PCSI1-PCSI2 DS n˚09 - SAMEDI 21 MAI 2016 - 3 heures 2015-2016
La calculatrice n’est pas autorisée. Les résultats seront encadrés ou soulignés .
Exercice 1 Dans tout le problème, on note 𝐶=
8 2 2
254
2 4 5
.
On note 𝑓l’endomorphisme canoniquement associé à la matrice 𝐶, donc 𝑓∈ ℒ(3).
On note 𝑐= (𝑒1, ⃗𝑒2, ⃗𝑒3)la base canonique de 3.
Partie I - Sous espaces définis par 𝑓et calcul de 𝐶𝑛
1. (a) Calculer det (𝐶). Que peut-on en déduire pour 𝑓?
(b) Préciser le rang de 𝑓.
2. (a) Déterminer une base, notée 1,de Ker(𝑓)et une base, notée 2de Im(𝑓).
(b) Soit = (𝑎,
𝑏,𝑐)la famille obtenue en écrivant, dans l’ordre, les vecteurs de 1et de 2.
Montrer que est une base de 3.
(c) Que peut-on en déduire concernant les sous-espaces Ker(𝑓)et Im(𝑓)?
3. (a) Préciser la matrice de passage, notée 𝑃, de 𝑐à.
(b) Soit 𝐷la matrice de 𝑓dans la base : déterminer 𝐷.
Quelle relation lie les matrices 𝐶et 𝐷?
(c) Calculer 𝐷𝑛pour 𝑛.
(d) Montrer que 𝑄=1
9𝐶est la matrice d’un projecteur 𝜔de 3dont on précisera les éléments
caractéristiques.
(e) En déduire 𝐶𝑛pour 𝑛.
4. Soit 𝜑:2[𝑋]2[𝑋]définie par 𝜑(𝑃(𝑋)) = (𝑃′′ (𝑋)𝑃(2)) 𝑋2+ (𝑋1)2.
(a) Ecrire 𝐸, la matrice de 𝜑dans la base canonique de 2[𝑋].
(b) En déduire une base de l’image et du noyau de l’endomorphisme 𝜑.
(c) Calculer 𝐸+ 9𝐼3, où 𝐼3désigne la matrice unité de 3().
(d) Calculer 𝐸𝑛pour tout entier 𝑛1.
En déduire une expression de 𝜑𝑛(2 𝑋+𝑋2).
Partie II - Une décomposition de 𝐶
1. On note 𝐿1,𝐿2et 𝐿3les lignes de 𝐶, respectivement dans cet ordre.
Montrer que 𝐿1est combinaison linéaire de 𝐿2et de 𝐿3. On indiquera clairement les coefficients
réels 𝛼et 𝛽de cette combinaison.
2. Soit 𝐵=𝑡(𝐶2𝐶3)∈ ℳ2,3(), la transposée de la matrice obtenue à partir des deuxième et
troisième colonnes 𝐶2et 𝐶3de la matrice 𝐶: déterminer une matrice 𝐴∈ ℳ3,2()dont les
coefficients sont dans l’ensemble {0,1, 𝛼, 𝛽}et telle que 𝐴𝐵 =𝐶.
3. Calculer 𝐵𝐴.
–1/4– Lycée Faidherbe, Lille
PCSI1-PCSI2 DS n˚09 - SAMEDI 21 MAI 2016 - 3 heures 2015-2016
Partie III - Etude générale
Dans cette partie, 𝐴et 𝐵désignent deux matrices 𝐴∈ ℳ3,2()et 𝐵∈ ℳ2,3()telles que
𝐶=𝐴𝐵.
On note 𝑔et les applications linéaires représentées par 𝐴et 𝐵relativement aux bases canoniques
correspondantes.
On rappelle que 𝑓est l’endomorphisme de 3canoniquement associé à la matrice 𝐶.
1. Préciser les valeurs de 𝑝,𝑞,𝑟,𝑠de telles que 𝑔 (𝑝,𝑞)et (𝑟,𝑠).
Quelle relation lie 𝑓, 𝑔 et ?
2. Justifier l’équivalence :
𝑡Im(𝑓)𝑓(
𝑡) = 9
𝑡.
3. Un résultat général
(a) Donner deux inclusions générales, que l’on prouvera, liant chacune deux ensembles parmi
les six suivants : Im (𝑔),Ker (𝑔), Ker(𝑔), Ker(), Im(𝑔), Im().
