2024-Inp-Mp2-corrigé

CCINP 2024 — Mathématiques 2 — MP

Durée : 4 heures. Calculatrices interdites.
Le sujet est composé de deux exercices et d’un problème, tous indépendants.

Exercice 1

Q1. Justifier que la matrice
{A=\begin{pmatrix}-4&2&-2\\[8pt]-6&4&-6\\[8pt]-1&1&-3\end{pmatrix}}est diagonalisable et déterminer une matrice {P} telle que {P^{-1}AP} soit diagonale.
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Q2. Application. On considère trois suites réelles {(u_n)}, {(v_n)} et {(w_n)} telles que, pour tout {n\in\mathbb N},
{\left\{\begin{array}{l}u_{n+1}=-4u_n+2v_n-2w_n,\\[8pt]v_{n+1}=-6u_n+4v_n-6w_n,\\[8pt]w_{n+1}=-u_n+v_n-3w_n.\end{array}\right.}Pour tout {n\in\mathbb N}, on pose
{X_n=\begin{pmatrix}u_n\\[8pt]v_n\\[8pt]w_n\end{pmatrix},}{Y_n=P^{-1}X_n=\begin{pmatrix}\alpha_n\\[8pt]\beta_n\\[8pt]\gamma_n\end{pmatrix}.}Exprimer {Y_n} en fonction de {\alpha_0}, {\beta_0}, {\gamma_0} et {n}.
À quelle condition sur {(u_0,v_0,w_0)} les trois suites convergent-elles simultanément ? Expliciter alors ces suites.
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Exercice 2

Pour {n\in\mathbb N^*}, on note {S_n} le groupe des permutations de l’ensemble {\llbracket0,n-1\rrbracket}.
Une permutation de {S_n} sera représentée en Python par une liste, dont l’élément d’indice {i} est l’image de {i} par cette permutation.
Par exemple, la liste [3, 1, 0, 2] représente la permutation {\sigma\in S_4} définie par
{\sigma(0)=3,\quad\sigma(1)=1,\quad\sigma(2)=0,\quad\sigma(3)=2.}Dans tout l’exercice, on pourra utiliser librement les tests Python x in L et x not in L, permettant de vérifier respectivement la présence ou l’absence de x dans la liste L.

Q3. Si s est une liste Python représentant une permutation de {S_4}, quelle instruction Python permet de trouver l’image de {1} par cette permutation ?
Quelle liste Python représente la transposition {(2\ 3)\in S_4} ?
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Q4. Écrire une fonction Python comp(s1, s2) prenant en entrée deux listes représentant des permutations {\sigma_1} et {\sigma_2} du même groupe de permutations et renvoyant la liste représentant {\sigma_1\circ\sigma_2}.
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Q5. Écrire une fonction Python inv(s) prenant en entrée une liste représentant une permutation {\sigma} et renvoyant la liste représentant {\sigma^{-1}}.
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Q6. On souhaite tester si un sous-ensemble {G} de {S_n} est ou non un sous-groupe de {S_n}.
Écrire une fonction Python groupe(G) prenant en entrée une liste de listes, où chaque sous-liste représente une permutation de {S_n}, et renvoyant True s’il s’agit bien d’un sous-groupe de {S_n}, False sinon.
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Q7. Écrire une fonction Python cyclique(s) prenant en entrée une liste s représentant une permutation {\sigma} de {S_n} et renvoyant le sous-groupe de {S_n} engendré par {\sigma}, sous la forme d’une liste de listes.
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Problème

Le but de ce problème est de démontrer et utiliser plusieurs critères pour prouver qu’une matrice symétrique réelle est définie positive.
On rappelle que, pour un entier naturel non nul {n}, une matrice symétrique {M\in\mathcal M_n(\mathbb R)} est dite définie positive si et seulement si
{\forall X\in\mathcal M_{n,1}(\mathbb R)\setminus\{0\},\quad X^{\mathsf T}MX>0.}

Q8. Démontrer, en utilisant directement la définition précédente, que la matrice
{A=\begin{pmatrix}2&1\\[8pt]1&1\end{pmatrix}}est définie positive.
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Caractérisation spectrale

Q9. Énoncer et démontrer une condition nécessaire et suffisante sur les valeurs propres d’une matrice symétrique réelle pour que celle-ci soit définie positive.
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Q10. Application. Démontrer que le polynôme
{P(X)=X^3-6X^2+9X-3}admet trois racines réelles distinctes, sans chercher à les déterminer.
Démontrer alors que la matrice
{B=\begin{pmatrix}1&0&1\\[8pt]0&2&1\\[8pt]1&1&3\end{pmatrix}}est définie positive grâce à la caractérisation spectrale.
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Un critère en dimension 2

Dans cette partie, on souhaite démontrer la caractérisation suivante : une matrice symétrique {M\in\mathcal M_2(\mathbb R)} est définie positive si et seulement si sa trace et son déterminant sont strictement positifs.

