Exercices corrigés de Centrale-Supélec sur le thème « groupe symétrique, déterminants », regroupés par filière.
MP–MPI
Exercice 1. (★★★) relations coefficients-racines ; déterminant de Vandermonde ; interpolation de Lagrange
Soit {V=(c_i^{j-1})_{1\leq i,j\leq n}}, avec {c_i\in\mathbb{C}}.
1) Calculer {\det V}.
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2) Soit {V_i}, {1\leq i\leq n}, la matrice d'évaluation des monômes {1,X,\ldots,X^{i-1},X^{i+1},\ldots,X^n} aux points {c_j}.
Noter {S_k} les fonctions symétriques élémentaires des {c_j}.
Exprimer les coefficients de {\prod\limits_j(X-c_j)}, puis {\det V_i}.
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3) Discuter l'inversibilité de {V} et expliciter son inverse.
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Exercice 2. (★★★) Déterminant de Vandermonde ; Théorème de Rolle ; Continuité
Soient {a_1\lt \cdots\lt a_p}, {b_1\lt \cdots\lt b_p} réels et {M=(e^{a_ib_j})_{1\leq i,j\leq p}}.
1) Calculer {\det M} si {b_k=k-1}.
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2) Montrer que {M} est inversible, puis que {\det M>0}.
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Exercice 3. (★★★) Monotonie ; Injectivité ; Inversibilité
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} continue telle que, pour toute {A=(a_{ij})\in GL_n(\mathbb{R})}, {(f(a_{ij}))} soit inversible.
1) Avec {U_{x,y}=\begin{pmatrix}x&1\\[4pt]y&1\end{pmatrix}}, montrer que {f} est injective.
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2) Avec {T=\left\{(x,y):x\lt y\right\}}, en déduire que {f} est strictement monotone.
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3) Si {f(\mathbb{R})=\mathbb{R}_+^\star}, montrer qu'il existe {a} tel que {f(x)f(y)=f(a)f(z_{x,y})} pour des réels {z_{x,y}}, puis obtenir une contradiction.
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4) Traiter de même {f(\mathbb{R})=\mathbb{R}_-^\star}.
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Exercice 4. (★★★) Développement par une ligne ; Comatrice ; Inversibilité
1) Rappeler le développement d'un déterminant selon une ligne ou une colonne, puis relier {\operatorname{Com}A}, {A} et {\det A}.
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2) Calculer le déterminant de la matrice tridiagonale de diagonale {2} et de sous-diagonales {-1}.
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3) Montrer qu'une matrice réelle de diagonale strictement positive, d'autres coefficients négatifs, et de sommes de lignes strictement positives est inversible.
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4) Montrer que les coefficients de son inverse sont positifs.
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Exercice 5. (★★★) Déterminant de Gram ; Produit scalaire ; Espaces euclidiens
1) Montrer que {\langle P,Q\rangle=\int_0^1P(t)Q(t)\,dt} est un produit scalaire.
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2) Montrer que toute matrice de Gram d'une base euclidienne est symétrique définie positive.
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3) Pour {p\geq0}, poser {L_p=\frac{d^p}{dX^p}[X^p(1-X)^p]}.
Montrer que {(L_p)} est orthogonale.
Est-elle orthonormale ?
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4) Montrer que {M=(1/(i+j-1))_{1\leq i,j\leq n+1}} est symétrique définie positive et calculer son déterminant.
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Exercice 6. (★★★) Matrices définies positives ; Déterminants par blocs ; Théorème spectral
Soit {A=\begin{pmatrix}A_1&B\\[4pt]B^T&A_2\end{pmatrix}} symétrique définie positive, avec {A_1\in S_p(\mathbb{R})} et {A_2\in S_q(\mathbb{R})}.
1) Montrer que {A_1,A_2} sont définies positives.
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2) Justifier leurs racines carrées symétriques définies positives {R_1,R_2}.
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3) Montrer que {\det A\leq\det A_1\det A_2}.
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Exercice 7. (★★★) continuité du déterminant ; maximum sur un compact ; Espaces préhilbertiens réels
Soit {\mathcal A} l'ensemble des matrices réelles de coefficients dans {[-1,1]}.
a) Montrer la continuité du déterminant.
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b) Montrer qu'il y admet un maximum {\alpha}.
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c) Montrer que ce maximum est strictement positif et réalisé par une matrice inversible de coefficients dans {\left\{-1,1\right\}}.
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d) Montrer {\alpha\le n^{n/2}} et caractériser l'égalité par l'orthogonalité des colonnes d'une matrice maximale de ce type.
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Exercice 8. (★★★) relations coefficients-racines ; division euclidienne ; multiplicité des racines
1) Énoncer la division euclidienne dans {\mathbb{K}[X]}.
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2) Donner le reste de {P} modulo {(X-a)^2} et une condition pour que {a} soit racine simple.
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3) Pour {n\geq2}, soit {P_n=X^n-X+(-1)^n}.