(b) En déduire : rg (𝑔)min (rg(𝑔),rg()).
4. Inversibilité de 𝐵𝐴
(a) Montrer que rg(𝐴) = rg(𝐵) = 2.
(b) En déduire que Im(𝑔) = Im(𝑓).
(c) Montrer que Ker (𝑔) = Ker(𝑔).
(d) En déduire le rang de 𝑔. Quelle conséquence peut-on en tirer sur 𝐵𝐴 ?
5. Calcul de 𝐵𝐴
(a) Soit 𝑥 2: montrer
𝑥 Ker (𝑔9Id2)si et seulement si 𝑔(𝑥)Ker (𝑓9Id3).
(b) Soit 𝑔l’application linéaire définie par
𝑔:Ker (𝑔9Id2)Ker (𝑓9Id3)
𝑥 7−𝑔(𝑥).
Justifier que 𝑔est injective.
(c) Montrer que Ker (𝑓9Id3) = Im(𝑓), puis que 𝑔est surjective 1.
(d) En déduire que 𝐵𝐴 = 9𝐼2.
Exercice 2 Dans tout le problème, 𝐸est un -espace vectoriel de dimension 3.
Pour 𝑢endomorphisme de 𝐸et 𝑛entier naturel non nul, on note 𝑢𝑛=𝑢𝑢 ⋅ ⋅ ⋅ 𝑢(𝑛fois).
On note 3()le -espace vectoriel des matrices carrées d’ordre 3,𝐺𝐿3()le groupe des matrices
inversibles de 3(), et 𝐼3la matrice unité de 3().
On notera par 0l’endomorphisme nul, la matrice nulle et le vecteur nul.
Pour deux matrices 𝐴et 𝐵de 3(), on dira que la matrice 𝐴est semblable à la matrice 𝐵s’il
existe une matrice 𝑃de 𝐺𝐿3()telle que : 𝐴=𝑃1𝐵𝑃 .
1. On pourra être amené à utiliser les résultats établis en 4b et 5a.
–2/4– Lycée Faidherbe, Lille
PCSI1-PCSI2 DS n˚09 - SAMEDI 21 MAI 2016 - 3 heures 2015-2016
Partie A
1. On notera 𝐴𝐵pour dire que la matrice 𝐴est semblable à la matrice 𝐵.
Montrer que la relation « » (« est semblable à »)
(a) est réflexive, (i.e) si 𝐴appartient à 3()alors : (𝐴𝐴).
(b) est symétrique, (i.e) si 𝐴et 𝐵appartiennent à 3(), alors :
(𝐴𝐵)(𝐵𝐴).
(c) est transitive, (i.e) si 𝐴,𝐵et 𝐶appartiennent à 3(), alors :
(𝐴𝐵et 𝐵𝐶)(𝐴𝐶).
Rappel : ces trois propriétés étant vérifiées, on dit que la relation « », «est semblable à», est
une relation d’équivalence sur 3().
On pourra désormais dire : «les matrices 𝐴et 𝐵sont semblables».
2. Démontrer que deux matrices de 3()de déterminants différents ne sont pas semblables.
3. Soit 𝑢un endomorphisme de 𝐸et soit 𝑖et 𝑗deux entiers naturels.
On considère l’application 𝑤de ker(𝑢𝑖+𝑗)vers 𝐸définie par : 𝑤(𝑥) = 𝑢𝑗(𝑥).
(a) Montrer que Im(𝑤)ker(𝑢𝑖).
(b) En déduire que dim (ker(𝑢𝑖+𝑗)) dim (ker(𝑢𝑖)) + dim (ker(𝑢𝑗)).
4. Soit 𝑢un endomorphisme de 𝐸vérifiant : 𝑢3= 0 et rg(𝑢)=2.
(a) Montrer que dim (ker(𝑢2)) = 2 (on pourra utiliser deux fois la question 3b.).
(b) Montrer que l’on peut trouver un vecteur 𝑎 non nul de 𝐸tel que 𝑢2(𝑎)= 0, et en déduire
que la famille (𝑢2(𝑎), 𝑢(𝑎),𝑎)est une base de 𝐸.
(c) Ecrire alors la matrice 𝑈de 𝑢et la matrice 𝑉de 𝑢2𝑢dans cette base.
