Réduction des endomorphismes — Centrale-Supélec

Exercices corrigés de Centrale-Supélec sur le thème « réduction des endomorphismes », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) trace ; nilpotence ; orthogonalité
Pour {A\in M_n(\mathbb{C})}, poser {\phi_A(M)=\operatorname{tr}(AM)} et {\tau_A(M)=AM-MA}.
1) Si {A} est nilpotente, montrer {\ker\tau_A\subset\ker\phi_A}.
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2) Si {A=AB-BA}, calculer {P(A)B-BP(A)} et montrer {A} nilpotente.
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3) Prouver la réciproque.
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Exercice 2. (★★★) trace ; nilpotence ; commutateurs
Montrer qu’une matrice complexe est nilpotente si et seulement si son spectre est réduit à {\left\{0\right\}}. Pour {A,B\in M_n(\mathbb{R})}, poser {C=[A,B]} et supposer {[A,C]=0}.

Montrer que {\operatorname{tr}(C^k)=0} pour {k\geq1}, puis que {C} est nilpotente, et établir {[B,A^p]=-pA^{p-1}C}.

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Exercice 3. (★★★★) polynôme minimal ; sous-espaces stables ; diagonalisation
Un endomorphisme est semi-simple si tout sous-espace stable admet un supplémentaire stable.

Montrer que sur {\mathbb{C}} cela équivaut à être diagonalisable, et que sur {\mathbb{R}} cela équivaut à avoir un polynôme minimal sans facteur carré non constant.

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Exercice 4. (★★★) polynôme minimal ; éléments propres ; diagonalisation simultanée
Sur {M_n(\mathbb{C})}, poser {\Phi_A(M)=AM}, {\Psi_B(M)=MB}.

Déterminer leurs polynômes minimaux et leur diagonalisabilité.

Si {A,B} sont diagonalisables, construire une base commune propre formée de matrices de rang un.

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Exercice 5. (★★★★) inversibilité ; trigonalisation ; polynômes annulateurs
Soient {\lambda_1,\ldots,\lambda_r} les valeurs propres distinctes de {A\in M_n(\mathbb{C})} et {P=\prod\limits_i(X-\lambda_i)}.
1) Montrer que {P(A)} est nilpotente.
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2) Montrer que {P'(A)} est inversible et que son inverse est dans {\mathbb{C}[A]}.
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3) Si {N} est nilpotente, montrer {I-N} inversible ; si {U} est inversible et commute avec {N}, montrer {U-N} inversible.
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4) Établir {P(R+S)=P(R)+SP'(R)+S^2G} pour un polynôme {G}.
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5) Montrer que {A_0=A}, {A_{k+1}=A_k-P(A_k)P'(A_k)^{-1}} est bien définie.
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Exercice 6. (★★) diagonalisation ; morphismes ; projecteurs
Soient {G} fini, {f:G\to GL_n(\mathbb{C})} un morphisme, {M=|G|^{-1}\sum\limits_{g\in G}f(g)} et {c(g)=\operatorname{tr}f(g)}.
1) Montrer que {f(g)} est diagonalisable.
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2) Montrer {c(g^{-1})=\overline{c(g)}} et {|c(g)|\leq n}.
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3) Montrer que {\ker(M-I)} est l’espace des vecteurs fixes de {G}.
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4) Montrer {\operatorname{tr}M\in\mathbb{N}}.
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Exercice 7. (★★★★) nilpotence ; similitude ; séries matricielles
Pour {A\in M_n(\mathbb{R})}, définir {\sin A=\sum\limits_{k\geq0}(-1)^kA^{2k+1}/(2k+1)!}.
1) Justifier cette définition.
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2) Avec Python, comparer {A=\left(\begin{smallmatrix}1&2\\[4pt]1&1 \end{smallmatrix}\right)} et {\sin A}, et résoudre graphiquement {\sin x=x}, {\sin(\sin x)=x} ; prouver les résultats.
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3) Si {A\in M_2(\mathbb{R})} est semblable à {\sin A} et de polynôme caractéristique scindé, a-t-on {A=\sin A} ?

Même question en dimensions {4} et {8}.

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4) Définir {\cos A} et trouver en dimension {2} un exemple scindé semblable à {\cos A} mais différent de {\cos A}.
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Exercice 8. (★★★) éléments propres ; Topologie des espaces vectoriels normés ; diagonalisation
Soit {\Gamma\subset GL_n(\mathbb{C})} non vide, compacte et stable par multiplication, et {A\in\Gamma}.

Montrer que ses valeurs propres sont de module {1}, puis que {\ker(A-\lambda I)=\ker(A-\lambda I)^2} pour chaque valeur propre.

Établir la décomposition en espaces caractéristiques et conclure que {A} est diagonalisable.

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Exercice 9. (★★★) nilpotence ; trace ; orthogonalité
Munir {M_n(\mathbb{R})} de {\langle U,V\rangle=\operatorname{tr}(U^TV)}.

Pour {T_A(M)=AM-MA}, montrer {(\operatorname{Im}T_A)^\perp=\left\{M:MA^T=A^TM\right\}}, puis {A} nilpotente si et seulement si {A\in\operatorname{Im}T_A}.

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Exercice 10. (★★★) polynôme caractéristique ; développement d’un déterminant ; éléments propres
Soient {b_n\in\mathbb{R}}, {c_n>0} et {A_n} la matrice symétrique tridiagonale de diagonale {b_1,\ldots,b_n} et de diagonales adjacentes {c_1,\ldots,c_{n-1}}.

Calculer {\chi_{A_1},\chi_{A_2}}, puis une récurrence pour {\chi_{A_n}}.

Si {\lambda\in\operatorname{Sp}A_n}, montrer {\chi_{A_{n+1}}(\lambda)\chi_{A_{n-1}}(\lambda)\lt 0}.

Montrer la simplicité et l’entrelacement strict des spectres successifs.

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Exercice 11. (★★★) densité ; séries matricielles ; diagonalisation
Dans une norme d’algèbre, poser {\log M=-\sum\limits_{k\geq1}(I-M)^k/k} lorsque cette série converge.
1) Programmer les sommes partielles de {\exp M} et {\log M}.

Tester les matrices {\operatorname{diag}(\ln2,\ln3)}, {\left(\begin{smallmatrix}1&1/2\\[4pt]0&1\end{smallmatrix}\right)}, {\left(\begin{smallmatrix}1&-i\pi\\[4pt]i\pi&1\end{smallmatrix}\right)}, ainsi que {\exp(\log M)}.

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2) Si {\lVert M-I\rVert\lt 1}, montrer que le logarithme existe et que {\exp(\log M)=M}, d’abord si {M} est diagonalisable.
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3) Prouver la densité des matrices diagonalisables complexes et étendre l’identité.
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4) Montrer {(I+A/k)^k\to e^A}.
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Exercice 12. (★★★) éléments propres ; second ordre ; continuité linéaire
Sur {E=C([0,1],\mathbb{R})} muni de la norme {L^2}, poser {K(s,t)=(1-s)t} si {t\leq s}, et {K(s,t)=(1-t)s} sinon, puis {Tf(s)=\int_0^1K(s,t)f(t)dt}.

Montrer que {T} est un endomorphisme, que {\lVert Tf\rVert_2\leq\lVert f\rVert_2/\sqrt3} et qu’il est injectif.

Déterminer ses valeurs propres et espaces propres.

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Exercice 13. (★★★) Espaces vectoriels et applications linéaires ; Polynôme minimal ; Trace
Soient {M\in GL_n(\mathbb{R})}, {F(X)=MXM^{-1}} et {f(A,B)=\operatorname{tr}A\operatorname{tr}B-\operatorname{tr}(AB)}.
1) Montrer que {\operatorname{tr}(AB)=\operatorname{tr}(BA)}.
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2) Trouver les endomorphismes {h} tels que {f(F(A),B)=f(A,h(B))}.
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3) Pour {n=2}, soit {h\begin{pmatrix}a&b\\[4pt]c&d\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}a+c&b+d-a-c\\[4pt]c&d-c\end{pmatrix}.}Déterminer les endomorphismes {k} tels que {f(h(A),B)=f(A,k(B))}, puis préciser lesquels sont trigonalisables ou diagonalisables.
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Exercice 14. (★★) Polynôme minimal ; Diagonalisation ; Noyaux des puissances
Soit {A\in M_n(\mathbb{R})} la matrice antidiagonale définie par {A_{i,n+1-i}=a_i}, les autres coefficients étant nuls.
1) Définir le polynôme minimal {\pi_A} et caractériser la diagonalisabilité.
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2) Calculer {\det A} et {A^2}.
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3) Montrer que {A} est diagonalisable si et seulement si {\ker A=\ker A^2}.

