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Déterminer toutes les suites de vecteurs (Xn)nN(X_n)_{n \in \mathbb{N}} de R3\mathbb{R}^3 satisfaisant la relation Xn+1=AXnX_{n+1} = A X_n pour tout nNn \in \mathbb{N}, où :

A=(111011001)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1
0 & 1 & 1
0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

1.

La matrice AA est-elle diagonalisable ?

2.

Décomposer AA sous la forme I+NI + NNN est une matrice nilpotente.

3.

Utiliser la formule du binôme de Newton pour calculer AnA^n.

Idées clés

Analyse du spectre d'une matrice triangulaire.

Calcul de puissances par décomposition de Dunford évidente (II et NN commutent).

Résolution.

La matrice AA est triangulaire supérieure. Ses valeurs propres sont ses coefficients diagonaux. Le spectre est Sp(A)={1}\text{Sp}(A) = \{1\}, de multiplicité 3. Si AA était diagonalisable, elle serait semblable à II, donc égale à II. Or AIA \neq I, donc AA n'est pas diagonalisable.

Posons N=AIN = A - I. On a :

N=(011001000)N = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1
0 & 0 & 1
0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
Calculons les puissances de NN :
N2=(001000000)etN3=0N^2 = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1
0 & 0 & 0
0 & 0 & 0 \end{pmatrix}   \text{et}   N^3 = 0
La matrice NN est nilpotente d'indice 3. Comme II et NN commutent, on utilise la formule du binôme :
An=(I+N)n=k=0n(nk)NkA^n = (I + N)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} N^k
Pour n2n \geq 2, la somme s'arrête à k=2k=2 :
An=I+nN+n(n1)2N2A^n = I + nN + \frac{n(n-1)}{2} N^2

Explicitons AnA^n :

An=(100010001)+(0nn00n000)+(00n(n1)2000000)A^n = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0
0 & 1 & 0
0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & n & n
0 & 0 & n
0 & 0 & 0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & \frac{n(n-1)}{2}
0 & 0 & 0
0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
An=(1nn(n+1)201n001)\boxed{A^n = \begin{pmatrix} 1 & n & \frac{n(n+1)}{2}
0 & 1 & n
0 & 0 & 1 \end{pmatrix}}

La solution de la récurrence est Xn=AnX0X_n = A^n X_0. Si on note X0=(x0,y0,z0)TX_0 = (x_0, y_0, z_0)^T, on obtient :

{xn=x0+ny0+n(n+1)2z0yn=y0+nz0zn=z0\boxed{\begin{cases} x_n = x_0 + n y_0 + \frac{n(n+1)}{2} z_0
y_n = y_0 + n z_0
z_n = z_0 \end{cases}}

Ne pas essayer de diagonaliser une matrice dont la seule valeur propre est λ\lambda mais qui n'est pas λI\lambda I. Elle est seulement trigonalisable.