Devoir surveillé 9 Problème : étude d`une famille de matrices
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Devoir surveillé 9 Problème : étude d`une famille de matrices
MPSI 832, 2014-2015 Devoir surveillé 9 L.PETION On soignera la rédaction et on sera rigoureux et précis dans les raisonnements.Bien lire le sujet il y a des questions indépendantes. Dans le cas d’utilisation d’abréviations merci de les définir en 1ère page.( pas plus de 5) Je ne lis pas le crayon à papier les résultats doivent être soulignés La machine est interdite. +1 si cette consigne est respectée, -1 dans le cas contraire Problème : étude d’une famille de matrices carrées d’ordre 3 Dans l’algèbre M3 (R) des matrices carrées d’ordre 3 à coefficients réels, a+b+c b+c b+c avec (a, b, c) ∈ R3 b a+b b on note E l’ensemble des matrices M (a, b, c) = b−c b−c a+b−c On note I = M (1, 0, 0) J = M (0, 1, 0) K = M (0, 0, 1). On note e1 = (1, 0, 0), e2 = (0, 1, 0) e3 = (0, 0, 1) les vecteurs de la base canonique de R3 . Partie I Généralités sur l’ensemble E et étude de certains éléments de E 1. Montrer que E est un sev de M3 (R) dont on donnera la dimension et une base. 2. Montrer que E est un sous anneau de M3 (R). L’anneau est-il commutatif ? 3. Déterminer les matrices M de E qui vérifient l’égalité M 2 = I 2 4. Dans cette question, on pose S = M 1, − , c Soit f l’endomorphisme de R3 dont la matrice est S dans 3 la base canonique. Préciser la nature de f .Calculer tr(f ), que pouvez vous en déduire quant à la nature des éléments caractéristiques ? Partie II Calcul de la puissance n-ième d’une matrice de E. On fixe a, b, c. Pour simplifier on note M plutôt que M (a, b, c). On note L = bJ + cK. 1. Pour tout n ∈ N∗ , calculer Ln en fonction de b, n, L. 2. En déduire, sib 6= 0, une expression de M n (avec n > 0) en fonction de n, a, b, I, L 3. Dans cette question, on suppose ab(a + 3b) 6= 0. Montrer que M est inversible et donner M −1 . 4. Dans cette question, on suppose b = 0. Calculer M n pour tout n de N. Partie III Changement de base :inversibilité des éléments de E. On fixe a, b, c. Pour simplifier on note M plutôt que M (a, b, c).Soit f l’endomorphisme de R3 dont la matrice est M dans la base canonique. On définit les vecteurs u1 = (1, −1, 0), u2 = (1, 0, −1) et u3 = (b + c, b, b − c). 1. Montrer que (u1 , u2 , u3 ) est une base de R3 ssi b 6= 0. 2. On suppose b 6= 0. Déterminer la matrice D de f dans la base (u1 , u2 , u3 ). Quel est le lien entre M et D ? On donnera les deux matrices liant M et D lorsque b = c = 1 3. On suppose b = 0. Montrer que les vecteurs (u1 , u2 , e1 ) forment une base de R3 , et calculer la matrice T de f dans cette base. 4. En déduire que M (a, b, c) est inversible ssi a(a + 3b) 6= 0 Exercice : Matrice de trace nulle Soit E un Kev de dimension n > 1. 1. Soit u ∈ L(E) Montrer que : si ∀x ∈ E, (x, u(x)) est liée alors u est une homothétie (on pourra introduire une base de E) Dans toute la suite u désigne un endomorphisme de E non nul de trace nulle 2. (a) Montrer que : ∃x ∈ E tel que (x, u(x)) soit libre. 1 (b) Montrer qu’il existe un supplémentaire F de vect(x) contenant u(x). On note p la projection sur F parallèlement à vect(x). (c) Montrer que la restriction à F de p ◦ u est un endomorphisme de F de trace nulle. (d) Montrer qu’il existe un base de E dans laquelle la matrice de u a tous ces éléments diagonaux nuls (on pourra procéder par récurrence sur n). 3. Soit D une matrice diagonale de Mn (R) ,D = diag(a1 , a2 , . . . , an ) telle que ∀i 6= j ai 6= aj (a) Montrer que l’application f : M −→ DM − M D est un endomorphisme de Mn (R) et en déterminer le noyau. Calculer dimKerf (b) Calculer rgf (c) Montrer que Imf est l’ensemble des matrices dont les coefficients diagonaux sont nuls 2 (d) Montrer que : A ∈ KerT r ssi ∃(B, C) ∈ Mn (R) telles que A = BC − CB Problème :Décomposition LU Soit A ∈ Mn (K). Une décomposition ”LU ” de A est une égalité A = LU où L est une matrice triangulaire inférieure (L pour Low)à diagonale unité sont égaux à1) et U est une matrice triangulaire supérieure (U pour Up). (dont tous les coefficients 2 −3 1 −1 2 −3 1 −1 1 0 0 0 −2 2 −3 2 −1 1 0 0 0 −1 −2 1 Exemple : 4 −9 −2 3 = 2 2 2 3 1 0 0 0 0 0 0 −5 −2 5 5 −4 −1 −2 1 1 Pour tout entier k ∈ [[1, n]], on appelle sous-matrice principale d’ordre k de A, la sous matrice Ak les k premières lignes et k premières colonnes de A. Par exemple,avec la matrice A dans l’exemple précédent : 2 −3 1 −1 2 −3 1 −2 2 −3 2 2 −3 A1 = (2), A2 = , A3 = −2 2 −3 , A4 = 4 −9 −2 3 −2 2 4 −9 −2 −2 5 5 −4 Dans tout le sujet A est supposée inversible. Partie I Dans cette partie, on voit une condition nécessaire et suffisante portant sur la matrice A pour qu’elle admette une décomposition LU 1. Soit (M, M 0 ) ∈ Tn + (R)2 . On pose M = (mi,j )(i,j)∈[[1,n]]2 Calculer ∀i ∈ [[1, n]] βi,i en fonction de mi,i et αi,i . M 0 = (αi,j )(i,j)∈[[1,n]]2 M M 0 = (βi,j )(i,j)∈[[1,n]]2 2. Montrer que la décomposition LU de A, si elle existe, est unique. 