5. Soit 𝑢un endomorphisme de 𝐸vérifiant : 𝑢2= 0 et rg(𝑢)=1.
(a) Montrer que l’on peut trouver un vecteur
𝑏non nul de 𝐸tel que 𝑢(
𝑏)= 0.
(b) Justifier l’existence d’un vecteur 𝑐 de ker(𝑢)tel que la famille (𝑢(
𝑏),𝑐)soit libre, puis
montrer que la famille (
𝑏, 𝑢(
𝑏),𝑐)est une base de 𝐸.
(c) Ecrire alors la matrice 𝑈de 𝑢et la matrice 𝑉de 𝑢2𝑢dans cette base.
Partie B
Soit désormais une matrice 𝐴de 3()semblable à une matrice du type 𝑇=
1𝛼 𝛽
0 1 𝛾
0 0 1
de
3(). On se propose de montrer que la matrice 𝐴est semblable à son inverse 𝐴1.
On pose 𝑁=
0𝛼 𝛽
0 0 𝛾
0 0 0
, et soit une matrice 𝑃de 𝐺𝐿3()telle que 𝑃1𝐴𝑃 =𝑇=𝐼3+𝑁.
6. Expliquer pourquoi la matrice 𝐴est bien inversible.
7. Calculer 𝑁3et montrer que 𝑃1𝐴1𝑃=𝐼3𝑁+𝑁2.
8. On suppose dans cette question que 𝑁= 0 : montrer alors que les matrices 𝐴et 𝐴1sont
semblables.
–3/4– Lycée Faidherbe, Lille
PCSI1-PCSI2 DS n˚09 - SAMEDI 21 MAI 2016 - 3 heures 2015-2016
9. On suppose dans cette question que rg(𝑁)=2. On pose 𝑀=𝑁2𝑁.
(a) Montrer que la matrice 𝑁est semblable à la matrice
0 1 0
0 0 1
0 0 0
et en déduire, en utilisant
la question A.4., une matrice semblable à la matrice 𝑀.
(b) Calculer 𝑀3et déterminer rg(𝑀).
(c) Montrer que les matrices 𝑀et 𝑁sont semblables.
(d) Montrer alors que les matrices 𝐴et 𝐴1sont semblables.
10. On suppose dans cette question que rg(𝑁)=1. On pose 𝑀=𝑁2𝑁.
Montrer que les matrices 𝐴et 𝐴1sont semblables.
11. Exemple : soit la matrice 𝐴=
1 0 0
0 0 1
0 1 2
.
On note (𝑎,
𝑏,𝑐)une base de 𝐸et 𝑢l’endomorphisme de 𝐸de matrice 𝐴dans cette base.
(a) Montrer que ker(𝑢id𝐸)est un sous-espace vectoriel de 𝐸de dimension 2dont on donnera
une base (𝑒1, ⃗𝑒2).
(b) Justifier que la famille (𝑒1, ⃗𝑒2, 𝑐)est une base de 𝐸, et écrire la matrice de 𝑢dans cette
base.
(c) Montrer que les matrices 𝐴et 𝐴1sont semblables.
12. Réciproquement, toute matrice de 3()semblable à son inverse est-elle nécessairement sem-
blable à une matrice du type 𝑇=
1𝛼 𝛽
0 1 𝛾
0 0 1
?
Exercice 3 Soit , un hyperplan de l’espace vectoriel 2(): on rappelle que cela signifie
que est un sous-espace de 2()qui admet une droite comme supplémentaire dans 2().
GL2()désigne l’ensemble des matrices inversibles de 2().
On se propose de prouver que ℋ ∩ GL2()n’est pas vide.
1. GL2()est-il un sous-espace vectoriel de 2()?
2. Quelle est la dimension de ?
3. On note 𝐸12 =0 1
0 0 et 𝐸21 =0 0
1 0 et I2=1 0
0 1 .
Si 𝐸12 et 𝐸21 appartiennent à : prouver le résultat demandé.
4. Si 𝐸12 n’appartient pas à : on note 𝒫=vect(I2, 𝐸12). Justifier que et 𝒫ne sont pas en
somme directe. Prouver le résultat demandé dans ce cas.
5. Conclure correctement.
–4/4– Lycée Faidherbe, Lille
1 / 4 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !