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Soit nn un entier naturel tel que n2n \geqslant 2. On considère la matrice AMn(R)A \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{R}) définie par :

A=(01(0)101(0)10)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & & (0)
1 & 0 & \ddots &
& \ddots & \ddots & 1
(0) & & 1 & 0 \end{pmatrix}
Autrement dit, les coefficients ai,ja_{i,j} de AA sont nuls, sauf si ij=1|i-j|=1, auquel cas ai,j=1a_{i,j}=1.

  1. Déterminer les valeurs propres et les vecteurs propres de AA. On pourra introduire une suite récurrente linéaire d'ordre 2 et chercher les valeurs propres sous la forme 2cosθ2\cos\theta avec θ]0,π[\theta \in ]0, \pi[.
  2. Justifier que la matrice AA est diagonalisable.
  3. On note PP la matrice de passage dont les colonnes sont les vecteurs propres trouvés précédemment. En calculant le produit tPP{}^t P P, déterminer l'inverse P1P^{-1}.

1.

Traduire l'équation AX=λXAX = \lambda X en un système d'équations sur les composantes de X=(x1,,xn)X = (x_1, \dots, x_n).

2.

Poser des conditions de bord fictives x0=0x_0 = 0 et xn+1=0x_{n+1} = 0 pour obtenir une relation de récurrence uniforme.

3.

Pour le calcul de tPP{}^t P P, utiliser les formules de linéarisation des produits de sinus et les sommes de racines de l'unité (ou sommes de cosinus).

Idées clés

Modélisation par une relation de récurrence linéaire à coefficients constants.

Utilisation des conditions aux limites pour quantifier les valeurs de l'argument θ\theta.

Exploitation de la symétrie de la matrice pour la diagonalisabilité et l'orthogonalité (à un facteur près) de la base de vecteurs propres.

Résolution.

  1. Soit λR\lambda \in \mathbb{R} une valeur propre de AA et X=(x1xn)Mn,1(R){0}X = \begin{pmatrix} x_1
    \vdots
    x_n \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R}) \setminus \{0\}
    un vecteur propre associé. L'égalité AX=λXAX = \lambda X est équivalente au système :
    {x2=λx1xk1+xk+1=λxkpour 2kn1xn1=λxn\left\{ \begin{array}{l} x_2 = \lambda x_1
    x_{k-1} + x_{k+1} = \lambda x_k   \text{pour } 2 \le k \le n-1
    x_{n-1} = \lambda x_n \end{array} \right.
    Pour unifier ces relations, on introduit x0=0x_0 = 0 et xn+1=0x_{n+1} = 0. Le système devient :
    k{1,,n},xk+1λxk+xk1=0\forall k \in \{1, \dots, n\},   x_{k+1} - \lambda x_k + x_{k-1} = 0
    L'équation caractéristique associée à cette récurrence est r2λr+1=0r^2 - \lambda r + 1 = 0. Le discriminant est Δ=λ24\Delta = \lambda^2 - 4. Si λ<2|\lambda| < 2, on peut poser λ=2cosθ\lambda = 2\cos\theta avec θ]0,π[\theta \in ]0, \pi[. Les racines sont alors eiθe^{i\theta} et eiθe^{-i\theta}. Il existe donc (A,B)C2(A, B) \in \mathbb{C}^2 tels que pour tout k{0,,n+1}k \in \{0, \dots, n+1\} :
    xk=Aeikθ+Beikθx_k = A e^{ik\theta} + B e^{-ik\theta}
    La condition x0=0x_0 = 0 impose A+B=0A + B = 0, soit B=AB = -A. D'où xk=2iAsin(kθ)x_k = 2iA \sin(k\theta). Comme X0X \neq 0, on a A0A \neq 0. La condition xn+1=0x_{n+1} = 0 donne alors sin((n+1)θ)=0\sin((n+1)\theta) = 0. Ceci implique (n+1)θ=jπ(n+1)\theta = j\pi avec jZj \in \mathbb{Z}. Pour avoir θ]0,π[\theta \in ]0, \pi[, on doit prendre j{1,,n}j \in \{1, \dots, n\}. On obtient ainsi nn valeurs propres distinctes :
    λj=2cos(jπn+1),j{1,,n}\boxed{\lambda_j = 2\cos\left(\frac{j\pi}{n+1}\right),   j \in \{1, \dots, n\}}
    Le vecteur propre VjV_j associé à λj\lambda_j a pour composantes :
    vk,j=sin(kjπn+1),k{1,,n}\boxed{v_{k,j} = \sin\left(\frac{kj\pi}{n+1}\right),   k \in \{1, \dots, n\}}

