VUIBERT ➔ Rappels de cours ➔ Conseils de méthode ➔ Exercices guidés ➔ Exercices d’approfondissement ➔ Problèmes de synthèse ➔ Tous les corrigés détaillés J.-P. Cortier F. Delaplace F. Fortain M. Rossillon Tout le programme MÉTHODES • EXERCICES • PROBLÈMES MATHS ECS • 1 re année
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MÉTHODES EXERCICES PROBLÈMES ECS - Decitre.fr · Ensembles et cardinaux – 5. Nombres complexes et polynômes – 6. Calcul ... et des exercices complémentaires. MATHS ECS 1 re
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En ligne :• Annexes : A. Lois usuelles – B. Scilab• Exercices complémentaires
Les auteurs :Jean-Philippe Cortier est professeur de chaire supérieure de mathématiques.
François Delaplace est professeur en classes préparatoires économiques et commerciales au lycée Notre-Dame du Grandchamp à Versailles.
Fabrice Fortain dit Fortin est professeur en classes préparatoires économiques et commer-ciales au lycée Notre-Dame du Grandchamp à Versailles.
Marguerite Rossillon est professeur de mathématiques à ParisTech Shanghaï Jiao Tong.
ISBN : 978-2-311-40284-1
www. .fr
Des ouvrages pour faire la différence : – des synthèses de cours et méthode pour acquérir les connaissances indispensables
et réviser efficacement,– de nombreux exercices intégralement corrigés pour s’entraîner et se mettre en situation
d’épreuve : exercices guidés, exercices d’application et problèmes,– en ligne (www.vuibert.fr, à la page du livre) : des annexes pour maîtriser la simulation sur Scilab
et des exercices complémentaires.
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HS EC
S1re
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J.-P. Cortier
F. Delaplace
F. Fortain
M. Rossillon
Tout le programme
MÉTHODES•EXERCICES•PROBLÈMES
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Maths-ECS-1reAnnee-9782311402841.indd Toutes les pages 24/07/15 11:50
Table des matières
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des contenus numériques ainsi que des exercices complémentaires.
Une matrice est un tableau rectangulaire de nombres réels ou complexes. La taille d’une matriceA =
�
a i ,j
�
est le couple (n , m ) où n est le nombre de lignes et m le nombre de colonnes de A.
L’ensemble des matrices de taille (n , m ) est notéMn ,m (K) ; si m = n , l’ensemble est notéMn (K)et les éléments deMn (K) sont appelés des matrices carrées et n est souvent appelé l’ordre de lamatrice. Une matrice de taille (1, m ) est appelée matrice ligne et une matrice de taille (n ,1) unematrice colonne ; on identifie souvent les éléments deKn avec les matrices colonnes.
Soit A =�
a i ,j
�
une matrice carrée ; si tous les éléments a i ,j tels que i > j sont nuls, c’est-à-diresi tous les éléments sous la diagonale sont nuls, on dit que la matrice est triangulaire supérieure.Si tous les éléments a i ,j tels que i < j sont nuls, c’est-à-dire si tous les éléments au-dessus de ladiagonale sont nuls, on dit que la matrice est triangulaire inférieure. Une matrice triangulaireinférieure et triangulaire supérieure est appelée matrice diagonale.
On appelle transposée d’une matrice A ∈Mn ,m (K) la matrice tA obtenue en permutant la i ème
ligne avec la i ème colonne ; on obtient alors une matrice deMm ,n (K). On dit qu’une matrice carréeA est symétrique, si elle est égale à sa transposée ; une matrice symétrique est nécessairement unematrice carrée.
La matrice dont tous les termes sont nuls est appelée la matrice nulle ; on la note 0. La matricediagonale d’ordre n dont tous les termes de la diagonale sont égaux à 1 est appelée matriceidentité ; on la note In .
