Exercices corrigés du CCINP et d’autres écoles sur le thème « espaces euclidiens », regroupés par filière.
MP–MPI
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Que signifie la dernière identité ?
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Montrer que toute {A\in GL_n(\mathbb{R})} s’écrit de façon unique {A=OT}, avec {O} orthogonale et {T} triangulaire supérieure à diagonale strictement positive.
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Montrer sa symétrie, déterminer son noyau et ses éléments propres.
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Déterminer son rang, ses espaces propres et la matrice de la projection orthogonale sur son image.
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Caractériser les symétries orthogonales de {\mathbb{R}^3} commutant avec la symétrie par rapport au plan {x+y+z=0}.
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Montrer l’équivalence entre {uu^\star=u^\staru}, l’égalité {\langle ux,uy\rangle=\langle u^\starx,u^\stary\rangle} pour tous {x,y}, et {\lVert ux\rVert=\lVert u^\starx\rVert} pour tout {x}.
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Montrer {G\in S_n^+}, trouver {A\in M_n(\mathbb{R})} avec {G=A^TA}, et montrer que le rang de {G} est celui de la famille.
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Pour {ux=\lambda x}, montrer {\lVert u^\starx\rVert^2=\lambda^2\lVert x\rVert^2}, puis que {u,u^\star} ont mêmes espaces propres.
Montrer leur orthogonalité pour des valeurs distinctes et que, si {u} est diagonalisable, il est symétrique.
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Pour la matrice tridiagonale de diagonale {k} et de diagonales voisines un, montrer que sa plus grande valeur propre est au plus {k+2}.
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Montrer que {f} est {C^1} et que {df_{I_n}(H)=H^T+H}.
Déterminer son noyau, puis en déduire que l’espace tangent à {O_n(\mathbb{R})} en {I_n} est {A_n(\mathbb{R})}.
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b) Montrer {n^{-1}\sum\limits_{k=0}^{n-1}f^kx\to h(x)}.
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b) Montrer la stabilité de {S^+} par addition ; est-ce un espace vectoriel ?
c) Construire une racine carrée positive de tout {u\ge0}.
d) Montrer {\ker(u+v)=\ker u\cap\ker v} et {\operatorname{Im}(u+v)=\operatorname{Im}u+\operatorname{Im}v}.
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2) Quelle est la nature de l’endomorphisme associé ?
3) Pour {x,y\ne0} de même norme, montrer que {x-y} et {x+y} sont orthogonaux, puis qu’il existe {V\in O_n(\mathbb{R})} tel que {Vx=y}.
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2) Si {r\geq0} et {\langle fx,x\rangle\leq r\lVert x\rVert^2} pour tout {x}, montrer {b\leq r}.
3) Pour la matrice de diagonale {k\in\mathbb{R}}, de coefficients un immédiatement au-dessus et au-dessous, nulle ailleurs, montrer que sa plus grande valeur propre est au plus {k+2}.
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Montrer que {\varphi(x)=\langle a,x\rangle a+\langle b,x\rangle b} est autoadjoint et donner ses éléments propres.
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Pour {f(x)=\langle a,x\rangle a+\langle b,x\rangle b}, déterminer le noyau et l’image, puis montrer que {f} est autoadjoint.
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Montrer qu’il existe {\lambda_1,\ldots,\lambda_n\in\mathbb{R}} tels que {\chi_A=\prod\limits_{k=1}^n(X-\lambda_k)} et {\lVert A\rVert^2=\sum\limits_{k=1}^n\lambda_k^2}.
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2) Pour {f\in S^+(E)}, montrer {f^2=p\iff f=p}.
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PSI
Déterminer la matrice de la rotation d’axe orienté par {e} et d’angle {2\pi/3}.
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Caractériser par trois équations le fait que son endomorphisme soit une rotation.
Montrer que cela équivaut à ce que {a,b,c} soient les racines de {X^3-X^2+p}, avec {p\in[0,4/27]}.