    Note : Si λ2|\lambda| \ge 2, on montre par un raisonnement similaire (utilisant des fonctions hyperboliques ou des racines réelles) que seule la solution nulle X=0X=0 existe, ce qui ne fournit pas de valeurs propres supplémentaires.

  2. La matrice AA est symétrique réelle, donc elle est diagonalisable d'après le théorème spectral. Alternativement, nous avons trouvé nn valeurs propres distinctes pour une matrice de taille nn, ce qui suffit à garantir la diagonalisabilité.
  3. Soit PP la matrice dont le coefficient (k,j)(k,j) est Pk,j=sin(kjπn+1)P_{k,j} = \sin\left(\frac{kj\pi}{n+1}\right). Calculons les coefficients de M=tPPM = {}^t P P. Le coefficient Mi,jM_{i,j} est donné par :
    Mi,j=k=1nsin(kiπn+1)sin(kjπn+1)M_{i,j} = \sum_{k=1}^n \sin\left(\frac{ki\pi}{n+1}\right) \sin\left(\frac{kj\pi}{n+1}\right)
    En utilisant la formule 2sin(a)sin(b)=cos(ab)cos(a+b)2\sin(a)\sin(b) = \cos(a-b) - \cos(a+b), on a :
    Mi,j=12k=1n[cos(k(ij)πn+1)cos(k(i+j)πn+1)]M_{i,j} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^n \left[ \cos\left( \frac{k(i-j)\pi}{n+1} \right) - \cos\left( \frac{k(i+j)\pi}{n+1} \right) \right]
    Utilisons la formule k=0ncos(kx)=Re(k=0neikx)\sum_{k=0}^n \cos(kx) = \text{Re}\left( \sum_{k=0}^n e^{ikx} \right). Si i=ji=j, alors Mi,i=12k=1n[1cos(2kiπn+1)]=n212k=1ncos(2kiπn+1)M_{i,i} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^n \left[ 1 - \cos\left( \frac{2ki\pi}{n+1} \right) \right] = \frac{n}{2} - \frac{1}{2} \sum_{k=1}^n \cos\left( \frac{2ki\pi}{n+1} \right). La somme des cosinus sur une période (ou ici sur les racines de l'unité privées de 1) vaut 1-1. Plus précisément :
    k=0nei2kiπn+1=1ei2iπ1ei2iπn+1=0    k=1ncos(2kiπn+1)=1\sum_{k=0}^n e^{i \frac{2ki\pi}{n+1}} = \frac{1 - e^{i 2i\pi}}{1 - e^{i \frac{2i\pi}{n+1}}} = 0 \implies \sum_{k=1}^n \cos\left( \frac{2ki\pi}{n+1} \right) = -1
    D'où Mi,i=n212(1)=n+12M_{i,i} = \frac{n}{2} - \frac{1}{2}(-1) = \frac{n+1}{2}. Si iji \neq j (avec 1i,jn1 \le i,j \le n), on montre de même que les sommes de cosinus s'annulent ou se compensent, menant à Mi,j=0M_{i,j} = 0. Ainsi, tPP=n+12In{}^t P P = \frac{n+1}{2} I_n. On en déduit :
    P1=2n+1tP\boxed{P^{-1} = \frac{2}{n+1} {}^t P}

Attention à ne pas oublier de vérifier si λ2|\lambda| \ge 2. Même si l'énoncé suggère la forme trigonométrique, une rédaction rigoureuse en CPGE impose d'écarter le cas où le discriminant est positif ou nul, ou de vérifier que l'on possède déjà nn valeurs propres distinctes.