1. Opérations dansMn ,m (K)
Î
Somme
Soit A =�
a i ,j
�
et B =�
b i ,j
�
deux matrices d’un même ensemble Mn ,m (K) ; on définit leursomme A + B comme étant la matrice deMn ,m (K) de terme général a i ,j +b i ,jÎ
Multiplication par un scalaire
Soit A =�
a i ,j
�
une matrice de Mn ,m (K) et α ∈ K ; on note α · A ou αA la matrice�
αa i ,j
�
deMn ,m (K).Î
Produit de deux matrices
Le produit de deux matrices de taille (n , m ) par une matrice de taille (m , p ) est une matrice detaille (n , p ) obtenue en effectuant un sommeprod de chaque ligne de la première par toutes lescolonnes de la seconde.
73
Mathématiques ECS 1re année
Propriétés 6.1.
L’ensembleMn ,m (K) doté de l’addition vérifie les propriétés suivantes :
Associative : ∀ (A, B ,C )∈Mn ,m (K)3, (A + B )+C = A +(B +C )
Neutre : ∀A ∈Mn ,m (K) , A +0= 0+A = A
Symétrique : ∀A ∈Mn ,m (K) ,∃B ∈Mn ,m (K) , A + B = B +A = 0 ; on a : B =−A
Commutative : ∀ (A, B )∈Mn ,m (K)2, A + B = B +A
De plus :
• ∀A ∈Mn ,m (K) , 1 ·A = A• ∀A ∈Mn ,m (K) ,∀
�
α,β�
∈K2,α ·�
β ·A�
=�
αβ�
·A• ∀A ∈Mn ,m (K) ,∀
�
α,β�
∈K2,�
α+β�
·A =α ·A +β ·A• ∀ (A, B )∈Mn ,m (K)2,∀α∈K,α · (A + B ) =α ·A +α · B
Sous réserve d’existence du produit des matrices, c’est-à-dire que le nombre de lignes de laseconde soit égale au nombre de colonnes de la première, on a :
• Associativité : ∀ (A, B ,C )∈Mn ,m (K)×Mm ,p (K)×Mp , q (K) , (A B )C = A (BC )• Distributivité : ∀ (A, B ,C )∈Mn ,m (K)×Mn ,m (K)×Mm ,q (K) , (A + B )C = AC + BC
∀ (A, B ,C )∈Mn ,m (K)×Mm ,p (K)×Mm , p (K) , A (B +C ) = A B +AC
• On a aussi la propriété suivante :
∀ (A, B )∈Mn ,m (K)×Mm ,p (K) ,∀ α∈K, (α ·A)B =α · (A B ) = A (α · B )
Attention
• En général, A B 6= BA, c’est-à-dire, la proposition«∀ (A, B )∈Mn ,m (K)×Mm ,p (K) , A B = BA » est fausse.
• En général, A B = 0 n’implique pas A = 0 ou B = 0 c’est-à-dire, la proposition «∀ (A, B )∈Mn ,m (K)×Mm ,p (K) , A B = 0⇒ A = 0 ou B = 0 » est fausse.
• En général, A B = AC n’implique pas B = C c’est-à-dire, la proposition « ∀ (A, B ,C ) ∈Mn ,m (K)×Mm ,p (K)2 , A B = AC ⇒ B =C » est fausse.
2. Calcul des puissances (ou de l’inverse) d’une matrice
Les méthodes 1 et 3 peuvent être appliquées pour le calcul d’une matrice inverse.
Méthode
Calcul de Am dans le cas où A2 est une combinaison linéaire de A et de In .
Supposons qu’il existe deux scalaires a et b tels que :
A2 = a A +b In .
• On montre par récurrence sur m la proposition :
∀m ∈N, Am = a m A +bm In .
• On écrit une relation de récurrence linéaire d’ordre 2 vérifiée par les termes de la suite(a m ).
• On exprime a m puis bm en fonction de m .
74
Chapitre 6 – Calcul matriciel
MÉTHODE
Méthode
Calcul de Am dans le cas où A = D +N où N k = 0 pour k ∈ {2, 3} et D diagonale telle queDN =N D.
