu'il existez^′ ∈ ℤ^2∖{0} , etα^′, β^′ ∈ ℝ , tels que
(c) Conclure à une contradiction. En déduire que
III. Propriétés géométriques.
- Soient
a, b ∈ ℝ^2 , formant une famille libre, et soitT le triangle de sommetsa, b et 0 (l'origine). ExprimerAire(T) en fonctiondeDet(a, b) . - Montrer que
- Montrer que
Q ⊂ B¯_M(1) . En déduire que
- (a) Montrer que
‖v − u‖_M ≥ ‖v‖_M et‖v + u‖_M ≥ ‖v‖_M .
(b) Montrer que|⟨u^′, v^′⟩_M| ≤ 1/2 .
(c) Soientα, β ∈ ℝ tels que|α| + |β| ≥ 1 . Montrer queα^2 + β^2 − |αβ| ≥ 1/4 . En déduire que
C Valeur moyenne des minima de Minkowski.
I. Continuité des minima de Minkowski.
- Soit
M^′ ∈ S_2^(+ +) , et soit
2. Avec les notations de la question précédente, toujours sous l'hypothèse
- Montrer que les minima de Minkowski
λ_1 etλ_2 définissent des fonctions continues surS_2^(+ +) . - En déduire que les valeurs moyennes suivantes sont bien définies
- Montrer que
- Montrer que
II. Estimation d'une intégrale.
- Soit
z ∈ Z , fixé dans cette série de questions. Montrer que
- Soit
θ ∈ [0, π/2] . Montrer quesin(θ) ≥ 2θ/π , puis en déduire que
3. On définit une fonction
4. Montrer que, pour
III. Valeur moyenne de l'inverse du premier minimum de Minkowski.
- Soit
θ ∈ [0, 2π] , fixé. Montrer queλ_1(^t R_θ MR_θ) = min{‖R_θ z‖_M; z ∈ Z} .
(Indication : utiliser (1).) En déduire que
- Déduire de la question précédente que
- Pour tout entier
k ≥ 1 , on noteZ_k:={(x, y) ∈ ℤ^2; max(|x|, |y|) = k} .
(a) Montrer queZ est inclus dans la réunion des(Z_k)_(1 ≤ k ≤ 2μ) .
(b) Montrer que
(c) Montrer qu'il existe une constante
(d) Etablir que
- Conclure que, pour des constantes positives
c_1, c_2 que l'on précisera,
- Montrer que le résultat précédent est valable pour toute matrice
M ∈ S_2^(+ +) (pas forcément de la forme (2)). - Comparer les estimations des questions A.II. 3 et C.III.4, et interpréter la figure 1 .

D Norme euclidienne des éléments d'une base réduite
I. Bornes uniformes.
- Soit
M ∈ S_2^(+ +) et soit(u, v) une baseM -réduite du réseauℤ^2 . Montrer que
- Dans ces deux questions, on se donne un entier
μ ≥ 1 . On considère
(b) Montrer que
II. Borne supérieure en moyenne.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de maths C ENS MP 2014 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de maths C ENS MP 2014 ?
Il porte sur les matrices symétriques définies positives, les espaces euclidiens, l'étude de réseaux entiers du plan et les intégrales à paramètre.
Quelles parties du sujet ENS maths C MP 2014 sont indépendantes ?
Les parties s'enchaînent : la partie A introduit les outils utilisés dans les parties B, C et D, qui portent successivement sur le produit, la valeur moyenne, puis la norme des vecteurs d'une base réduite des minima de Minkowski.
Que sont les minima de Minkowski étudiés dans ce sujet ?
Ce sont les longueurs, pour une norme associée à une matrice symétrique définie positive, du plus court vecteur non nul du réseau Z², puis du plus court vecteur formant avec lui une famille libre.
Ce sujet ENS MP 2014 relève-t-il de la géométrie des nombres ?
Oui, il porte sur la géométrie des nombres à travers l'étude des réseaux entiers, de leurs bases réduites et des minima de Minkowski associés à une matrice symétrique définie positive.
Pas de description pour le moment