Si {b=c\ne0}, déterminer axe et angle.
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Donner une condition nécessaire et suffisante pour que {A} soit une matrice de rotation vectorielle.
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b) Montrer que {M\in O_n(\mathbb{R})}.
c) Pour {n=3}, déterminer toutes ces matrices.
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b) Montrer {(\sum\limits_{i=1}^r\lambda_i)^2\le r\sum\limits_{i=1}^r\lambda_i^2}.
c) Pour {B\in S_n(\mathbb{R})}, montrer {(\operatorname{tr}B)^2\le\operatorname{rg}(B)\operatorname{tr}(B^2)}.
d) Soit {B} symétrique avec {b_{ii}=1} et {|b_{ij}|\le1/\sqrt n} pour {i\ne j}.
e) Exprimer {\operatorname{tr}(B^2)} et montrer qu’elle est au plus {2n}.
f) Montrer {\operatorname{rg}B\ge n/2}.
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b) Montrer qu’elle est symétrique.
c) Montrer que {M=I_n}.
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Montrer que cette famille est une base orthonormée.
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2) Montrer {s(x)=x-2\langle x,u\rangle u/\lVert u\rVert^2}.
3) Pour {H=\left\{(x,y,z):x-y+z=0\right\}} dans {\mathbb{R}^3}, donner la matrice de {s}.
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Conclure.
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Si {B^k=0} pour un {k\geq1}, montrer que {A} est antisymétrique.
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(iii) {\langle ux,x\rangle=0} pour tout {x\in E}.
Montrer que deux de ces propositions impliquent la troisième.
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PC
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Est-elle diagonalisable ?
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En déduire que {M,N} sont inversibles.
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Montrer que {\Omega=MN^{-1}} est orthogonale et n’admet pas {-1} comme valeur propre.
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Montrer que {\Delta} est un sous-espace ; admettre d’abord {\Delta=\mathbb{R}I}.
Si {f_A=I}, montrer que {A} est orthogonale puis {A=\pm I}.
Montrer {f_A} bijective si et seulement si {A} est inversible.
Exprimer les colonnes de {AE_{ij}} et les lignes de {E_{ij}A}, puis démontrer {\Delta=\mathbb{R}I}.
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Est-elle diagonalisable ?
Donner ses valeurs propres.
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Montrer que c’est un produit scalaire.
Pour {F=\left\{P:P(a)+P(b)+P(c)=0\right\}}, déterminer {F^\perp} et {d(X^2,F)}.
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Montrer que {\Delta} est un sous-espace.
Si {f_A=I}, montrer que {A} est orthogonale, puis, en admettant {\Delta=\mathbb{R}I}, que {A=\pm I}.
Montrer {A} inversible si et seulement si {f_A} est bijective.
Décrire les colonnes de {AE_{ij}} et les lignes de {E_{ij}A}, puis établir {\Delta=\mathbb{R}I}.
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Montrer que {\ker(f-I)} et {\operatorname{Im}(f-I)} sont orthogonaux, puis supplémentaires orthogonaux.
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Montrer que toute {A\in M_n(\mathbb{R})} a une valeur propre réelle.
Pour {A} antisymétrique, montrer {\operatorname{Sp}_{\mathbb{R}}A=\left\{0\right\}}.
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Avec {\langle M,N\rangle=\operatorname{tr}(M^TN)}, montrer que {\varphi_A} est un endomorphisme symétrique.
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b) Est-elle diagonalisable ?
Déterminer ses valeurs propres.
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b) Si les valeurs propres de {f} sont distinctes, montrer que celles de {g} le sont aussi.
c) Que dire d’une matrice symétrique réelle ?
Donner un contre-exemple symétrique complexe.
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Montrer {\operatorname{tr}(AA^T)=\sum\limits_{i,j}a_{ij}^2=\sum\limits_i\lambda_i^2}.
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