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1cnc Maths2 MP 2016c1

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C ONCOURS N ATIONAL COMMUN - S ESSION 2016 - F ILIÈRE MP

Épreuve de mathématiques II
Correction

Partie I
Étude de quelques propriétés de l’application trace
1. (a) ∀A, B ∈ E, ∀λ ∈ R, on a tr(A + λB) = tr(A) + λ tr(B), donc l’application tr est linéaire.
n
X
(b) Posons A = (aij )1≤i,j≤n , B = (bij )1≤i,j≤n et C = AB = (cij )1≤i,j≤n avec cij = aik bkj . On a
k=1
n
X n X
X n n X
X n
tr(AB) = cii = aik bki = bki aik = tr(BA).
i=1 i=1 k=1 k=1 i=1

D’autre part, il est clair que tr(t A) = tr(A), donc tr(AB) = tr t (AB) = tr t Bt A = tr(t At B).
 

D’où l’égalité demandée.


(c) tr est une forme linéaire non nulle puisque tr(In ) = n 6= 0, donc ker(tr) est un hyperplan de
E, d’où :
dim ker tr = dim E − 1 = n2 − 1.
(d) In ∈
/ ker(tr), donc ker(tr) et Vect(In ) sont deux sous-espaces supplémentaires de E, d’où :

E = ker(tr) ⊕ Vect(In ).

6 j sont
(e) Les matrices élémentaires Eij avec i = toutes éléments de ker(tr) et par combinaison
linéaire la matrice  
0 1 0 ... 0
0 0 1 . . . 0
 
M =  ... ... .. . . .. 

 . . .
0 0 0 . . . 1
1 0 0 ... 0
appartient à ker(tr). M est inversible, car par exemple égale à la matrice de passage de la base
canonique (e1 , e2 , ..., en ) de Rn à la base (en , e1 , ..., en−1 ).
2. (a) Il est clair que ϕ est un endomorphisme de E, de plus si ϕ(M ) = 0, alors M = − tr(M )In donc
mij = 0 pour i 6= j et ∀i, mii = − tr(M ), d’où tr(M ) = −n tr(M ) ou encore tr(M ) = 0 = mii
et ceci pour tout i.
Finalement M = 0 et par conséquent ϕ est endomorphisme injectif, donc est un automor-
phisme de E.
(b) i. ϕ(M ) = M si, et seulement si, tr(M ) = 0, donc E1 (ϕ) = ker(tr).
tr M
ii. ϕ(M ) = (n + 1)M si, et seulement si, tr(M )In = nM ou encore M = In donc mij = 0
n
tr M
pour i 6= j et mii = , donc nécessairement m11 = m22 = ... = mnn pour tout i. D’où
n
M = λIn avec λ ∈ R. Donc En+1 (ϕ) ⊂ Vect(In ). L’inclusion réciproque est évidente. D’où
En+1 (ϕ) = Vect(In ).
iii. D’après les deux questions précédentes 1 et n + 1 sont des valeurs propres de ϕ dont
les sous-espaces propres sont E1 (ϕ) et En+1 (ϕ) et comme E1 (ϕ) = ker(tr) et En+1 (ϕ) =
Vect(In ), alors les sous-espaces propres sont supplémentaires ( la question 1. d) de la
partie I ), donc ϕ est diagonalisable.

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3. (a) Pour tout M ∈ E, on a :

ψ 2 (M ) = ψ(M )+tr(M )ψ(J) = M +tr(M )J+tr(M )J+tr(M ) tr(J)J = ψ(M )+tr(M )J = 2ψ(M )−M,

donc X 2 − 2X + 1 est un polynôme annulateur de ψ.


(b) Puisque ψ 6= IdE , le polynôme annulateur X 2 − 2X + 1 = (X − 1)2 est le polynôme minimal
de ψ. Donc 1 est l’unique valeur propre de ψ.
(c) C’est un résultat du cours : le polynôme minimal de ψ admet une racine double, donc ψ n’est
pas diagonalisable.