Donner une condition sur les {a_i}.

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Exercice 15. (★★★★) Cayley-Hamilton ; Interpolation ; Trigonalisation
On travaille dans {M_n(\mathbb{C})}.
1) Montrer que toute matrice complexe est trigonalisable.
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2) Pour {D=\operatorname{diag}(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}, trouver {f\in\mathbb{C}[X]} avec {f(\alpha_i)^2=\alpha_i} ; en déduire {f(D)^2=D}.
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3) On définit {c_0=1}, {c_{k+1}=\sum\limits_{i=0}^kc_ic_{k-i}} et {\varphi=\sum\limits_{k=0}^{n-1}c_kX^{k+1}}.

Déterminer le reste de {\varphi^2} modulo {X^n}.

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4) Trouver {g} tel que {g(N)^2=I+N} pour toute matrice nilpotente {N} d’ordre {n}.
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5) Si {A} est inversible, montrer qu’il existe {R\in\mathbb{C}[A]} avec {R^2=A}.
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Exercice 16. (★★★★) Dimension ; Sous-espaces stables ; Commutation
Soit {f} diagonalisable sur un espace de dimension finie, avec espaces propres {E_i} de dimensions {n_i}.
1) Montrer que {E=\bigoplus_iE_i}.
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2) Montrer que {gf=fg} équivaut à {g(E_i)\subset E_i} pour tout {i}.

En déduire la dimension du commutant de {f}.

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3) Pour {A\in M_n(\mathbb{C})} quelconque, montrer que la dimension du commutant est au moins {n}.
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Exercice 17. (★★★) noyaux des puissances ; continuité de l’inversion ; nilpotence
Pour {A\in M_n(\mathbb{R})}, posons {f_A(x)=(A+xI)^{-1}A}.
1) Montrer que {f_A} est définie dans un voisinage épointé de zéro.
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2) Étudier sa limite en zéro si {A} est inversible, puis nilpotente.
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3) Pour {u\in\mathcal L(\mathbb{R}^n)}, montrer qu’il existe {p\geq1} tel que {\operatorname{Im}u^p\oplus\ker u^p=\mathbb{R}^n}.

En déduire une décomposition stable avec une restriction inversible et l’autre nilpotente.

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4) Caractériser les {A} pour lesquelles {f_A} a une limite en zéro.
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Exercice 18. (★★) Groupe symétrique, déterminants ; trigonalisation ; trace
Soient {E} complexe de dimension finie et {u\in\mathcal L(E)}.

Montrer qu’il existe {r>0} tel que, pour {|t|\lt r}, {\det(I-tu)=\exp\left(-\sum_{k\geq1}\frac{t^k\operatorname{tr}(u^k)}k\right).}

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Exercice 19. (★★) trigonalisation ; trace ; polynôme caractéristique
Soit {u} sur un espace réel de dimension {n\ge2}.
a) Exprimer les coefficients de {X^{n-1},X^{n-2}} de {\chi_u} avec {\operatorname{tr}u}, {\operatorname{tr}(u^2)}.
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b) Si {u} a rang {2}, montrer {\chi_u=X^{n-2}P}, préciser {P}, et donner une condition pour que {u} soit trigonalisable.
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Exercice 20. (★★) polynôme caractéristique ; congruences ; matrices symétriques rationnelles
a) Montrer que les valeurs propres sont les racines du polynôme caractéristique.
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b) Pour {p,q\in\mathbb{Q}} distincts, trouver {a,b,c\in\mathbb{Z}} premiers entre eux dans leur ensemble, avec {p=a/c}, {q=b/c}.
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c) Existe-t-il des entiers {x,y,z} premiers entre eux dans leur ensemble tels que {x^2+y^2=3z^2} ?
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d) Existe-t-il une matrice symétrique de {M_2(\mathbb{Q})} dont {\sqrt2} est valeur propre ?
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Exercice 21. (★★) polynôme minimal ; polynôme annulateur ; sous-espaces caractéristiques
a) i) Rappeler :

les polynômes minimal {\pi_A} et caractéristique {\chi_A} ;

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a) ii) Rappeler :

un critère de trigonalisation portant sur {\pi_A} ;

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a) iii) Rappeler :

la définition et la dimension d’un sous-espace caractéristique.

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b) i) Pour {k\ge1}, {A} réelle :

si {\chi_A} est scindé, montrer que {\chi_{A^k}} l’est ;

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b) ii) Pour {k\ge1}, {A} réelle :

donner un contre-exemple à la réciproque ;

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b) iii) Pour {k\ge1}, {A} réelle :

si {\chi_{A^2}} est scindé à racines réelles positives ou nulles, montrer que {\chi_A} est scindé réel.

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c) Pour {A} complexe, si pour tout {X} il existe {p\ge1} tel que {A^pX=X}, montrer que {A} est diagonalisable.
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Exercice 22. (★★★) éléments simples ; théorème de Cayley-Hamilton ; trace
Soit {\chi_A=\sum\limits_{i=0}^na_iX^{n-i}} et soient {\lambda_j} les valeurs propres avec multiplicité.
a) Décomposer {P'/P} en éléments simples, puis montrer {\chi_A'(x)/\chi_A(x)=\operatorname{tr}((xI-A)^{-1})} hors du spectre.
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b) Poser {B_j=\sum\limits_{i=0}^ja_iA^{j-i}} et {Q(x)=\sum\limits_{j=1}^nx^{n-j}B_{j-1}}.

Montrer {Q(x)(xI-A)=\chi_A(x)I} et {\operatorname{tr}Q(x)=\chi_A'(x)}.