Q11. Démontrer qu’une matrice définie positive {M} de taille quelconque vérifie toujours {\operatorname{Tr}(M)>0} et {\det(M)>0}.
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Q12. Démontrer qu’une matrice symétrique {M\in\mathcal M_2(\mathbb R)}, dont la trace et le déterminant sont strictement positifs, est définie positive.
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Q13. Le résultat de la question précédente reste-t-il vrai pour les matrices symétriques de {\mathcal M_3(\mathbb R)} ?
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Q14. Application. Utiliser le résultat précédent afin de démontrer que {f:(\mathbb R_+^*)^2\to\mathbb R}, définie par
{f(x,y)=x+y+\frac1{xy},}admet un extremum local. Préciser s’il s’agit d’un minimum local ou d’un maximum local.
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Le critère de Sylvester

Dans cette partie, on étudie le critère de Sylvester, valable en toute dimension.
Pour une matrice carrée {M=(m_{ij})_{1\leq i,j\leq n}\in\mathcal M_n(\mathbb R)} et un entier {k\in\llbracket1,n\rrbracket}, on définit le {k}-ième mineur principal comme étant le déterminant de la matrice
{M_k=(m_{ij})_{1\leq i,j\leq k}\in\mathcal M_k(\mathbb R).}On précise qu’une matrice carrée de taille {n} possède {n} mineurs principaux au sens adopté dans cet énoncé : il s’agit des mineurs principaux de tête.
Par exemple, pour la matrice {B} de Q10, les trois matrices considérées sont
{B_1=(1),\qquad B_2=\begin{pmatrix}1&0\\[8pt]0&2\end{pmatrix},}{B_3=B=\begin{pmatrix}1&0&1\\[8pt]0&2&1\\[8pt]1&1&3\end{pmatrix}.}On dit qu’une matrice vérifie le critère de Sylvester si tous ses mineurs principaux sont strictement positifs.
On souhaite démontrer la caractérisation suivante : une matrice symétrique réelle est définie positive si et seulement si elle vérifie le critère de Sylvester.
Par exemple, pour {B}, on constate que
{\det B_1=1>0\;\det B_2=2>0,\;\det B_3=3>0}La matrice {B} vérifie le critère de Sylvester ; elle est donc définie positive.

Q15. On fixe une matrice {M\in\mathcal M_n(\mathbb R)}, un entier {k\in\llbracket1,n\rrbracket}, ainsi qu’un vecteur colonne
{X_k=\begin{pmatrix}x_1\\[8pt]\vdots\\[8pt]x_k\end{pmatrix}\in\mathcal M_{k,1}(\mathbb R).}Déterminer un vecteur colonne {X\in\mathcal M_{n,1}(\mathbb R)\setminus\{0\}} tel que
{X_k^{\mathsf T}M_kX_k=X^{\mathsf T}MX.}
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Q16. Démontrer que toute matrice symétrique réelle définie positive vérifie le critère de Sylvester.
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Dans les deux questions suivantes, il s’agit de démontrer la réciproque : toute matrice symétrique réelle vérifiant le critère de Sylvester est définie positive.
Pour cela, on va raisonner par récurrence sur la taille {n} de la matrice.

Q17. Soit {n\geq2} et soit une matrice symétrique {M\in\mathcal M_n(\mathbb R)} telle que {\det(M)>0}. On écrit cette matrice par blocs sous la forme
{M=\begin{pmatrix}M_{n-1}&U\\[8pt]U^{\mathsf T}&\alpha\end{pmatrix},}avec {M_{n-1}\in\mathcal M_{n-1}(\mathbb R)}, {U\in\mathcal M_{n-1,1}(\mathbb R)} et {\alpha\in\mathbb R}.
On suppose que {M_{n-1}} est définie positive. Justifier l’existence d’un vecteur colonne {V\in\mathcal M_{n-1,1}(\mathbb R)} tel que {M_{n-1}V+U=0}.
En notant
{Q=\begin{pmatrix}I_{n-1}&V\\[8pt]0_{1,n-1}&1\end{pmatrix},}démontrer alors que
{Q^{\mathsf T}MQ=\begin{pmatrix}M_{n-1}&0_{n-1,1}\\[8pt]0_{1,n-1}&\beta\end{pmatrix}}avec {\beta>0}.
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Q18. Démontrer par récurrence que toute matrice symétrique réelle vérifiant le critère de Sylvester est définie positive.
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Q19. Pour quelles valeurs de {x\in\mathbb R} la matrice
{C(x)=\begin{pmatrix}2&1&0\\[8pt]1&1&x\\[8pt]0&x&1\end{pmatrix}}est-elle définie positive ?
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Q20. La matrice
{M=\begin{pmatrix}2&2&1&4&5\\[8pt]2&3&-1&1&-1\\[8pt]1&-1&1&3&1\\[8pt]4&1&3&5&0\\[8pt]5&-1&1&0&1\end{pmatrix}}est-elle définie positive ? Justifier.
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Q21. Démontrer que pour tout {(x,y,z)\in\mathbb R^3\setminus\{0\}},
{4x^2+y^2+z^2+2xy-3xz>0.}
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Q22. Pour quelles valeurs de {n\in\mathbb N^*} la matrice
{S_n=\begin{pmatrix}\sqrt3&1&0&\cdots&0\\[8pt]1&\ddots&\ddots&\ddots&\vdots\\[8pt]0&\ddots&\ddots&\ddots&0\\[8pt]\vdots&\ddots&\ddots&\ddots&1\\[8pt]0&\cdots&0&1&\sqrt3\end{pmatrix}\in\mathcal M_n(\mathbb R)}est-elle définie positive ?
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