Par la formule du binôme, on montre que :
Am =Dm +m Dm−1N +m (m −1)
2Dm−2N 2.
On montre par récurrence que pour tout entier naturel k ,
D =�
d i ,j
�
⇒Dk =�
d ki ,j
�
.
Méthode
Il existe une matrice P inversible telle que A = PDP−1 où D diagonale.
• On montre par récurrence que pour tout entier naturel k ,
D =�
d i ,j
�
⇒Dk =�
d ki ,j
�
.
• On montre par récurrence que, pour tout entier naturel k , Ak = PDk P−1.
75
ExercicesCalcul matriciel
K désignera R ou C.
Exercices guidés
Exercice A Utilisation de la formule du binôme ou d’un polynôme annulateur (5 min.)
Soit A =
1 1 10 1 10 0 1
.
Calculer de deux manières An pour n ∈N.
Exercice B Inverse à gauche, inverse à droite d’une matrice, calcul d’un inverse. (5 min.)
1) Soit A et B deux éléments inversibles deMn (K) telles que A + B soit inversible.Montrer que : A(A + B )−1 B = B (A + B )−1A = (A−1+ B−1)−1.
2) Soit A et B deux éléments deMn (K) telles que A + B = A B .Montrer que : A B = BA. (indication : calculer (In −A)(In − B )).
Exercice C Commutateur d’une matrice, utilisation des matrices élémentaires. (15 min.)
Déterminer les matrices A ∈Mn (K), telles que, pour tout S ∈Sn (K), AS =SA.(Sn (K) désigne l’ensemble des matrices symétriques deMn (K)).Indications : on pourra introduire les matrices E i ,j ∈Mn (K) définies par :tous les coefficients de E i ,j sont nuls sauf le terme situé à la i ème ligne et la j ème colonne qui vaut
1.
1) Montrer que, pour (i , j , k , l )∈ {1, . . . , n}4, E i ,j Ek ,l =δj ,k E i ,l où δj ,k =�
0 si j 6= k1 si j = k
(δ s’appelle le symbôle de Kronecker). Montrer que∑
1≤i ,j≤n
a i ,j E i ,j = 0⇒∀(i , j )∈ {1, . . . , n}2, a i ,j = 0
2) En remarquant que E i ,i et E i ,j +E j ,i sont dansSn (K) pour (i , j )∈ {1, . . . , n}2, conclure.
Exercices
Exercice 1 (5 min.)
Déterminer les matrices X telles que X = AX + B où
A =
0 −1 00 0 −10 0 0
, B =
1 22 13 3
∈M3,2(K).
76
Chapitre 6 – Calcul matriciel
Exercice 2 (10 min.)
Soit A =�
1 11 0
�
∈M2(R).
1) Montrer que An =�
a n cn
bn d n
�
où a n , bn , cn et d n sont des entiers naturels.
2) On pose P =X 2−X −1 ; montrer que P(A) = A2−A − I2 = 0.On note α et β les racines de P .Calculer An , pour n ∈N, en fonction de α et β .
Exercice 3 (3 min.)
Soit A =
1 1 1 11 1 −1 −11 −1 1 −11 −1 1 −1
∈M4(R)
Montrer que A3−6A +4I4 = 0. En déduire que A est inversible et donner l’expression de A−1.
Exercice 4 (10 min.)
Soit A ∈Mn (K) telle que In −A soit inversible.
Montrer que A(In −A)−1 = (In −A)−1A.
Exercice 5 (10 min.)
Soit n ∈N, n ≥ 2, etω= cos2π
n+ i sin
2π
n.
Soit X = (xr,s ) et Y = (yr,s ) deux éléments deMn (C) définies par :
xr,s =ω(r−1)(s−1), yr,s =ω−(r−1)(s−1).