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c) Pour {S_k=\sum\limits_{j=1}^n\lambda_j^k}, montrer {\sum\limits_{i=0}^ja_iS_{j-i}=(n-j)a_j} pour {0\le j\lt n}.
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Exercice 23. (★★★) théorème de Cayley-Hamilton ; spectres disjoints ; matrices par blocs
a) Énoncer Cayley-Hamilton et le prouver pour une matrice diagonalisable. Soient {A,B\in M_n(\mathbb{C})} de spectres disjoints.
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b) Montrer que {\chi_A(B),\chi_B(A)} sont inversibles, et que pour tout {C} il existe une unique {D} telle que {AD-DB=C}.
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c) Montrer que {\begin{pmatrix}A&C\\[4pt]0&B\end{pmatrix}} est semblable à {\operatorname{diag}(A,B)} et donner un critère de diagonalisation.
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Exercice 24. (★★) trace et déterminant ; polynômes d’endomorphismes ; diagonalisation
Sur {E=M_n(\mathbb{R})}, poser {\Phi_A(M)=AM}, {\Psi_A(M)=MA}.
a) Calculer trace et déterminant de {\Phi_A}.
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b) Exprimer {P(\Phi_A)} et {P(\Psi_A)} pour {P\in\mathbb{R}[X]}.
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c) Si {A} est diagonalisable, que dire de ces endomorphismes ?
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Exercice 25. (★★) signature ; morphismes ; générateurs
a) Définir morphisme de groupes et ordre d’un élément. Une représentation de degré {n} est un morphisme {f:\mathfrak S_3\to GL_n(\mathbb{C})}.
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b) Montrer que chaque {f(\sigma)} est diagonalisable et que la représentation est déterminée par les images de {(1\ 2)} et {(1\ 2\ 3)}.
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c) Donner les représentations de degré {1}.
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d) Donner un exemple de degré {3}.
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Exercice 26. (★★★) valeurs propres ; norme infinie ; noyaux des puissances
Soit {M\in M_n(\mathbb{R})} à coefficients positifs ou nuls, dont chaque ligne a somme {1}.
a) Montrer que {1} est valeur propre et que toute valeur propre complexe a module au plus {1}.
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b) Si chaque coefficient diagonal est strictement positif, montrer que {1} est la seule valeur propre de module {1}.
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c) Montrer {\ker(M-I)^2=\ker(M-I)}.
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Exercice 27. (★★★) exponentielle de matrice ; interpolation de Lagrange ; nilpotence
a) Définir l’exponentielle matricielle et montrer {\exp(P^{-1}AP)=P^{-1}\exp(A)P}.
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b) Si {B} est complexe, inversible et diagonalisable, trouver {A} tel que {B=\exp A}.
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c) Montrer qu’on peut prendre {A=P(B)} pour un polynôme {P}.
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d) Si {M=I+N} avec {N} nilpotente, montrer également {M=\exp(P(M))} pour un polynôme {P}.
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Exercice 28. (★★★) exponentielle de matrice ; diagonalisation ; nilpotence
a) Justifier la définition de l’exponentielle matricielle.
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b) Calculer {\exp\begin{pmatrix}0&t\\[4pt]-t&0\end{pmatrix}} pour {t\in\mathbb{R}}.
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c) Pour {A} diagonalisable, calculer {e^A} par changement de base et montrer {e^A\in\mathbb{K}[A]}.
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d) Si {A=D+N} est sa décomposition de Jordan-Dunford, montrer que celle de {e^A} est {e^D+e^D(e^N-I)}.
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Exercice 29. (★★★) orthogonalité ; théorème spectral ; racines de l’unité
Soit {A=(a_{ij})}, avec {a_{ii}=2}, {a_{ij}=-1} si {|i-j|=1} ou {n-1}, et {a_{ij}=0} sinon.
a) Montrer l’orthogonalité des espaces propres d’une matrice symétrique.
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b) Montrer que {A} est diagonalisable à valeurs propres réelles.
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c) Montrer {\operatorname{Sp}A\subset[0,4]}.
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d) Lister ses valeurs propres.
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Exercice 30. (★★) théorème spectral ; matrices symétriques positives ; sous-espaces stables
a) Pour {M} symétrique réelle, montrer que {M} est positive si et seulement si son spectre est positif ou nul.
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b) Si {M} est symétrique à coefficients positifs ou nuls, toutes ses valeurs propres peuvent-elles être strictement négatives ? Peut-elle avoir une unique valeur propre strictement positive ?
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c) Soient {X_i} une base propre orthonormée de {A}, de valeurs {\lambda_1\le\cdots\le\lambda_n}.

Pour {B(\alpha)=\begin{pmatrix}A&\alpha X_n\\[4pt]\alpha X_n^{\mathsf T}&0\end{pmatrix}}, montrer que {\lambda_1,\ldots,\lambda_{n-1}} restent valeurs propres et donner les deux restantes.

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Exercice 31. (★★★) polynôme caractéristique ; signature ; développement du déterminant
1) Définir la signature et calculer celle de {\sigma=\begin{pmatrix}1&2&3&4&5&6&7&8\\[4pt]2&5&8&3&6&1&7&4\end{pmatrix}}.
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2) Pour {\sigma\in\mathfrak S_n}, soient {\varepsilon(\sigma)} sa signature et {\nu(\sigma)} son nombre de points fixes.

(i) Calculer sous forme factorisée le polynôme caractéristique de la matrice {A} de diagonale nulle et de coefficients hors diagonale égaux à {-1}.

(ii) En déduire {\sum\limits_{\sigma\in\mathfrak S_n}\varepsilon(\sigma)/(1+\nu(\sigma))}.

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Exercice 32. (★★★) sous-espaces stables ; morphismes de groupes ; diagonalisation
Soient {n\geq2}, {E} complexe de dimension {n} et {(e_1,\ldots,e_n)} une base.
1) (i) Pour un groupe fini {G}, que vaut {x^{|G|}} ? Le démontrer si {G} est abélien.

(ii) Pour {\sigma\in\mathfrak S_n}, soit {f_\sigma(e_i)=e_{\sigma(i)}}.

Montrer que {\sigma\mapsto f_\sigma} est un morphisme vers {GL(E)}.

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2) Montrer que {f_\sigma} est diagonalisable et déterminer ses éléments propres.
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3) Déterminer les sous-espaces stables par tous les {f_\sigma}.
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Exercice 33. (★★★★) diagonalisation simultanée ; isomorphismes de groupes ; polynômes annulateurs
1) Montrer qu’une famille finie de matrices complexes diagonalisables commutant deux à deux possède une base propre commune.
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2) Montrer que {GL_n(\mathbb{C})} et {GL_p(\mathbb{C})} ne sont pas isomorphes si {n\ne p}.
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Exercice 34. (★★★★★) trigonalisation simultanée ; décomposition des noyaux ; nilpotence
Soit {M\in M_n(\mathbb{C})} de valeurs propres distinctes {\lambda_1,\ldots,\lambda_r}.
1) Montrer que {M} commute avec tout polynôme en {M}.
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2) Pour {P=\prod\limits_{j=1}^r(X-\lambda_j)}, montrer que {P'(M)} est inversible.
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3) Pour deux matrices qui commutent, montrer l’existence d’un vecteur propre commun puis d’une trigonalisation simultanée.
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4) Étudier la définition et la convergence de {M_0=M}, {M_{k+1}=M_k-P(M_k)P'(M_k)^{-1}}.
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Exercice 35. (★★★★) polynômes annulateurs ; diagonalisation simultanée ; commutation
1) Montrer qu’une matrice est diagonalisable sur {\mathbb{K}} si et seulement si elle possède un polynôme annulateur scindé à racines simples.
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2) Si {A,B\in M_n(\mathbb{C})} sont diagonalisables et commutent, montrer que {A+\lambda B} est diagonalisable pour tout {\lambda\in\mathbb{C}}.
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3) Pour {n\geq3}, donner des matrices réelles non commutantes dont {A+\lambda B} est diagonalisable pour tout réel {\lambda}.
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4) Pour {A,B\in M_2(\mathbb{C})} diagonalisables, si {A+\lambda B} est diagonalisable pour tout complexe {\lambda}, montrer qu’elles commutent.
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Exercice 36. (★★★) division euclidienne ; interpolation de Lagrange ; diagonalisation
Soient {n\geq1}, {F=\sum\limits_{k=0}^{n-1}a_kX^k} et {\Phi(P)} le reste de {PF} modulo {X^n-1} sur {\mathbb{C}_{n-1}[X]}.
1) Rappeler la division euclidienne et montrer que {\Phi} est un endomorphisme.
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2) Donner sa matrice canonique, ses éléments propres et discuter sa diagonalisabilité.
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Exercice 37. (★★★) trace ; polynôme caractéristique ; diagonalisation
Soit {u} un endomorphisme réel de dimension {n}.
1) Montrer que ses valeurs propres sont les racines de {\chi_u}.
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2) Exprimer les coefficients de {X^{n-1},X^{n-2}} avec {\operatorname{tr}u}, {\operatorname{tr}u^2}.
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3) Si {\operatorname{rg}u=2}, donner une condition nécessaire et suffisante sur ces deux traces pour que {u} soit diagonalisable.
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Exercice 38. (★★★★) décomposition en éléments simples ; trace des puissances ; théorème d’Abel
Pour {A\in M_n(\mathbb{C})}, soit {\rho(A)=\max_{\lambda\in\operatorname{Sp}A}|\lambda|}.
1) Justifier sa définition et rappeler le lien entre valeurs propres et {\chi_A}.
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2) Pour {P_A(X)=X^n\chi_A(1/X)}, décomposer {P_A'/P_A} en éléments simples.
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3) Si {\rho(A)\leq1} et {1\notin\operatorname{Sp}A}, montrer la convergence et l’égalité {\sum_{k\geq1}\frac{\operatorname{tr}(A^k)}k =-\int_0^1\frac{P_A'(t)}{P_A(t)}dt.}
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Exercice 39. (★★★★★) valeurs propres ; noyau ; matrices définies positives
Soient {H_n=(1/(i+j+1))_{0\leq i,j\lt n}}, {E} l’espace des fonctions réelles continues et intégrables sur {[0,1[}, et {K_n(x)=\sum\limits_{k=0}^{n-1}x^k}.
1) Énoncer et prouver le critère d’injectivité d’une application linéaire.
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2) Pour {T_n(f)(x)=\int_0^1K_n(xt)f(t)dt} : (i) montrer que {T_n} est un endomorphisme ;

(ii) montrer que zéro est valeur propre ;

(iii) comparer ses valeurs propres à celles de {H_n}.