Partie II
Un premier résultat préliminaire
1. Il est clair que v est linéaire, de plus si x ∈ F1 tel que v(x) = 0, alors u(x) = 0, donc x ∈ ker u ∩ F1 =
{0}, donc x = 0. D’autre part dim F1 = dim Im(u), donc v est un isomorphisme.
2. (a) Puisque v est un isomorphisme la famille (ε1 , ..., εr ) est une base de Im(u). D’après le théo-
rème de la base incomplète, il existe des vecteurs (εr+1 , ..., εn ) telle que la famille (ε1 , ..., εr , εr+1 , ..., εm )
soit une base de G.
(b) Relativement aux bases précédentes, la matrice de u est de la forme :
 
Ir 0
MatB,C (u) = .
0 0

3. Notons u l’endomorphisme canoniquement associé à M . D’après ce qui précède il existe une base
B de Rp et une base C de Rm telles que
 
Ir 0
MatB,C (u) = .
0 0

Désignons par S la matrice de passage de la base canonique de Rp à la base B et T la matrice de


passage de la base canonique de Rm à la base C, alors S et T sont inversibles et on a la formule de
changement de bases M = SMatB,C (u)T −1 = SJm,p,r T −1 .
 
I
4. • Si 0 < r = p < m, Jm,p,r = r .
0

• Si 0 < r = m < p, Jm,p,r = Ir 0 .
• Si 0 < r = p = m, Jm,p,r = Ir .

Partie III
Un deuxième résultat préliminaire
s
X s
X
1. Soit λ1 , λ2 , ..., λn des scalaires réels tels que λi li∗ = 0, donc ∀j ∈ [[1, s]], 0 = λi li∗ (lj ) = λj ,
i=1 i=1
donc la famille (l1∗ , l2∗ , ..., ls∗ ) est libre.
 
s
X s
X
2. Par linéarité, ∀k ∈ [[1, s]], lk (x) = lk∗  xj lj  = xj lk∗ (lj ) = xk .
j=1 j=1

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s
X
3. Soit l une forme linéaire et x = xi li un élément de L. On a :
i=1

s
X s
X s
X
l(x) = xi l(li ) = li∗ (x)l(li ) = αi li∗ (x)
i=1 i=1 i=1

en posant αi = l(li ). Nous voyons donc que les s formes linéaires l1∗ , l2∗ , ..., ls∗ engendrent L∗ et
comme elles sont libres, ces formes linéaires décrivent une base de L∗ .
4. D’après ce qui précède, L∗ = Vect(l1∗ , l2∗ , ..., ls∗ ), d’où dim L∗ = s = dim L.

Partie IV
Une caractérisation d’une forme linéaire sur E
1. L’application φA est clairement linéaire, c’est une conséquence de la linéarité de l’application trace..
2. (a) Soient A et B de E et λ ∈ R. Pour tout M ∈ E, on a :

h(A + λB)(M ) = tr((A + λB)M ) = tr(AM ) + λ tr(BM ) = h(A)(M ) + λh(B)(M ).

Donc h est bien linéaire.


(b) i. On vérifie facilement que φA (Eij ) = aji .
ii. Si h(A) = 0, alors, en particulier φA (Eij ) = aji = 0 et ceci pour tout (i, j), donc A = 0 et
par conséquent h est injective.
(c) Les espaces Mn (R) et Mn (R)∗ sont de même dimension finie. Donc l’injectivité de h est équi-
valente à la bijectivité.

Partie V
Tout hyperplan de E contient au moins une matrice
inversible
1. Soit ϕ une forme linéaire non nulle telle que H = ker ϕ. Il suffit donc de montrer que les deux sous-
espaces H et Vect(A) sont supplémentaires puisque la somme des dimensions est égale celle de E.
Soit M ∈ H ∩ Vect(A), alors il existe λ ∈ R tel que M = λA et ϕ(M ) = 0. D’où ϕ(λA) = λϕ(A) = 0,
comme ϕ(A) 6= 0, donc λ = 0 et par conséquent M = 0.
2. Il existe une matrice B telle que pour toute matrice M , on ait ϕ(M ) = tr(BM ) = φB (M ) ( d’après
la question 2.c) de la partie IV ). Donc H = ker ϕ = ker(φB ).
3. (a) P1 est inversible, c’est la matrice de passage de la base canonique (e1 , e2 , ..., en ) de Rn à la base
(e2 , e3 , ..., en , e1 ).
(b) On vérifie facilement que tr(Rr P1 ) = 0 ( Rr P1 a sa diagonale nulle ).
4. B est équivalente à Rr : P BQ = Rr , où P et Q sont inversibles. On a donc, pour toute matrice M ,

tr(BM ) = tr(P −1 Rr Q−1 M ) = tr(Rr QM P ).