1 2 3. Montrer que la matrice A = possède une décomposition LU . 0 3 0 3 4. Montrer en revanche que la matrice B = n’en possède pas. 1 2 5. . On suppose que la matrice A possède une décomposition LU Montrer que toutes ses sous matrices principales sont inversibles. Pour cela on utilisera une décompostion pas blocs de A,L,U sous la forme : Lk 0 Ak A0k Uk Uk0 A= , L = , U = L00k L000 A00k A000 0 Uk000 k k 6. Montrer que la réciproque de la propriété précédente est vraie : si toutes les sous-matrices principale de A sont inversibles, alors A possède une décomposition LU parrécurrence sur l’ordre n Pourcela on raisonnera Ln 0 Un Cn de A : dans le passage de n à n + 1 on écrira Ln+1 = et Un+1 = où Rn est une matrice Rn 1 0 λn ligne de largeur n et Cn est une matrice colonne de hauteur n et λn est un scalaire. 7. Conclusion ? Partie II Dans cette partie on suppose que la matrice A possède une décomposition LU et on voit comment mettre en oeuvre une méthode de calcul des matrices L et U . On note A = (ai,j )(i,j)∈[[1,n]]2 , L = (li,j )(i,j)∈[[1,n]]2 , U = (ui,j )(i,j)∈[[1,n]]2 . 2 2 −3 1. A titre d’exemple, trouver la décomposition de A = −2 2 4 −9 1 −3 −2 2. On revient maintenant au cas général. Ecrire les égalités donnant ai,k en fonction de li,j (avec j 6 i) et uj,k (avec j 6 k). 3. En déduire les expressions : (a) De ui,k pour i 6 k, en fonction de ai,k , de li,j (j < i), de uj,k (j < i). (b) De li,k pour i > k, en fonction de ai,k , de li,j (j < k), de uj,k (j 6 k). 4. Montrer comment les égalités obtenues permettent de calculer de proche en proche (et on précisera dans quel ordre) tous les coefficients de L et U . Partie III ATTENTION CETTE PARTIE NE DOIT ETRE TRAITEE QUE SI LE RESTE A ETE FAIT ! SI CE N’EST PAS LE CAS VOUS NE SEREZ PAS NOTE On sait qu’il existe des matrices A qui n’ont pas de décomposition LU . Dans cette partie,on va voir que pour que une telle matrice, il est possible de trouver une matrice inversible "simple" P telle que P A admette une décomposition LU . On appelle matrice de permutation toute matrice Pσ d’ordre n dont le terme général pi,j peut s’écrire pi,j = δσ(i),j (notation de Kronecker), où σ est une permutation de [[1, n]]. 0 0 1 0 σ(1) = 3 0 1 0 0 σ(2) = 2 Si par exemple n = 4 et σ est définie par Alors Pσ = 0 0 0 1 σ(3) = 4 1 0 0 0 σ(4) = 1 1. Dans cette question, on étudie quelques propriétés des matrices de permutation. (a) Que représente Pσ si σ est la permutation "identité" de [[1, n]] ? (b) Soient σ et s deux permutations de [[1, n]]. Montrer que Pσ Ps = Ps◦σ (c) Montrer que toute matrice Pσ est inversible. Quel est son inverse ? 2. On va étudier l’influence du produit par une matrice de permutation. (a) Avec la matrice A du préambule et la matrice Pσ de l’exemple ci-dessus, calculer les produits Pσ A et APσ−1 . Que remarque-t-on ? (b) Plus généralement, pour toute matrice A d’odre n, et toute matrice de permutation P = Pσ , comment passe-t-on de A à P A et de A à AP −1 ? (c) On va montrer que pour toute matrice carrée A inversible et d’ordre n, il existe une matrice de permutation P telle que la matrice P A possède une décomposition LU . Pour cela, on raisonne par récurrence sur n. i. . Montrer que c’est évident si n = 1. On suppose donc que la propriété est vraie pour un certain n > 1 et on se donne une matrice carrée A inversible et d’ordre n + 1. ii. Montrer qu’il existe une matrice de permutation S telle que la sous-matrice principale Bn d’ordre n de B = SA soit inversible. iii. En appliquant l’hypothèse de récurrence à Bn , montrer qu’il existe une matrice de permutation Q telle que QB admette une décomposition LU . iv. Conclure. (d) Montrer très simplement que la décomposition P A = LU n’est en général pas unique. Combien peut-il exister de triplets (P, L, U ) au maximum ? 3