Compter ses racines dans {\mathbb{Q}}, {\mathbb{R}}, {\mathbb{C}}.
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4) Si {a_1,\ldots,a_n} sont ses racines complexes, calculer le déterminant de la matrice de diagonale {1+a_i} et de coefficients hors diagonale un.
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Exercice 9. (★★) Polynômes et fractions rationnelles ; identité de Bézout ; comatrice
1) Montrer que {A\operatorname{Com}(A)^T=\det(A)I_n} pour {A\in M_n(\mathbb{R})}.
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2) On définit {GL_n(\mathbb{Z})} par les matrices entières inversibles dont l'inverse est entier.
Montrer que {A\in GL_n(\mathbb{Z})} équivaut à {\det A=\pm1} pour {A\in M_n(\mathbb{Z})}.
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3) Montrer qu'un polynôme irréductible de {\mathbb{Q}[X]} a des racines complexes simples.
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PSI
Exercice 1. (★★) noyau et rang ; formule de Leibniz ; norme euclidienne
a) Si une matrice entière a diagonale impaire et tous ses autres coefficients pairs, montrer que son déterminant est impair.
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b) Pour {X\in M_{n,k}(\mathbb{R})}, montrer {\operatorname{rg}X=\operatorname{rg}(X^{\mathsf T}X)}.
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Exercice 2. (★★★) relations coefficients-racines ; racines de l’unité ; racines d’un polynôme
Pour {n\geq2}, soit {P_n=X^n-X+1}.
1) Montrer qu'il a au plus une racine réelle ; la localiser dans un intervalle de longueur un.
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2) Déterminer les racines de {P_n'} en utilisant les racines {n}-ièmes de l'unité.
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3) Pour les racines {\eta_1,\eta_2,\eta_3} de {P_3}, calculer le déterminant de la matrice de diagonale {1+\eta_i} et de coefficients hors diagonale un.
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PC
Exercice 1. (★★★) Déterminant de Vandermonde ; Racines ; Relations coefficients-racines
Soient {a_1,\ldots,a_{n-1}} réels distincts et {P(x)} le déterminant dont les lignes sont {(1,a_i,\ldots,a_i^{n-2},a_i^n),}puis {(1,x,\ldots,x^{n-2},x^n)}.
a) Donner son degré et son coefficient dominant.
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b) Factoriser {P}.
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c) Calculer {D_n=\det(1,x_i,\ldots,x_i^{n-2},x_i^n)_{1\leq i\leq n}}.
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d) Proposer une autre méthode de calcul.
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Exercice 2. (★★★) Rang ; Développement du déterminant ; Transposition
Soit {A\in A_n(\mathbb{R})} dont les coefficients hors diagonale valent {\pm1}.
a) Déterminer les possibilités pour {n=1,2}.
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b) Montrer que {\det A=0} si {n} est impair.
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c) Calculer {\det J}, où {J_{ij}=1} pour {i\ne j} et {J_{ii}=0}.
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d) En considérant {A-J}, montrer que {\det A} est impair si {n} est pair.
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e) Déterminer le rang de {A}.
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Exercice 3. (★★) Projection orthogonale ; Gram-Schmidt ; Majorations
Pour {A=(a_{ij})\in M_n(\mathbb{R})} et {c=\max|a_{ij}|}, montrer que {|\det A|\leq n^{n/2}c^n}. On pourra commencer par des colonnes orthogonales.
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Exercice 4. (★★★) Éléments propres ; Racines de l'unité ; Polynômes de matrices
Soit {J\in M_n(\mathbb{C})} la matrice définie par {J_{i,i+1}=1} et {J_{n,1}=1}, les autres coefficients étant nuls.
Déterminer ses valeurs et vecteurs propres, puis le déterminant de la matrice circulante de première ligne {(a_0,\ldots,a_{n-1})}, chaque ligne suivante étant décalée d'un cran vers la droite.
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Exercice 5. (★★★) déterminant de Vandermonde ; module et argument ; racines de l'unité
Pour {n\ge2}, {\omega=e^{2i\pi/n}}, poser {\Omega_n=(\omega^{(\ell-1)(m-1)})_{1\le\ell,m\le n}}.
a) Exprimer son déterminant par un produit de différences.
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b) Calculer {\Omega_n\overline{\Omega_n}} et en déduire le module du déterminant.
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c) Calculer {\sum\limits_{1\le\ell\lt k\le n}(k+\ell)}.
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d) Calculer {\det\Omega_n}.
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Exercice 6. (★★) déterminant d’une famille, d’un endomorphisme ou d’une matrice ; inversibilité ; calcul matriciel
1) Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu'une matrice de Vandermonde soit inversible.
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2) Soient {Q_0,\ldots,Q_n\in\mathbb{R}_n[X]} et {z_0,\ldots,z_n\in\mathbb{R}}.
Calculer le déterminant de {R=(Q_i(z_j))_{0\leq i,j\leq n}}.
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