Si on trouve Y inversible telle que tr(Rr Y ) soit de trace nulle, on a gagné (on pose M = Q−1 Y P −1
qui reste à la fois dans GLn (R) et dans l’hyperplan H ). Pour cela, on peut par exemple poser
Y = P1 .

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Partie VI
Tout hyperplan de E contient au moins une matrice
orthogonale
n
X n
X
1. (a) Posons C = tAB = (cij )1≤i,j≤n avec cij = aki bkj . D’où (A|B) = tr(tAB) = cii =
k=1 i=1
n X
X n
aki bkj .
i=1 k=1
(b) Soit H un hyperplan de E, donc il existe une matrice B telle que H = ker(φB ), donc il suffit
de prendre Y = tB.
(c) On peut vérifier facilement que ∀P1 , P2 ∈ E et ∀λ ∈ R, on a :
θN (λP1 + P2 ) = λθN (P1 ) + θN (P2 ),
et
θN (P1 P2 ) = θN (P1 )θN (P2 ),
de plus
θN (In ) = tN In N = In .
Enfin, θN (P ) = tN P N = 0 si, et seulement si, P = 0, car N est inversible.
En conclusion, θN est un automorphisme d’algèbres.
(d) On a, pour tout P ∈ E, θN1 ◦ θN2 (P ) = θN1 (tN2 P N2 ) = tN1 (tN2 P N2 )N1 = t(N2 N1 )P (N2 N1 ) =
θN2 N1 (P ) donc θN1 ◦ θN2 = θN2 N1 . En particulier, θN1 ◦ θtN1 = θtN1 N1 = θIn = IdE , donc
(θN1 )−1 = θtN1 .
2. Soit P une matrice orthogonale. On a :
(θN (P ))−1 = (tN P N )−1
= N P −1 N
t

t
= N tP N
t
= (θN (P ))
et donc θN (P ) est orthogonale. De plus θN (P ) = P 0 est équivalent à θtN (P 0 ) = P , il en résulte que
θN est une bijection de On sur lui-même .
3. Soit P une matrice symétrique. On a :
t tt
(θN (P )) = ( NPN)
t
= N tP N
t
= NPN
= θN (P )
et donc θN (P ) est symétrique. De plus θN (P ) = P 0 est équivalent à θtN (P 0 ) = P , il en résulte que
θN est une bijection de Sn sur lui-même .
4. On a
(θN (Y )|θN (P )) = tr(t(tN Y N )(tN P N ))
= tr(tN tY N tN P N )
= tr(tN tY P N )
= tr(tY P )
= (Y |P )

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Donc (θN (Y )|θN (P )) = 0 si, et seulement si, (Y |P ) = 0, c’est-à-dire P ∈ HY si, et seulement si,
θN (P ) ∈ HθN (Y ) .
5. (a) Soit M ∈ On ∩ Sn . Puisque M est symétrique, on a les égalités :

(Y |M ) = (tY |tM ) = (tY |M )


 
1
Donc, si M ∈ HY , les produits scalaires (Y |M ) et (tY |M ) sont nuls. Il en résulte que (Y + tY )|M =
2
0, on en déduit que M ∈ HYs .  
1
Réciproquement, si M ∈ HYs , alors (Y + tY )|M = 0, donc
2

(Y |M ) = −(tY |M )

et puisque M est symétrique,


(Y |M ) = −(tY |tM )
ou encore
(Y |M ) = −(Y |M ).
On en déduit que (Y |M ) = 0, et que M ∈ HY .
On conclusion, on a l’égalité :

On ∩ Sn ∩ HY = On ∩ Sn ∩ HYs .