1) Calculer X Y .2) Qu’en déduit-on pour X ? Que vaut, sans calculs, Y X ?
Exercice 6 (15 min.)
Soit A = (a i ,j )∈ E =Mn (C) ; on appelle matrice conjuguée de A, notée A, l’élément de E défini
par A =�
a i ,j
�
, enfin on note A∗ =t A.
1) Montrer que A∗ = (t A).2) Montrer que : ∀(M , N )∈ E 2, ∀α∈C, (αM +N )∗ =αM ∗+N ∗.3) Pour M = (m i ,j ) ∈ E , on appelle trace de M , notée tr M , le nombre complexe défini par
tr M =n∑
k=1
mk ,k .
Soit A = (a i ,j )∈ E , montrer que :tr A∗A = 0 si, et seulement si, A = 0.
Exercice 7 (10 min.)
Soit x1, . . . ,xn n éléments de R non tous égaux.
On pose M =
x1 1...
...xn 1
∈Mn ,2(R).
On pose A = tM M . Déterminer A et résoudre l’équation AX = 0 où X ∈M2,1(R).
77
EXERCICES
Mathématiques ECS 1re année
Exercice 8 (15 min.)
Soit A ∈Mn (R), inversible telle que A +A−1 = In .
On pose, pour k ∈N, M k = Ak +A−k .
Déterminer M k par deux méthodes.
Exercice 9 (10 min.)
Soit n ∈N∗, on noteAn (R) l’ensemble des matrices antisymétriques deMn (R).On se propose de déterminer les polynômes P de R[X ] vérifiant la propriété (R) :
∀n ∈N∗, ∀A ∈An (R), P(A)∈An (R).
Soit donc P vérifiant cette propriété.
1) Montrer que : ∀A ∈An (R), P(−A) =−P(A). Donner un exemple de P vérifiant cela.2) On écrit P =H + L où H et L sont respectivement la partie paire et impaire de P .
a) Montrer que : ∀A ∈An (R), H (A) = 0.
b) Comme la propriété (R) est vraie pour n = 2, en considérant B =�
0 −bb 0
�
montrer que H = 0.3) Conclure.
78
CORRIGÉS
CorrigésCalcul matriciel
Corrigés des exercices guidés
Exercice A
Méthode 1
Lorsqu’une matrice est triangulaire et que tous les éléments de la diagonale sont égaux, onpeut l’écrire comme la somme d’une matrice nilpotente N et d’une matrice de la forme a I ,où I désigne la matrice identité.
On remarque A = I3+N où l’on a posé :
N =
0 1 10 0 10 0 0
0 0 10 0 00 0 0
, N 2 = 0, N 3 = 0 donc N n =N n−3, N 3 = 0 pour n ≥ 3.
On applique la formule du binôme car N I3 = I3N .
An =n∑
k=0
�
n
k
�
N k = I3+nA +n (n −1)
2A2 =
1 nn (n +1)
20 1 n0 0 1
.
Méthode 2
On recherche un polynôme annulateur P de la matrice A ; on recherche le reste R de ladivision euclidienne de X n par P (par exemple, en donnant à X des valeurs particulières). Ona An =R(A).
P = (X −1)3 est un polynôme annulateur de A, c’est-à-dire (A − In )3 = 0.
On effectue la division euclidienne de X n par P : X n = PQ +R où deg R < 3 ; on a
An = P(A)Q(A)+R(A) et P(A) = 0, donc An =R(A).
On pose R = a X 2+b X + c . Comme 1 est une racine de multiplicité 3 de P , on calcule X n , ainsique ces dérivées (X n )′ et (X n )′′ en 1.
1= a+b+c ; n = 2a+b , n (n−1) = 2a . Ce qui donne a =n (n −1)
2, b = 2n−n 2, c =
(n −1)(n −2)2
.
Alors An = a A2+b A + c In =
1 nn (n +1)
20 1 n0 0 1
.