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Exercice 40. (★★★) inégalité de Cauchy-Schwarz ; axiomes d’une norme ; valeurs propres
Pour {A=(a_{ij})\in M_n(\mathbb{R})}, soit {N(A)=\max_{i,j}(|a_{ij}|+|a_{ji}|)/2}.
1) Démontrer Cauchy-Schwarz.
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2) {N} est-elle une norme ?
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3) Montrer que toute valeur propre {\lambda} vérifie {|\lambda|\leq nN(A)}.
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Exercice 41. (★★★) polynôme caractéristique ; différentielle ; norme sous-multiplicative
Sur {M_d(\mathbb{K})}, {\mathbb{K}=\mathbb{R}} ou {\mathbb{C}}, soit {N(A)=\max_j\sum\limits_i|a_{ij}|}.
1) Montrer {N(AB)\leq N(A)N(B)}.
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2) Pour {k\in\mathbb{N}}, différencier {R_k(A)=A^k}.
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3) Montrer la dérivabilité de {t\mapsto\chi_{tA}\in\mathbb{R}_d[X]} et calculer sa dérivée.
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4) Montrer la dérivabilité de {t\mapsto\chi_{tA}(B)} et calculer sa dérivée.
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PSI


Exercice 1. (★★★) Diagonalisation ; Racines de l’unité ; Polynômes annulateurs
Soient {a_0,\ldots,a_{N-1}\in\mathbb{C}} et {\theta\in\mathbb{R}}. On considère la matrice {J} définie par {J(x_1,\ldots,x_N)^T=(x_2,\ldots,x_N,x_1)^T}, la matrice circulante {A} de première ligne {(a_0,a_1,\ldots,a_{N-1})}, chaque ligne suivante étant obtenue par décalage circulaire vers la droite, et {V=(e^{i\theta},e^{2i\theta},\ldots,e^{Ni\theta})^T}.
1) Exprimer {A} comme polynôme en {J}.
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2) Montrer que {J} est diagonalisable sur {\mathbb{C}}.

Quand {V} est-il un vecteur propre de {J}?

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3) Diagonaliser {A} et donner son déterminant.
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Exercice 2. (★★★★) Trace ; Injectivité ; Polynômes annulateurs
Soit {f:M_n(\mathbb{C})\to M_p(\mathbb{C})} linéaire telle que {f(I_n)=I_p} et {f(AB)=f(A)f(B)}. On pose {\Phi(M)=\operatorname{tr}(f(M))}.
1) Montrer que {\Phi(AB)=\Phi(BA)}.
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2) En déduire que {\Phi(M)=\alpha\operatorname{tr}M} pour un {\alpha\in\mathbb{C}}.
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3) Montrer que {n} divise {p}.
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4) Montrer que {f(A)} est diagonalisable si {A} l’est.
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5) Pour {n=p=2}, montrer que {f} est bijective.
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Exercice 3. (★★★★) Dimension ; Sous-espaces réels ; Diagonalisation
Pour {M\in M_2(\mathbb{C})}, on pose {M^\star=\overline M^{\,T}}. Soient {\mathcal A=\left\{M:M^\star=-M,\ \operatorname{tr}M=0\right\},\qquad G=\left\{M:M^\starM=I_2,\ \det M=1\right\}.}
1) Montrer que {\mathcal A} est un espace vectoriel réel et donner sa dimension.
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2) Est-ce un espace vectoriel complexe?
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3) Caractériser {\mathcal A\cap G}.
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4) Une matrice de {G} est-elle diagonalisable?
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Exercice 4. (★★★) Matrices semblables ; Polynômes annulateurs ; Caractérisation séquentielle
1) Si {A,B\in M_n(\mathbb{C})} sont semblables et {P\in\mathbb{C}[X]}, montrer que {P(A)} et {P(B)} sont semblables.
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2) Soit {B_k\to B}, où chaque {B_k} est semblable à une même matrice diagonalisable {A}.

Montrer que {B} est semblable à {A}.

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3) Est-ce encore vrai si {A} n’est pas diagonalisable?
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Exercice 5. (★★) Polynôme caractéristique ; Groupe symétrique, déterminants ; Racines de l’unité
Soit {A\in M_2(\mathbb{Z})}.
1) Si {A} est inversible, montrer que {A^{-1}} est entière si et seulement si {\det A=\pm1}.
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2) Si {A^p=I} pour un entier {p\geq1}, montrer que {A^{-1}} est entière, et qu’il n’y a qu’un nombre fini de polynômes caractéristiques possibles.
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Exercice 6. (★★) Polynôme caractéristique ; Interpolation ; Calcul polynomial
Soit {A=\begin{pmatrix}3&-1&2\\[4pt]2&0&1\\[4pt]1&-1&2\end{pmatrix}}.
1) Montrer que {A} a une valeur propre double {a>0} et une simple {b>0}.

Est-elle diagonalisable ?

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2) Pour {f\in C^2(\mathbb{R}_+^\star,\mathbb{R})}, montrer l’existence et l’unicité de {P_f\in\mathbb{R}_2[X]} tel que {P_f(a)=f(a)}, {P_f(b)=f(b)}, {P_f'(a)=f'(a)}.
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3) On pose {f(A)=P_f(A)}.

Calculer cette matrice pour {f(x)=x^2}, puis {x^3}.

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4) Pour {f(x)=1/x}, calculer {Af(A)}.
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Exercice 7. (★★) Éléments propres ; Intégration sur un intervalle quelconque ; Intégration par parties
Sur l’espace {E} des fonctions polynomiales, on pose {L(P)(x)=e^{-x}\int_{-\infty}^xP(t)e^t\,dt}.

Montrer que {L} est un endomorphisme de {E}, puis déterminer ses éléments propres.

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Exercice 8. (★★) Éléments propres ; Sous-espaces stables ; Bases orthonormées
Soit {A\in M_3(\mathbb{R})} antisymétrique non nulle.

Montrer que zéro est sa seule valeur propre réelle et qu’il existe {P\in O_3(\mathbb{R})}, {\alpha\in\mathbb{R}} tels que {A=P\begin{pmatrix}0&0&0\\[4pt]0&0&-\alpha\\[4pt]0&\alpha&0\end{pmatrix}P^T.}

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Exercice 9. (★★) Matrices et applications linéaires ; Nilpotence ; Sous-espaces stables
1) Pour {n\geq2}, les matrices nilpotentes forment-elles un sous-espace ?
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2) Montrer que {M} est nilpotente si et seulement si {M^n=0}.
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3) Déterminer les matrices symétriques nilpotentes.
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4) Si {A} est singulière et {N} nilpotente avec {AN=NA}, montrer que {A+N} est singulière.
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Exercice 10. (★★★) puissances de matrices ; Suites numériques ; diagonalisation
Soient {a,b,c\in\mathbb{R}} avec {a+b+c=1}.
a) Si {|z_1+z_2+z_3|=|z_1|+|z_2|+|z_3|}, montrer qu’il existe {|u|=1} et {\alpha_i\ge0} tels que {z_i=\alpha_i u}.
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b) Donner les valeurs propres de {J=\begin{pmatrix}0&1&0\\[4pt]0&0&1\\[4pt]1&0&0\end{pmatrix}}.
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c) Déterminer la limite éventuelle des puissances de {M=\begin{pmatrix}a&b&c\\[4pt]c&a&b\\[4pt]b&c&a\end{pmatrix}}.
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Exercice 11. (★★) noyau et image ; diagonalisation orthogonale ; espaces propres
Pour {M=\begin{pmatrix}a&0&c\\[4pt]0&b&0\\[4pt]c&0&a\end{pmatrix}}, {a,b,c\in\mathbb{R}} :
a) donner valeurs propres et déterminant ;
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b) déterminer noyau et image ;
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c) étudier la diagonalisation.
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Exercice 12. (★★) espaces propres ; puissances de matrices ; projecteurs
Soit {M} de diagonale constante {a} et de coefficients hors diagonale constants {b}.
a) Déterminer ses puissances.
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b) Déterminer ses éléments propres.
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Exercice 13. (★★) projecteurs ; diagonalisation ; sommes directes
a) Soit {u} complexe possédant exactement deux valeurs propres distinctes {\lambda_1,\lambda_2}.