(b) La matrice Ys étant symétrique réelle, donc elle est diagonalisable dans une base orthonormée
( théorème spectral ), autrement dit il existe une matrice orthogonale U telle que tU Ys U =
θU (Ys ) = Y 0 soit diagonale.
n X
X n
(c) Il est clair que Q est orthogonale et symétrique, de plus (Q|Y 0 ) = (Q)ij (Y 0 )ij = 0 ( les
i=1 j=1
deux diagonales de Q et de Y 0 ne se coupent pas, car n est pair ), donc

Q ∈ On ∩ Sn ∩ HY 0 .

(d) On a Q ∈ On ∩ Sn ∩ HθU (Ys ) , donc

0 = (tU Ys U |Q) = (Ys |U QtU )

et par conséquent U QtU ∈ On ∩Sn ∩HYs = On ∩Sn ∩HY , c’est-à-dire θtU (Q) ∈ On ∩Sn ∩HY .
(e) La matrice θtU (Q) répond à la question.
(a) Soit f l’endomorphisme canoniquement associé à Y ( Y donc la matrice de f dans la base
canonique de Rn ). Donc, si U est une matrice orthogonale, θU (Y ) est la matrice de f dans une
autre base orthonormée. Donc pour trouver une telle matrice U il suffit de faire un change-
ment des éléments de la base en permutant les vecteurs de la base de tel manière à avoir

|d1,1 ≤ |d2,2 | ≤ ... ≤ |dn,n |.

(b) Si dn,n = 0, alors tous les éléments diagonaux de U sont nuls, dans ce cas on peut prendre la
matrice In qui est orthogonale.
(c) i. On a t 0  0 
t P 0 P 0
Pα Pα = tA = In .
0 α 0 Aα
Donc Pα est orthogonale.

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ii.
2p−1
X
(Pα |D) = (−1)k εk dkk + (ε2p d2p,2p + ε2p+1 d2p+1,2p+1 ) cos α
k=1
+(ε2p+1 d2p+1,2p − ε2p d2p,2p+1 ) sin α
2p−1
X
= (−1)k |dkk | + (|d2p,2p | + |d2p+1,2p+1 |) cos α
k=1
+(ε2p+1 d2p+1,2p − ε2p d2p,2p+1 ) sin α

Il suffit donc de prendre a = |d2p,2p | + |d2p+1,2p+1 | > 0, b = ε2p+1 d2p+1,2p − ε2p d2p,2p+1 et
2p−1
X
c= (−1)k |dkk |.
k=1
√ c
iii. Si |c| ≤ a, alors nécessairement |c| ≤ a2 + b2 , et donc l’équation sin (α + β) = √
a2 + b2
en α admet des solutions dans R.
iv. Montrons la propriété par récurrence sur p. Pour p = 1, l’inégalité devient

a1 ≤ a2 + a3

ce qui est bien vérifie, car (an )n est positive et croissante. Supposons la propriété vraie à
l’ordre p. Alors
2p+1
X 2p−1
X
k−1
(−1) ak = (−1)k−1 ak − a2p + a2p+1
k=1 k=1
≤ a2p + a2p+1 − a2p + a2p+1
≤ 2a2p+1
≤ a2p+2 + a2p+3

donc l’inégalité est vraie à l’ordre p + 1. Elle est donc vraie pour tout p ∈ N∗ .
v. D’après la question iii.
2p−1
X
|c| = (−1)k |dkk | ≤ |d2p,2p | + |d2p+1,2p+1 | = |a|
k=1

donc la condition d’existence de α0 est assurée. D’où (Pα0 |D) = 0.


vi. On a Pα0 ∈ On ∩ HD , et comme D = θU (Y ), alors θtU (Pα0 ) ∈ On ∩ HY .
vii. Si det(θtU (Pα0 )) = −1, alors det(−θtU (Pα0 )) = 1 ( n est impair ), et donc une des deux
matrices θtU (Pα0 )) ou θtU (Pα0 )) est dans HY et positive.
•••••••• •

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