79
Mathématiques ECS 1re année
Exercice B
Méthode
Soit E un ensemble et f une bijection de E dans E ; pour montrer que deux éléments a et bde E sont égaux, il suffit de montrer que f (a ) = f (b ).Dans le cas présent, on utilisera l’application (bijective) qui, à toute matrice inversible, associeson inverse.
On rappelle que (A B )−1 = B−1A−1 et on effectue les opérations.
1) Soit A et B deux éléments inversibles deMn (K ) telles que A + B soit inversible.C = A(A + B )−1 B est inversible comme produit de matrices inversibles et d’après le cours C−1 =
B−1(A + B )A−1 = B−1 + A−1 ce qui assure B−1 + A−1 inversible et(B−1+A−1)−1 =C .
Donc A(A+B )−1 B =C = (A−1+B−1)−1. On procède de même avec D = B (A+B )−1A et on obtient :A(A + B )−1 B = B (A + B )−1A = (A−1+ B−1)−1.
Méthode
On utilise la propriété :
A B = In implique B et A commutent : BA = A B = In .
2) Soit A et B deux éléments deMn (K ) telles que A+B = A B . (In−A)(In−B ) = In+A B−A−B =In donc I −A est inversible et d’après le cours on a (In − B )(In −A) = (In −A)(In − B ) = In d’oùIn + BA −A − B = In +A B −A − B , donc A B = BA.
Exercice C
Méthode
Toute matrice A = (a i ,j ) s’écrit A =∑
1≤i ,j≤n
a i ,j E i ,j .
1) Le calcul donne immédiatement pour (i , j , k , l )∈ {1, . . . , n}4, E i ,j Ek ,l =δj ,k E i ,l (laissé au soindu lecteur).
Il est clair que :∑
1≤i ,j≤n
a i ,j E i ,j = (a i ,j ) donc∑
1≤i ,j≤n
a i ,j E i ,j = 0⇒∀(i , j )∈ {1, . . . , n}2, a i ,j = 0.
Alors on a :∑
1≤i ,j≤n
a i ,j E i ,j =∑
1≤i ,j≤n
b i ,j E i ,j ⇒∀(i , j )∈ {1, . . . , n}2, a i ,j =b i ,j .
2) Soit A ∈Mn (K), telle que, pour tout S ∈Sn (K), AS =SA. On pose A =∑
1≤k ,l≤n
a k ,l Ek ,l
AE i ,j =∑
1≤k ,l≤n
a k ,l Ek ,l E i ,j = a k ,i Ek ,j , (∗) ; donc AE j ,i =∑
1≤k ,l≤n
a k ,l Ek ,l E j ,i = a k ,j E k ,i
Pour (i , j )∈ {1, . . . , n}2 et i 6= j , A(E i ,j +E j ,i ) = (a k ,i Ek ,j +a k ,j Ek ,i ).De même (E i ,j +E j ,i )A = (a j ,l E i ,l +a i ,l E j ,l ).Donc, pour (i , j )∈ {1, . . . , n}2 et i 6= j , (a k ,i Ek ,j +a k ,j Ek ,i ) = (a j ,l E i ,l +a i ,l E j ,l ).L’égalité des termes en E i ,j donne en identifiant, cf. 1, ∀(i , j )∈ {1, . . . , n}2 et i 6= j , a i ,i = a j ,j .
80
CORRIGÉS
Chapitre 6 – Calcul matriciel
Donc ∀i ∈ {1, . . . , n}, a i ,i =λ.AE i ,i = a k ,i Ek ,i , cf. (∗) ; de même E i ,i A = a i ,l E i ,l .AE i ,i = a k ,i Ek ,i = E i ,i A = a i ,l E i ,l = a i ,k E i ,k implique (en utilisant 1), ∀k 6= i , a k ,i = 0.Conclusion : si A ∈Mn (K), vérifie pour tout S ∈Sn (K), AS =SA, alors A =λIn .Remarque : {A ∈Mn (K), AM =M A pour tout M ∈Mn (K)}= {λIn , λ∈K }.
