Exercices corrigés de Centrale-Supélec sur le thème « matrices et applications linéaires », regroupés par filière.
MP–MPI
Exercice 1. (★★★★) trace ; commutateurs ; changements de bases
Soient {K\subset\mathbb{C}} un sous-corps et {u\in\mathcal L(E)}, où {\dim_K E=n\geq1}.
1) Si {u} stabilise toutes les droites, montrer que c’est une homothétie.
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2) Si {\operatorname{tr}u=0}, trouver une base où sa diagonale est nulle.
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3) Montrer que {\operatorname{tr}M=0} équivaut à {M=AB-BA}.
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4) Le résultat de la deuxième question subsiste-t-il sur un corps fini ?
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Exercice 2. (★★★★) trace ; matrices semblables ; commutateurs
Pour {[A,B]=AB-BA}, soit {\mathcal E=\left\{[A,B]:A,B\in M_n(\mathbb{C})\right\}}.
a) Montrer que ses matrices ont trace nulle et que l’ensemble est stable par similitude et multiplication scalaire.
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b) Montrer qu’une matrice de trace nulle est semblable à une matrice de diagonale nulle.
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c) Montrer que {\mathcal E} est l’ensemble des matrices de trace nulle.
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Exercice 3. (★★★★) Structures Algébriques ; matrices unimodulaires ; identité de Bézout
Pour {a\in\mathbb{Z}}, poser {S_a=\begin{pmatrix}1&a\\[4pt]0&-1\end{pmatrix}}, {T_a=\begin{pmatrix}1&a\\[4pt]0&1\end{pmatrix}}.
a) Relier l’inverse d’une matrice à sa comatrice.
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b) Montrer que {GL_2(\mathbb{Z})} est un groupe et contient {S_a,T_a}.
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c) Calculer {T_bS_aT_b^{-1}}.
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d) Si {M\in M_2(\mathbb{Z})} a polynôme caractéristique {X^2-1}, montrer qu’elle est conjuguée dans {GL_2(\mathbb{Z})} à {S_0} ou {S_1}.
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PSI
Exercice 1. (★★) matrices par blocs ; rang ; inversion
Pour {A_1,A_2,A_3,A_4\in M_n(\mathbb{R})}, poser {A=\begin{pmatrix}A_1&A_2\\[4pt]A_3&A_4\end{pmatrix}}, {C_1=\binom{A_1}{A_3}}, {C_2=\binom{A_2}{A_4}}.
a) Montrer {\operatorname{rg}A\le\operatorname{rg}C_1+\operatorname{rg}C_2}.
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b) Montrer {\operatorname{rg}A\le\sum\limits_{k=1}^4\operatorname{rg}A_k}.
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c) Si {A_1,A_4} sont inversibles et {A_3=0}, {A} est-elle inversible ?
Donner son inverse.
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Exercice 2. (★) changement de base ; matrice de Gram ; matrices définies positives
Pour une base {\mathcal B=(e_i)} de {\mathbb{R}^n}, poser {(A_{\mathcal B})_{ij}=\langle e_i,e_j\rangle}.
a) Si {X,Y} sont les coordonnées de {x,y} dans cette base, montrer {\langle x,y\rangle=X^{\mathsf T}A_{\mathcal B}Y}.
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b) Pour une autre base {\mathcal C} et sa matrice de passage {P}, montrer {A_{\mathcal C}=P^{\mathsf T}A_{\mathcal B}P}.
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c) Montrer {\det A_{\mathcal B}>0}, {\operatorname{tr}A_{\mathcal B}>0}.
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d) Montrer que {A_{\mathcal B}} est définie positive.
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Exercice 3. (★★★) trace ; produit matriciel ; formes linéaires
1) Montrer {\operatorname{tr}(AB)=\operatorname{tr}(BA)} sur {M_n(\mathbb{C})}.
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2) Pour {f:M_n(\mathbb{C})\to M_p(\mathbb{C})} linéaire multiplicative, poser {\phi(M)=\operatorname{tr}(f(M))} et montrer {\phi(AB)=\phi(BA)}.
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3) En déduire {\phi(M)=\alpha\operatorname{tr}M} pour une constante complexe {\alpha}.
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PC
Exercice 1. (★★) Puissances de matrices ; Développement de l'exponentielle ; Convergence absolue
(Python) Pour {M\in M_2(\mathbb{R})}, poser {f_n(M)=\sum\limits_{k=0}^nM^k/k!}.
a) Donner une base et la dimension de {A_2(\mathbb{R})}.
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b) Calculer les puissances d’une matrice de cet espace.
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c) Montrer que {f_n(M)} converge et donner sa limite.
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d) Programmer f(A,n).
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Exercice 2. (★★★★) Dimension ; Trace ; Similitude
Soit {H=\left\{M\in M_n(\mathbb{R}):\operatorname{tr}M=0\right\}}.
a) Montrer que c’est un sous-espace et donner sa dimension.
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b) Montrer que toute matrice de {H} est semblable à une matrice de diagonale nulle.
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c) Montrer que {H=\left\{AB-BA:A,B\in M_n(\mathbb{R})\right\}}.
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Exercice 3. (★★★★) Similitude ; Matrices définies positives ; Parties bornées
Pour {S} symétrique définie positive, poser {O_S=\left\{M:M^TSM=S\right\}} et {\mathcal E=\bigcap_{S>0}O_S}.
a) Montrer que chaque {O_S} est borné ; qu’en déduire pour {\mathcal E} ?
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b) Montrer que {PMP^{-1}\in\mathcal E} pour {M\in\mathcal E} et {P} inversible.
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c) Déterminer les matrices dont la classe de similitude est bornée.
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d) En déduire {\mathcal E=\left\{I,-I\right\}}.
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Exercice 4. (★★★★) Déterminant de Vandermonde ; Convergence absolue ; Interpolation de Lagrange
(Python) Pour {t\in[-2,2]}, poser {u_0(t)=1} et {u_n(t)=\prod\limits_{j=1}^n(1-t2^{-j})}.
a) Étudier sa convergence par les logarithmes et montrer que sa limite {L(t)} est strictement positive sur {[-2,2[}. Calculer {L(2)}.
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b) Montrer l’unicité de la solution {(a_{0,n},\ldots,a_{n,n})} du système {\sum\limits_{j=0}^n2^{ij}x_j=(-1)^i}, {0\leq i\leq n}.
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c) Programmer {M(n)=(2^{ij})}, {\Gamma(n)=((-1)^i)} et {u(n,t)}, puis la matrice triangulaire {\lambda_{k,n}=u_{n-k}(1)a_{k,n}/u_k(-1)}, {1\leq k\leq n}.
Tester jusqu’à {n=6}, conjecturer et relier {a_{k,n}} à sa limite {a_k}, avec {\lambda=L(1)/L(-1)}.
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d), e) d) Tester le déterminant obtenu en remplaçant la colonne {k} de {M_n} par {a_{k,n}C_k-\Gamma_n} ; conjecturer.
e) Démontrer cette dernière conjecture.
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Exercice 5. (★★★★) Espaces vectoriels et applications linéaires ; Trace ; Formes linéaires
Pour {n\geq2}, soit {f} une forme linéaire sur {M_n(\mathbb{R})}.
Montrer qu’il existe {A} tel que {f(M)=\operatorname{tr}(AM)}.
En déduire que tout hyperplan contient une matrice inversible.
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