Matrices stochastiques irréductibles [Python]

Pour {A=(a_{i,j})\in M_n(\mathbb R)}, on note {a_{i,j}^{(m)}=(A^m)_{i,j}}. Une matrice est stochastique si ses coefficients sont positifs ou nuls et si chaque ligne somme à {1}.

Elle est primitive si elle est stochastique et si une de ses puissances est strictement positive coefficient par coefficient. Elle est irréductible si elle est stochastique et si, pour tous {i,j}, il existe {m\ge1} tel que {a_{i,j}^{(m)}\gt0}. Les questions [P] utilisent Python.

Dans la question 1, {A} est d’ordre {6}, d’indices {0} à {5}, avec {a_{i,i-1}=i/5} pour {1\le i\le5}, {a_{i,i+1}=1-i/5} pour {0\le i\le4}, et des coefficients nuls ailleurs.

1. (a) [P] Vérifier que {A} et {B=(A+I_6)/2} sont stochastiques. Sont-elles primitives, irréductibles ? Donner les éléments propres de {A}.

1. (b) [P] Écrire une fonction d’arguments {(P,m)} renvoyant {m^{-1}\sum\limits_{k=1}^mP^k}. Afficher les résultats pour {A} avec {m=50,100,300}, et comparer à {B^m}.

2. Pour toute matrice stochastique {A}, montrer que {1} est valeur propre et que son spectre complexe est inclus dans le disque unité fermé.

Dans toute la suite, {A} est stochastique et irréductible.

3. (a) Montrer que {B=(A+I_n)/2} est primitive.

3. (b) On admet que {1} est valeur propre simple de {B} et que {(B^k)} converge vers une matrice de rang {1} dont toutes les lignes sont égales à un vecteur stochastique strictement positif {\widehat b}. En déduire que {1} est simple pour {A}, et qu’il existe un unique vecteur ligne stochastique strictement positif {\widehat a} tel que {\widehat aA=\widehat a}.

3. (c) Donner un exemple très simple d’une matrice stochastique irréductible non primitive possédant une valeur propre de module {1} autre que {1}.

3. (d) Montrer par un exemple que, sans irréductibilité, {1} n’est pas nécessairement une valeur propre simple.

On note {\widehat A} la matrice stochastique dont toutes les lignes sont égales à {\widehat a}.

4. (a) Caractériser géométriquement l’endomorphisme de matrice {\widehat A}.

4. (b) Posons {C=A-\widehat A}. Montrer que {C\widehat A=\widehat AC=0}, puis {A^k=C^k+\widehat A} pour {k\ge1}.

4. (c) Montrer que {C-I_n} est inversible.

4. (d) Montrer que
{\frac1m\sum_{k=1}^mA^k=\widehat A+\frac1mC(I_n-C)^{-1}(I_n-A^m+\widehat A)}pour {m\ge1}, et en déduire la convergence de ces moyennes. Que devient la limite lorsque {A} est en outre bistochastique ?