Corrigés des exercices
Exercice 1L’écriture de l’équation nécessite X ∈M3,2(K). On pose :
X =
a bc de f
, où a , . . . , f sont dansK.
X = AX + B si, et seulement si, (I3−A)X = B ;
X = AX + B si, et seulement si,
1 1 00 1 10 0 1
a bc de f
=
1 22 13 3
;
X = AX + B si, et seulement si, a + c = 1 ; b +d = 2 ; c + e = 2 ; d + f = 1 ; e = f = 3
X = AX + B si, et seulement si, X =
2 4−1 −23 3
.
Remarque : on pouvait prévoir l’existence et l’unicité de la solution car
1 1 00 1 10 0 1
est inver-
sible.
Exercice 21) Soit la propriété P définie sur N par :
P(n ) : An =�
a n cn
bn d n
�
où a n , bn , cn et d n sont des entiers naturels.
A0 = I2 donc on a P(0) avec a 0 = d 0 = 1 et b0 = c0 = 0.
Soit P(n ) ; An+1 = An A =�
a n+1 cn+1
bn+1 d n+1
�
où
a n+1 = a n +bn , bn+1 = a n , cn+1 = cn +d n et d n+1 = cn .Comme a n , bn , cn et d n sont des entiers naturels, a n+1, bn+1, cn+1 et d n+1 sont aussi des entiers
naturels, d’où P(n +1).2) On pose P =X 2−X −1 ; P(A) = A2−A − I2 = 0. (Calculs)
On note α et β les racines de P ; α=1+p
5
2et β =
1−p
5
2.
On effectue la division euclidienne de X n par P : X n = PQ +R où R = a X +b .En remplaçant X par α puis par β on obtient : αn = aα+b et βn = aβ +b ;
d’où a =αn −βn
α−βet b =
αβn −βαn
α−β.
An = P(A)Q(A)+a A +b I2 =αn −βn
α−βA +
αβn −βαn
α−βI2.
81
Mathématiques ECS 1re année
Exercice 3
A2 =
4 0 0 −20 4 0 20 0 4 2−2 2 2 4
, A3 =
2 6 6 66 2 −6 −66 −6 2 −66 −6 −6 −10
On vérifie que A3−6A +4I4 = 0. On écrit A(A2−6I4) =−4I4, donc A est inversible et
A−1 =1
4(6I4−A2) =
1
2
1 0 0 10 1 0 −10 0 1 −11 −1 −1 1
.
Exercice 4D’après le cours on a (In −A)(In −A)−1 = (In −A)−1(In −A) = In .
Donc (In −A)−1−A(In −A)−1 = (In −A)−1− (In −A)−1A, d’où A(In −A)−1 = (In −A)−1A.
Exercice 51) On note Z =X Y = (z r,s ) ; z r,s = xr,k yk ,s =ω(r−s )(k−1) =ω′(k−1) oùω′ =ωr−s .Si r = s alorsω′ = 1 et z r,r = n .
Si r 6= s alors on a−n+1≤ r − s ≤ n−1, r − s 6= 0, donc z r,s =ω′(k−1) =1−ω′n
1−ω′= 0 carω′ est une
racine n ième de l’unité. Donc X Y =Z = n In .
2) X admet donc un inverse à droite1
nY ; X est donc inversible et X−1 =
1
nY . Enfin Y X = n In .
Exercice 61) Pour A = (a i ,j )∈ E =Mn (C), A∗ = (a j ,i ) = (t A).2) Soit (M , N )∈ E 2, soit α∈C, M = (m i ,j ), N = (n i ,j ), αM +N = (αm i ,j +n i ,j ) donc (αM +N )∗ =
(αm j ,i +n j ,i ) =αM ∗+N ∗.3) Soit A = (a i ,j )∈ E , B = A∗ = (b i ,j ), C = A ∗A = (c i ,j ) ; b i ,j = a i ,j .On a, pour tout (i , j )∈ {1, . . . , n}2, c i ,j =b i ,k a k ,j = a k ,j , d’où c i ,i = a k ,i = a 2
k ,i .
tr A∗A = 0 si, et seulement si, c i ,i = 0= a 2k ,i .
tr A∗A = 0 si, et seulement si, ∀(i , k )∈ {1, . . . , n}2, a k ,i = 0.tr A∗A = 0 si, et seulement si, A = 0.
