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Étude géométrique d'une matrice d'ordre 3

Soient u,v,wu, v, w trois réels strictement positifs. On considère la matrice :

N=(1/3−2v/3u−2w/3u−2u/3v1/3−2w/3v−2u/3w−2v/3w1/3)∈M3(R)N = \begin{pmatrix} 1/3 & -2v/3u & -2w/3u
-2u/3v & 1/3 & -2w/3v
-2u/3w & -2v/3w & 1/3 \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_3(\mathbb{R})

  1. Montrer que −1-1 est valeur propre de NN et déterminer un vecteur propre associé.
  2. Montrer que 11 est valeur propre de NN et déterminer le sous-espace propre associé.
  3. En déduire que NN est la matrice d'une symétrie vectorielle que l'on caractérisera.

1.

Pour la question 1, essayer un vecteur de la forme (1/u,1/v,1/w)T(1/u, 1/v, 1/w)^T.

2.

Pour la question 2, résoudre NX=XNX = X et chercher une équation de plan.

3.

Se rappeler qu'un endomorphisme ss est une symétrie si et seulement si son spectre est inclus dans {−1,1}\{-1, 1\} et s'il est diagonalisable.

Idées clés

•

Recherche de valeurs propres par test de vecteurs simples.

•

Lien entre spectre et nature géométrique d'un endomorphisme.

•

Diagonalisabilité et décomposition de l'espace en somme directe de sous-espaces propres.

Résolution.

  1. Soit X1=(1/u1/v1/w)X_1 = \begin{pmatrix} 1/u
    1/v
    1/w \end{pmatrix}
    . Calculons NX1N X_1 :
    NX1=(13u−23u−23u−23v+13v−23v−23w−23w+13w)=(−1/u−1/v−1/w)=−X1N X_1 = \begin{pmatrix} \frac{1}{3u} - \frac{2}{3u} - \frac{2}{3u}
    -\frac{2}{3v} + \frac{1}{3v} - \frac{2}{3v}
    -\frac{2}{3w} - \frac{2}{3w} + \frac{1}{3w} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1/u
    -1/v
    -1/w \end{pmatrix} = -X_1
    On en déduit que −1∈Sp(N)\boxed{-1 \in \text{Sp}(N)} et E−1(N)=Vect(X1)E_{-1}(N) = \text{Vect}(X_1).

  2. Soit X=(xyz)X = \begin{pmatrix} x
    y
    z \end{pmatrix}
    . L'équation NX=XNX = X équivaut à (N−I)X=0(N - I)X = 0 :
    (−2/3−2v/3u−2w/3u−2u/3v−2/3−2w/3v−2u/3w−2v/3w−2/3)(xyz)=0\begin{pmatrix} -2/3 & -2v/3u & -2w/3u
    -2u/3v & -2/3 & -2w/3v
    -2u/3w & -2v/3w & -2/3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x
    y
    z \end{pmatrix} = 0
    En multipliant la première ligne par −3u/2-3u/2, la deuxième par −3v/2-3v/2 et la troisième par −3w/2-3w/2, on obtient trois fois la même équation :
    ux+vy+wz=0\boxed{ux + vy + wz = 0}
    C'est l'équation d'un plan vectoriel HH. Ainsi 1∈Sp(N)\boxed{1 \in \text{Sp}(N)} et E1(N)=HE_1(N) = H, qui est de dimension 2.

  3. On a trouvé deux sous-espaces propres dont la somme des dimensions est 1+2=31 + 2 = 3. La matrice NN est donc diagonalisable dans une base de vecteurs propres. Dans cette base, la matrice de l'endomorphisme associé est :
    Δ=(−100010001)\Delta = \begin{pmatrix} -1 & 0 & 0
    0 & 1 & 0
    0 & 0 & 1 \end{pmatrix}
    On reconnaît la matrice d'une symétrie. L'endomorphisme associé à NN est la symétrie par rapport au plan H:ux+vy+wz=0H : ux + vy + wz = 0 parallèlement à la droite D=Vect(1/u,1/v,1/w)D = \text{Vect}(1/u, 1/v, 1/w).

Attention à ne pas conclure trop vite à une symétrie orthogonale sans avoir vérifié que E1⊥E−1E_1 \perp E_{-1}. Ici, cela dépend du produit scalaire choisi (la symétrie est orthogonale pour le produit scalaire canonique si et seulement si u=v=wu=v=w).