Montrer qu’il est diagonalisable si et seulement s’il existe des projecteurs {p_1,p_2} tels que {u=\lambda_1p_1+\lambda_2p_2}, {p_1+p_2=I}.

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b) Pour {a,b\in\mathbb{C}^\star}, montrer que la matrice de diagonale {a+b} et de coefficients hors diagonale {a} est diagonalisable.
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Exercice 14. (★★) espaces propres ; Espaces vectoriels et applications linéaires ; polynôme annulateur
Sur {\mathbb{R}_3[X]}, soit {\varphi(P)} le reste de {X^2P} modulo {X^4-1}.
a) Montrer que c’est un endomorphisme et donner sa matrice canonique.
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b) Étudier sa diagonalisation, ses valeurs et espaces propres.
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c) Est-il inversible ?

Donner son inverse.

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Exercice 15. (★★★) nilpotence ; projecteurs ; commutation
Dans {\mathbb{R}^2}, soit {p} le projecteur sur {\operatorname{Vect}(e_1)} parallèlement à {\operatorname{Vect}(e_1+e_2)}.
b) Donner sa matrice {A}.
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c) Résoudre {AB-BA=B} dans {M_2(\mathbb{R})}.

Plus généralement, poser {\psi_f(g)=fg-gf} sur {\mathcal L(E)}, en dimension finie, et supposer {\psi_f(g)=g}.

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d) Montrer {\psi_f(g^k)=kg^k} pour {k\ge1}.
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e) En déduire que {g} est nilpotent.
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Exercice 16. (★★) espaces propres ; polynôme annulateur ; rang
Soit {A\in M_n(\mathbb{R})} non nulle et {\Phi(M)=\operatorname{tr}(AM)I}.
a) Exprimer {\Phi^2} avec {\Phi}.
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b) Donner un critère de diagonalisation et les espaces propres.
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Exercice 17. (★★★) valeurs propres ; polynômes de matrices ; commutation
Soient {A,B,U\in M_n(\mathbb{C})} avec {U\ne0} et {AU=UB}.
a) Montrer que les valeurs propres de {A} sont racines de tout polynôme annulateur de {A}.
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b) Montrer {P(A)U=UP(B)} pour tout polynôme {P}.
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c) Montrer {\operatorname{Sp}A\cap\operatorname{Sp}B\ne\varnothing}.
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Exercice 18. (★★★) racines de l’unité ; diagonalisation ; trace
Soit {M\in M_2(\mathbb{Z})} d’ordre fini {d=\min\left\{k\ge1:M^k=I\right\}}.
a) Montrer qu’elle est diagonalisable, à valeurs propres de module {1}, et {|\operatorname{tr}M|\le2}.
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b) Si ses valeurs propres sont réelles, donner les ordres possibles.
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c) Sinon montrer qu’elle est annulée par {X^2+1}, {X^2-X+1} ou {X^2+X+1}, et donner les ordres possibles.
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Exercice 19. (★★★★) matrices semblables ; nilpotence ; polynômes de matrices
Pour {A\in M_n(\mathbb{R})}, poser {U=\begin{pmatrix}A&A\\[4pt]0&A\end{pmatrix}}, {V=\operatorname{diag}(A,A)}.
a) Calculer {R(U),R(V)} pour un polynôme {R}.
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b) Si {U,V} sont semblables et {A} diagonalisable, montrer qu’il existe un polynôme scindé simple {P} avec {AP'(A)=0}, puis {A=0}.
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c) Sans diagonalisation, montrer que la similitude impose {A} nilpotente.

Étudier la réciproque pour {n=1}, puis {n=2}.

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Exercice 20. (★★★) bases propres ; polynôme annulateur ; isomorphismes
Pour {A\in M_n(\mathbb{C})}, poser {f_A(M)=AM}.
a) Montrer que {A} est diagonalisable si et seulement si {f_A} l’est.
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b) Pour deux bases {(X_i),(Y_j)} de {\mathbb{C}^n}, montrer que les {X_iY_j^{\mathsf T}} forment une base de {M_n(\mathbb{C})}.
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c) Si {A} est diagonalisable, construire une base propre de {f_A}.
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Exercice 21. (★★★) polynôme annulateur ; racines simples ; identité de Bézout
a) Si {M^2} est diagonalisable et {M} inversible, montrer que {M} est diagonalisable. Supposer plus généralement {q(M)} diagonalisable et {q'(M)} inversible.
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b) Trouver un polynôme {p} scindé simple avec {(p\circ q)(M)=0}.
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c) En considérant les facteurs {q(X)-\beta_j}, montrer que chaque valeur propre de {M} est racine simple de {p\circ q}, puis conclure.
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Exercice 22. (★★) lemme des noyaux ; diagonalisation ; noyaux des puissances
Soit {f} sur un espace complexe de dimension finie.
a) Si {f} est diagonalisable, montrer que {f^2} l’est.
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b) Montrer alors {\ker f=\ker f^2}.
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c) Pour {\lambda\ne0} et {\mu^2=\lambda}, montrer {\ker(f^2-\lambda I)=\ker(f-\mu I)\oplus\ker(f+\mu I)}.
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d) Si {f^2} est diagonalisable inversible, montrer que {f} l’est aussi.
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e) Si {f^2} est diagonalisable, montrer que {f} l’est exactement lorsque {\ker f=\ker f^2}.
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Exercice 23. (★★) espaces propres ; endomorphismes autoadjoints ; réflexions
Soient {v\ne0} dans un espace euclidien et {\lambda\in\mathbb{R}^\star}, {f(x)=x-\lambda\langle x,v\rangle v}.
a) Montrer la linéarité et le caractère autoadjoint.
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b) Pour quelles valeurs de {\lambda} est-ce une isométrie ?

Identifier alors cet endomorphisme.