Exercice 7
A =�
ρ ss n
�
∈M2(R) où ρ =n∑
i=1
x 2i et s =
n∑
i=1
x i .
Méthode 1
Soit X =�
xy
�
tel que AX = tM M X = 0 ; alors tXAX = tX t M M X = t (M X )M X = 0.
Or, si l’on pose Y =
y1
...yn
∈Mn ,1(R), t Y Y = y 2i et t Y Y = 0 si, et seulement si, Y = 0.
Ici AX = 0 implique M X = 0, or M X =
x1x + y...
xn x + y
. ...
82
CORRIGÉS
Chapitre 6 – Calcul matriciel
D’après l’hypothèse il existe (i , j )∈ {1, . . . , n}2 tel que x i 6= x j ; pour ce couple (i, j) on obtient :
x i x + y = x j x + y = 0 d’où x (x i −x j ) = 0, puis x = 0 et enfin X = 0 qui est bien solution.
Méthode 2
(Utilise la structure euclidienne deRn ; demande la connaissance de l’inégalité de Cauchy-Schwarz et du cas de l’égalité)
Soit X =�x
y
�
tel que AX = 0.
AX = 0 si et seulement si
�
ρx + s y = 0s x +ny = 0
;
AX = 0 si et seulement si
(
y =−s
nx
(ρn − s 2)x = 0.
Étude de l’égalité ρn − s 2 = 0
On considère E = Rn muni de sa structure euclidienne canonique, x = (x1, . . . ,xn ) et u =(1, . . . ., 1) deux éléments de E . ρ = x 2
i = ‖x‖2 et s 2 = (x i )2 = (x u )2.
D’après l’inégalité de Cauchy-Schwarz : (x u )2 ≤ ‖x‖2 ‖u ‖2, c’est-à-dire s 2 ≤ nρ.
D’autre part, le cas d’égalité, ρn − s 2 = 0 correspond à x et u colinéaires ce qui ne se peut carx1, . . . ,xn sont n éléments de R non tous égaux. Donc ρn − s 2 6= 0 et on obtient :
AX = 0 si, et seulement si, X = 0.
Exercice 8
Méthode 1
(A +A−1)2 = A2+A−2+2In = In : M 2 = A2+A−2 =−In . On obtient donc M 0 = 2In , M 1 = In ,M 2 =−In .
Remarquons que
M k = Ak +A−k = (Ak +A−k )In = (Ak +A−k )(A +A−1) = Ak+1+A−k−1+Ak−1+A−k+1.
Donc M k+1 =M k −M k−1 ; avec ce qui précède on peut conjecture
M k = a k In où a k ∈R. (démonstration par récurrence forte) ;
M k+1 =M k −M k−1 = (a k −a k−1)In = a k+1In où a k+1 = a k −a k−1.
On dispose d’une suite (a k ) définie par une récurrence double
(u k+1 = a u k +b u k−1)
où a 0 = 2 et a 1 = 1.
D’après le cours, l’équation caractéristique est r 2−r +1= 0 dont les racines sont r1 =1+ i
p3
2
et r2 =1− i
p3
2, a k =α
�
1+ ip
3
2
�k
+β
�
1− ip
3
2
�k
ce qui donne avec les conditions initiales
pour k = 1 et k = 2, α+β = 2 et α=β , d’où α=β = 1 ;
a k =
�
1+ ip
3
2
�k
+
�
1− ip
3
2
�k
= 2 cos
�
kπ
3
�
.
Conclusion : pour k ∈N, M k = Ak +A−k = 2 cos
�
kπ
3
�
In .
83
Mathématiques ECS 1re année
Méthode 2
Comme A +A−1 = In , A2−A + In = 0 donc P =X 2−X +1 est un polynôme annulateur de A.
On effectue la division euclidienne de X k par P : X k = PQ +R où deg R < 2 donc R = a X +b .
En posant r1 =1+ i
p3
2, r2 =
1− ip
3
2on obtient r k
1 = P(r1)Q(r1)+a r1+b = a r1+b , de même
r k2 = a r2+b ;
on exhibe alors a et b en fonction de r1 et r2,
puis Ak = P(A)Q(A)+a A +b In = a A +b In .
On trouve a =r k
1 − r k2
r1− r2=
2p
3sin
�
kπ
3
�
, b = cos
�
kπ
3
�
− sin
�
kπ
3
�
.
A−k = (A−1k or, en posant B = A−1, B +B−1 = A−1+A = In . Donc on a aussi A−k = a A−1+b In .
Ak +A−k = a (A +A−1)+2b In = (a +2b )In = 2 cos
�
kπ
3
�
In .
Exercice 91) ∀A ∈An (R), t P(A) = P(t A) car la fonction transposée vérifie les propriétés suivantes :∀(M , N )∈Mn (K), ∀α∈K, t(αM +N ) =αtM + tN , ∀k ∈N, t (M k ) = (t M )k .Donc ∀A ∈An (R), P(tA) = tP(A) et donc P(−A) =−P(A).
Si P est polynôme impair (P =d∑
k=0
a k X 2k+1) et A ∈An (R),
t P(A) = t (d∑
k=0
a k A2k+1) =d∑
k=0
a k (tA)2k+1 =d∑
k=0
a k (−A)2k+1 =−P(A) : P(A)∈ An (R).
Donc tous les polynômes impairs conviennent.2) On écrit P =H + L où H et L sont respectivement la partie paire et impaire de P .a) ∀A ∈An (R), P(−A) =−P(A) =H (−A)+ L(−A) =H (A)− L(A) =−(H (A)+ L(A)).∀A ∈ An (R), H (A) = 0.
b) Comme la propriété (R) est vraie pour n = 2, on considère B =�
0 −bb 0
�
.
B 2i = (B 2)i =�
−b 2 00 −b 2
�i
=
�
�
−b 2�i 0
0�
−b 2�i
�
; on pose H =d∑
k=0
a k X 2k .
H (B ) = 0 si, et seulement si, a k B 2k = 0.H (B ) = 0 si, et seulement si, a k (−b 2)k = 0. Donc, en posant a =−b 2, on doit avoir :
∀a < 0,d∑
k=0
a k a k = 0 donc en posant Q =d∑
k=0
a k X k on obtient ∀a < 0, Q(a ) = 0 ce qui assure
Q = 0, tous les a k sont nuls d’où H = 0 et P = L.Si P vérifie les hypothèses alors P est impair.3) Conclusion : les polynômes P de R[X ] vérifiant la propriété (R) sont les polynômes impairs.
En ligne :• Annexes : A. Lois usuelles – B. Scilab• Exercices complémentaires
Les auteurs :Jean-Philippe Cortier est professeur de chaire supérieure de mathématiques.
François Delaplace est professeur en classes préparatoires économiques et commerciales au lycée Notre-Dame du Grandchamp à Versailles.
Fabrice Fortain dit Fortin est professeur en classes préparatoires économiques et commer-ciales au lycée Notre-Dame du Grandchamp à Versailles.
Marguerite Rossillon est professeur de mathématiques à ParisTech Shanghaï Jiao Tong.
ISBN : 978-2-311-40284-1
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Des ouvrages pour faire la différence : – des synthèses de cours et méthode pour acquérir les connaissances indispensables
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F. Delaplace
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