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c) Donner les éléments propres et étudier la diagonalisation.
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Exercice 24. (★★) injectivité et surjectivité ; espaces propres ; Espaces vectoriels et applications linéaires
Sur {E=C^0(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})}, poser {\varphi(f)(0)=f(0)} et {\varphi(f)(x)=x^{-1}\int_0^xf(t)dt} pour {x>0}.
a) Montrer que c’est un endomorphisme.
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b) Étudier injectivité et surjectivité.
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c) Déterminer ses éléments propres.
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Exercice 25. (★★★) nilpotence ; Espaces vectoriels et applications linéaires ; familles libres
Soit {J_k} le bloc nilpotent d’ordre {k} ayant des uns sur la sous-diagonale et zéro ailleurs. L’indice de nilpotence est le plus petit {p\geq1} tel que {M^p=0}.
1) Montrer qu’une nilpotente d’indice {n} dans {M_n(\mathbb{R})} est semblable à {J_n}.
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2) Montrer que tout indice est au plus {n}.
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3) Pour {M^2=0}, {M\ne0}, de rang {r}, montrer la similitude à {\operatorname{diag}(J_2,\ldots,J_2,0_{n-r})}.
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Exercice 26. (★★) polynôme caractéristique ; nilpotence ; matrices semblables
1) Montrer qu’une matrice complexe est nilpotente exactement si son polynôme caractéristique est {X^n}.
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2) Si {A} est semblable à {2A}, montrer qu’elle est nilpotente et préciser {\chi_A}.
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3) Montrer que {\begin{pmatrix}0&0\\[4pt]1&0\end{pmatrix}} est semblable à son double.
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4) Généraliser à {A^{n-1}\ne0}, {A^n=0}.
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Exercice 27. (★★) inversibilité ; Matrices et applications linéaires ; nilpotence
Soient {E} complexe de dimension {n\geq1}, {u} nilpotent et {p\geq1} tel que {u^p=0}.
1) Montrer que {\operatorname{Sp}u=\left\{0\right\}}.
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2) Pour {v=\sum\limits_{k=0}^{p-1}u^k}, montrer son inversibilité et donner l’inverse.
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3) Montrer {\ker(v-I)=\ker u}.
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4) Donner le spectre de {v}.
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Exercice 28. (★★) formule de Taylor polynomiale ; diagonalisation ; bases de polynômes
Soient {n\geq2}, {E=\mathbb{R}_n[X]}.
1) Rappeler Taylor pour un polynôme en un point {a} et le démontrer en zéro.
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2) Montrer que pour chaque {P\in E} il existe un unique {Q\in E} tel que {(x-1)Q(x)=\int_1^xP(t)dt}.
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3) Montrer que l’application {f:P\mapsto Q} est un endomorphisme diagonalisable.
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Exercice 29. (★★★) projecteurs ; polynômes annulateurs ; diagonalisation
Soient {a,b\in\mathbb{R}} tels que {ab(a-b)\ne0}, et {f,u,v} sur un espace réel de dimension {n\geq3}, avec {f=au+bv}, {f^2=a^2u+b^2v}, {f^3=a^3u+b^3v}.
1) Donner un exemple non nul diagonalisable en dimension trois.
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2) Montrer en général que {f} est diagonalisable.
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3) Montrer que {u,v} sont des projecteurs commutants.
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Exercice 30. (★★★★) matrice d’un endomorphisme ; polynôme caractéristique ; diagonalisation
Soit {A=\begin{pmatrix}a&b\\[4pt]c&d\end{pmatrix}\in M_2(\mathbb{R})} et {\Phi(M)=AM+(AM)^T} sur {S_2(\mathbb{R})}.
1) Donner sa matrice dans {(E_{11},E_{22},E_{12}+E_{21})}.
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2) Montrer {\chi_\Phi(X)=4(X-a-d)\chi_A(X/2)}.
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3) Si {\Phi} est diagonalisable, {A} l’est-elle ?
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4) Si {A} est diagonalisable, {\Phi} l’est-elle ?
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Exercice 31. (★★) espaces propres ; théorème spectral ; trace
1) Pour {M\in S_n(\mathbb{R})}, montrer que toute valeur propre complexe est réelle, en considérant {\overline Z^TMZ}.
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2) Soit {A} dont la dernière ligne et colonne sont {(1,2,\ldots,n)}, les autres coefficients étant nuls.

(i) Calculer {\operatorname{tr}A,\operatorname{tr}A^2}.

(ii) Donner ses valeurs propres et vecteurs propres.

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PC


Exercice 1. (★★★) Groupe symétrique, déterminants ; Récurrences linéaires du second ordre ; Polynôme caractéristique
(Python) Poser {D_1(a,b)=a} et, pour {n\geq2}, {D_n(a,b)=\det(aI_n-A_n(b))}, où {A_n(b)} a une diagonale nulle, une sous-diagonale égale à {-1} et une surdiagonale {(-2b,-b,\ldots,-b)}.
a) Calculer {D_1,D_2,D_3}.
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b) Donner une récurrence linéaire d’ordre {2}.
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c) Programmer D1(n,a,b).
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d) Pour {b} réel, donner le degré en {a}.
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e), f), g), h) e) Tracer pour {3\leq n\leq5}, {1\leq b\leq n} sur {[-2\sqrt b,2b\sqrt b]}.

Conjecturer les zéros.

f) En déduire une conjecture de réduction de {A_n(b)}.

g) Pour {T_0=1}, {T_1=X}, {T_{n+2}=2XT_{n+1}-T_n}, calculer {T_n(\cos\theta)}.

h) Donner les racines de {T_n}.

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i) Donner les zéros de {D_n} pour {b} complexe.
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Exercice 2. (★★) Polynôme caractéristique ; Rang ; Déterminants
a) Déterminer le polynôme caractéristique d’une matrice de rang {1}.
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b) Pour {A\in GL_n(\mathbb{R})} et {X\in M_{n,1}(\mathbb{R})}, montrer {\det(A+XX^T)=(1+X^TA^{-1}X)\det A}.
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Exercice 3. (★★★) Polynôme caractéristique ; Rang ; Sous-espaces stables
Pour {n\geq2}, déterminer le rang et le polynôme caractéristique de {A=(\sin(i+j))_{1\leq i,j\leq n}}.
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Exercice 4. (★★★) Polynôme caractéristique ; Diagonalisation ; Sous-espaces propres
Soient {n\geq2}, {a_1,\ldots,a_n\in\mathbb{C}} et {A=\begin{pmatrix}0_{n-1}&v\\[4pt]v^T&a_n\end{pmatrix}, \qquad v=(a_1,\ldots,a_{n-1})^T.}
a) Calculer son polynôme caractéristique.
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b) Étudier sa diagonalisabilité.
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Exercice 5. (★★★) Valeurs intermédiaires ; Polynôme caractéristique ; Diagonalisation
Soit {H_n} de diagonale {(1,\ldots,n)} et de coefficients hors diagonale {1}, et {P_n=\chi_{H_n}}.
a) Montrer que {P_{n+1}=(X-n)P_n-\prod\limits_{k=0}^{n-1}(X-k)}.
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b) Montrer que {(-1)^{n+k}P_n(k)>0} pour {0\leq k\lt n}.
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c) Montrer que {H_n} possède {n} valeurs propres réelles distinctes ; conclure.
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Exercice 6. (★★★★) Éléments propres ; Trace ; Trigonalisation
Soit {A\in M_n(\mathbb{C})}.
a) Si {1} est sa seule valeur propre, montrer que {\operatorname{tr}(A^k)=n} pour {1\leq k\leq n}.
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b) Établir la réciproque.
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Exercice 7. (★) Sous-espaces propres ; Commutation ; Diagonalisation
Soit {f} un endomorphisme d’un espace complexe de dimension {n}, ayant {n} valeurs propres distinctes, et {u=P(f)}.
a) Montrer que {f,u} sont diagonalisables dans une même base.
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b) Si {g} commute avec {f}, est-il diagonalisable ?
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Exercice 8. (★★) Dimension ; Commutation ; Sous-espaces stables
Soit {f} diagonalisable sur un espace de dimension {n} et {C_f=\left\{g:fg=gf\right\}}.
a) Montrer que {g\in C_f} exactement si chaque espace propre de {f} est stable par {g}.
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b) Montrer que {\dim C_f=\sum\limits_\lambda m_\lambda^2}, où {m_\lambda} est la multiplicité de {\lambda}.
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c) Si le spectre est simple, montrer que {(\operatorname{id},f,\ldots,f^{n-1})} est une base de {C_f}.
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Exercice 9. (★★★★) Éléments propres ; Diagonalisation ; Déterminants
Pour {x\in\mathbb{R}} et {n\geq1}, soit {M(x)\in M_{n+1}(\mathbb{R})}, de diagonale {x}, avec {M_{ij}=j} si {j\lt i} et {M_{ij}=j-1} si {j>i}.
a) Calculer son déterminant.
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b) Montrer sa diagonalisabilité et calculer ses valeurs propres.
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c) Montrer que toutes les {M(x)} sont simultanément diagonalisables.
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d) Donner un plan vectoriel de matrices simultanément diagonalisables.
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Exercice 10. (★★) Rang ; Diagonalisation ; Polynômes annulateurs
a) Existe-t-il des matrices de rang {1} diagonalisables ? non diagonalisables ?
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b) Donner une condition nécessaire et suffisante sur leur trace.
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c) Pour {A\in M_n(\mathbb{K})} de rang {1}, démontrer de deux manières que {A^2=\operatorname{tr}(A)A}, puis calculer son polynôme caractéristique.
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Exercice 11. (★★) Racines de l'unité ; Diagonalisation ; Polynômes annulateurs
Soit {A\in M_2(\mathbb{R})} d’ordre multiplicatif exact {p\geq3}.
a) Montrer que {A} est diagonalisable sur {\mathbb{C}}, mais pas sur {\mathbb{R}}.
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b) Montrer qu’elle est semblable à {\begin{pmatrix}0&-1\\[4pt]1&2\cos(2k\pi/p)\end{pmatrix}}, pour un {1\leq k\lt p} premier avec {p}.
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Exercice 12. (★★★★) Noyau et image ; Éléments propres ; Bases
Soit {\Phi(P)=(X+3)P(X)-XP(X+1)} sur {\mathbb{R}[X]}.
a) Déterminer son noyau.
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b) Est-elle surjective ?
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c) Déterminer ses valeurs propres et ses vecteurs propres.
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Exercice 13. (★★) Matrice d'un endomorphisme ; Éléments propres ; Diagonalisation
(Python) Sur {E_n=\mathbb{R}_n[X]}, poser {\varphi_n(P)=4XP'-P''}.
a) Montrer que c’est un endomorphisme et donner sa matrice {A_n}.
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b) Montrer sa diagonalisabilité.
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c), d), e), f) c) Programmer A(n), VP(n), puis observer les résultats pour {0\leq n\leq4}.

d) Montrer l’existence d’un unique polynôme propre unitaire {P_n} de degré {n}.

e) Programmer le calcul des premiers {P_n}.

f) Exprimer ses coefficients.

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Exercice 14. (★★★) Module ; Éléments propres
Soit {A\in M_n(\mathbb{R})} à coefficients strictement positifs, de sommes de lignes égales à {1}.
a) Montrer que {1} est valeur propre.
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b) Montrer que toute valeur propre a un module inférieur à {1}.
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c) Montrer que {1} est la seule valeur propre de module {1}.
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Exercice 15. (★★★★) Éléments propres ; Diagonalisation ; Déterminants
Pour {x\in\mathbb{R}}, soit {M(x)\in M_{n+1}(\mathbb{R})}, avec {M_{ij}=j} si {j\lt i}, {M_{ii}=x} et {M_{ij}=j-1} si {j>i}.
a) Calculer son déterminant.
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b) Montrer qu’elle est diagonalisable et préciser ses valeurs propres.
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Exercice 16. (★★★) Dimension ; Polynôme caractéristique ; Trigonalisation
Soit {D_n=\left\{A\in M_n(\mathbb{R}):\chi_A=\prod\limits_{i=1}^n(X-a_{ii})\right\}}.
a) Montrer que chaque élément est trigonalisable.
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b) Déterminer {D_2}.
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c) Si {A,D\in D_n}, montrer que {\begin{pmatrix}A&B\\[4pt]0&D\end{pmatrix}\in D_{2n}} pour tout {B}.
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d) Si {A\in D_n} est antisymétrique, montrer que {A^n=0}, puis {A^2=0} et {A=0}.
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e) Donner la dimension maximale d’un sous-espace inclus dans {D_n}.
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Exercice 17. (★★) Matrice d'un endomorphisme ; Éléments propres
(Python) Soit {n\geq1} et {\Phi_n(P)=n^2XP+(1-X)((2n-1)X+1)P'+(X-1)^2XP''.}
a) Calculer {\Phi_n(1)} et montrer que, pour {1\leq i\leq n}, {\Phi_n(X^i)=(n-i)^2X^{i+1}+2i(n-i)X^i+i^2X^{i-1}}.
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b) Montrer que {\Phi_n} est un endomorphisme de {\mathbb{R}_n[X]} et donner sa matrice canonique.
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c), d) c) Programmer mat(n).

d) Afficher mat(2) et conjecturer ses valeurs propres.

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Exercice 18. (★★) Polynôme caractéristique ; Théorème spectral ; Trace
(Python) Une matrice réelle est à diagonale propre si {\chi_A=\prod\limits_{k=1}^n(X-a_{kk})}.
a) Montrer que toute matrice triangulaire l’est.
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b) Est-elle nécessairement diagonale ? triangulaire supérieure ?
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c) Déterminer celles d’ordre {2}.
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d) Programmer un test d’ordre {3}, au seuil {10^{-5}}.
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e) Pour {A} symétrique, exprimer {\operatorname{tr}(A^TA)} de deux façons et montrer que la propriété équivaut à être diagonale.
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f) Déterminer les matrices antisymétriques à diagonale propre.
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Exercice 19. (★★★) Trigonalisation ; Densité ; Polynômes annulateurs
Soit {A\in M_n(\mathbb{C})}.
a) Montrer que {A} est limite de matrices diagonalisables.
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b) En déduire {\chi_A(A)=0}.
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Exercice 20. (★★★) Sous-espaces stables ; Bases orthonormées ; Dérivation
(Python) Soit {A=\begin{pmatrix}0&a&b\\[4pt]-a&0&c\\[4pt]-b&-c&0\end{pmatrix}\ne0}.
a) Donner une base de {A_3(\mathbb{R})}.
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b) Montrer que {0} est valeur propre.
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c), d), e) c) Programmer une matrice antisymétrique aléatoire.

Pour {X'=AX}, {X(0)=(1,2,3)^T} :

d) Résoudre numériquement.

e) Tracer l’arc et conjecturer sa forme.

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f) Donner le coefficient de {X} dans {\chi_A}.
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g) Construire une base orthonormée donnant {A=P\operatorname{diag}(0,\begin{pmatrix}0&\alpha\\[4pt]-\alpha&0\end{pmatrix})P^T}.
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h) Prouver la conjecture géométrique.
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Exercice 21. (★★★) Probabilités totales ; Diagonalisation ; Lois
(Python) Pour {n\geq1}, poser {\Phi_n(P)=X(1-X)P'/n+XP}.
a) Montrer que c’est un endomorphisme de {\mathbb{R}_n[X]}.
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b), c), d) b) Programmer son action sur un polynôme.

c) Programmer ses valeurs propres.

d) Conjecturer leur expression.

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e) Prouver la conjecture avec {X^k(X-1)^{n-k}} ; étudier la diagonalisabilité.
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f) Dans une urne de {n} boules, effectuer des tirages uniformes avec remise.

Si {Y_k} compte les boules distinctes obtenues après {k} tirages, montrer que {\mathbb{P}(Y_{k+1}=i)=i\mathbb{P}(Y_k=i)/n +(n-i+1)\mathbb{P}(Y_k=i-1)/n}.

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g) Pour {G_k(X)=\sum\limits_{i=0}^n\mathbb{P}(Y_k=i)X^i}, montrer que {G_{k+1}=\Phi_n(G_k)}.
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Exercice 22. (★★) Diagonalisation ; Transposition ; Inversibilité
Pour {\alpha\in\mathbb{K}} ({\mathbb{K}=\mathbb{R}} ou {\mathbb{C}}), soit {f_\alpha(M)=M^T+\alpha M}.

Montrer que {f_0} est diagonalisable, déterminer les {\alpha} pour lesquels {f_\alpha} l’est, puis les {\alpha,B} pour lesquels {f_\alpha(M)=B} a une unique solution.

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Exercice 23. (★★) Éléments propres ; Trigonalisation ; Sous-espaces stables
Soit {\varphi\in\mathcal L(\mathbb{R}[X])}, {\varphi(1)=1}, et {\varphi(P)'=\varphi(P')}.
1) Montrer {\varphi(X^n)=X^n+R_n}, {\deg R_n\lt n}.
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2) Montrer la stabilité de {\mathbb{R}_n[X]} et caractériser la diagonalisabilité de la restriction.
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3) Montrer que {\varphi} est un automorphisme et déterminer ses valeurs propres.
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Exercice 24. (★★★) Module ; Éléments propres ; Sous-espaces propres
Soit {A=(a_{ij})\in M_n(\mathbb{R})} avec {a_{ij}>0} et {\sum\limits_ja_{ij}=1} pour tout {i}.

Montrer que un est valeur propre, que toute valeur propre complexe a module au plus un, que celles de module un sont égales à un et que {E_1(A)} est une droite.

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Exercice 25. (★★★) Éléments propres ; Noyau et image ; Premier ordre
Soit {E=\left\{f\in C^0(\mathbb{R}_+,\mathbb{R}):f(0)=0\right\}}. Posons {\varphi(f)(0)=0} et {\varphi(f)(x)=x^{-1}\int_0^xf(t)dt} pour {x>0}.

Montrer que {E} est un espace vectoriel et {\varphi} un endomorphisme.

Étudier son injectivité, sa surjectivité et ses éléments propres.

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Exercice 26. (★★) Éléments propres ; Prolongement des dérivées ; Premier ordre
Soit {E=\left\{f\in C^1([0,1],\mathbb{R}):f(0)=0\right\}} et {\Phi(f)(x)=\int_0^xf(t)/t\,dt}.

Justifier que {\Phi\in\mathcal L(E)} et déterminer ses éléments propres.

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Exercice 27. (★★) diagonalisation ; matrices par blocs ; polynômes annulateurs
Soit {p} projecteur de rang {r\le n-1} sur un espace complexe de dimension {n\ge2} et {\Phi(f)=(fp+pf)/2}.
a) Calculer {\Phi^2,\Phi^3}.
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b) Montrer la diagonalisation.
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c) Donner les valeurs propres et dimensions des espaces propres.
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Exercice 28. (★★★) noyau et image ; éléments propres ; second ordre à coefficients constants
Sur {E=C^0([0,1],\mathbb{R})}, poser {\Phi(f)(x)=\int_0^1\min(x,t)f(t)dt}.
a) Montrer que c’est un endomorphisme.
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b) Déterminer noyau et image.
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c) Déterminer les éléments propres.
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Exercice 29. (★★★) diagonalisation ; polynôme caractéristique ; polynômes annulateurs
Soit {A} de sous-diagonale {-1}, de dernière colonne {(-a_0,\ldots,-a_{n-1})^{\mathsf T}}, et nulle ailleurs.

Poser {P=X^n+\sum\limits_{k=0}^{n-1}a_kX^k}.

Donner une condition nécessaire et suffisante de diagonalisation de {A}.

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Exercice 30. (★★) interpolation de Lagrange ; commutation ; sous-espaces stables
Soit {f} sur un espace de dimension {n}, avec {n} valeurs propres distinctes, et {g} commutant avec {f}.
a) Montrer {g} diagonalisable.
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b) Trouver {P\in\mathbb{K}_{n-1}[X]} avec {g=P(f)}.
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c) Calculer la dimension du commutant de {f}.
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Exercice 31. (★★★★) matrices par blocs ; diagonalisation ; polynômes annulateurs
Soit {A\in GL_n(\mathbb{C})}.
a) {B=\begin{pmatrix}A&A\\[4pt]0&A\end{pmatrix}} est-elle diagonalisable ?
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b) Montrer que {C=\begin{pmatrix}0&A\\[4pt]I&A\end{pmatrix}} est diagonalisable si et seulement si {A} l’est.
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Exercice 32. (★★★) sous-espaces stables ; diagonalisation ; polynômes annulateurs
Soit {u} sur un espace de dimension {n\ge2}.
a) S’il existe {x} tel que {(x,ux,\ldots,u^{n-1}x)} soit une base, montrer que {u} est diagonalisable exactement lorsqu’il a {n} valeurs propres distinctes.
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b) Montrer la réciproque : {n} valeurs propres distinctes donnent un tel vecteur {x}.
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c) Si les seuls sous-espaces stables sont {0,E}, montrer que tout {x\ne0} a cette propriété.
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Exercice 33. (★★★★) éléments propres ; endomorphismes positifs et définis positifs ; théorème spectral
a) Pour {u} autoadjoint positif, montrer {\langle x,ux\rangle=0\iff x\in\ker u}.
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b) Pour {a,b} autoadjoints positifs :

i) construire {h\ge0} avec {h^2=b} ;

ii) montrer que {g=hah} est diagonalisable ;

iii) comparer valeurs propres et dimensions des espaces propres de {f=ab} et de {g}, puis conclure sur {f}.

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Exercice 34. (★★★) diagonalisation ; trigonalisation ; adhérence
Soit {T=\begin{pmatrix}1&2&3\\[4pt]0&1&2\\[4pt]0&0&1\end{pmatrix}}.
a) Est-elle diagonalisable ?
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b) Est-elle limite de matrices diagonalisables ?
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c) Pour {P\in\mathbb{R}_n[X]}, montrer qu’il est scindé réel exactement s’il existe {c>0} avec {|P(z)|\ge c|\operatorname{Im}z|}.
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d) Montrer qu’une limite de matrices diagonalisables réelles est trigonalisable réelle.
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Exercice 35. (★★) matrices orthogonales ; diagonalisation ; polynômes annulateurs
Pour {\sigma\in S_n}, ensemble des permutations de {\left\{1,\ldots,n\right\}}, on pose {P_\sigma=(\delta_{i,\sigma(j)})_{1\leq i,j\leq n}}.
1) Montrer que {P_\sigma P_s=P_{\sigma\circ s}} et que {P_\sigma} est orthogonale.
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2) Montrer qu’il existe {\ell\geq1} tel que {P_\sigma^\ell=I_n}.

Montrer que ses valeurs propres complexes sont de module un et que un est valeur propre.

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3) À quelle condition est-elle diagonalisable sur {\mathbb{C}} ? Sur {\mathbb{R}} ?
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Exercice 36. (★★★★) Polynômes d’endomorphismes et de matrices ; formule du binôme ; diagonalisation
Soient {A\in M_n(\mathbb{R})} et {f:M\mapsto AM-MA}.
1) Montrer que, si {A} est nilpotente, {f} l’est également.
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2) Si {|\operatorname{Sp}(A)|=n}, montrer que {(I_n,A,\ldots,A^{n-1})} est une base de {\ker f}.
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3) Montrer que, si {A} est diagonalisable, {A^T} l’est également.

Donner alors une base de vecteurs propres de {f}.

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Exercice 37. (★★★) Raisonnement et ensembles ; interpolation de Lagrange ; diagonalisation
Soient {n\geq1} et {A\in M_n(\mathbb{K})} diagonalisable, ayant {p} valeurs propres distinctes.

Dénombrer les {P\in\mathbb{K}_{p-1}[X]} tels que {A} et {P(A)} soient semblables.

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Exercice 38. (★★★★) diagonalisation ; commutation ; produit scalaire
Soit {A\in M_n(\mathbb{R})} diagonalisable.

Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu’il existe {P\in\mathbb{R}[X]} tel que {A^T=P(A)}.

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Exercice 39. (★★★★) éléments propres ; trigonalisation ; sous-espaces stables
1) Soient {u,v\in\mathcal L(\mathbb{C}^n)} non nuls tels que {u\circ v=0}.

Montrer que {\ker u\ne\left\{0\right\}} et qu’il est stable par {v}.

En déduire un vecteur propre commun.

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2) Soient {A,B\in M_n(\mathbb{C})} tels que {AB=0}.

Montrer qu’ils sont trigonalisables dans une même base.

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Exercice 40. (★★★★) trigonalisation ; isomorphismes ; polynômes annulateurs
Soient {A,B\in M_n(\mathbb{C})} de spectres disjoints.
1) Montrer que {\chi_A(B)} est inversible.
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2) Montrer que, pour tout {Y\in M_n(\mathbb{C})}, il existe {M} tel que {AM-MB=Y}.
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3) Si les spectres ne sont plus disjoints, montrer qu’il existe {M\ne0} tel que {AM=MB}.
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Exercice 41. (★★★) rotations et réflexions du plan ; sous-espaces stables ; diagonalisation
1) Montrer que tout endomorphisme d’un espace vectoriel réel de dimension finie {n\geq2} admet une droite ou un plan stable.
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2) Montrer que toute matrice de {O_n(\mathbb{R})} est diagonalisable dans {\mathbb{C}}.
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Exercice 42. (★★★) trigonalisation ; trace ; polynôme caractéristique
Soit {C} l’ensemble des {A\in M_n(\mathbb{R})} telles que {\chi_A=\prod\limits_{i=1}^n(X-a_{ii})}.
1) Pour {A\in C}, calculer {\operatorname{tr}(A^TA)}.
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2) Déterminer {C\cap S_n(\mathbb{R})}.
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3) Déterminer {C\cap A_n(\mathbb{R})}, où {A_n(\mathbb{R})} désigne les matrices antisymétriques.
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Exercice 43. (★★★) éléments propres ; noyau et image ; premier ordre
Soit {E} l’ensemble des {f\in C^0([0,1[,\mathbb{R})} s’annulant en zéro. On pose {\varphi(f)(0)=0} et {\varphi(f)(x)=x^{-1}\int_0^xf(t)\,dt} pour {x\in]0,+\infty[}.
1) Montrer que {\varphi} est un endomorphisme.
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2) Est-elle injective ? Surjective ?
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3) Déterminer ses valeurs propres et ses espaces propres.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.