CORRIGÉ : MATH 2 ; MP ; Centrale_2013
I-Décomposition polaire d’un endomorphisme de n
I.A- On munit nde sa structure euclidienne canonique.
I.A.1)Soituun endomorphisme de n,Bune base orthonormale de net Mla matrice de udans
cette base. [ uest autoadjoint si et seulement si Mest symétrique ].
De plus uet Mont le même spectre, spuspM.supposons alors que Mest symétrique.
[uest défini positif spuspM⊂
∗M∈Sn
].
I.A.2)SiS∈Sn
alors Sest symétrique et spS⊂
∗,alors Sest inversible et S−1est
symétrique, et puisque Sest diagonalisable, spS−11
tq ∈spS ⊂
∗.
D’où S−1∈Sn
.
I.B-Soituun endomorphisme de nautoadjoint défini positif.
I.B.1)Soitvun endomorphisme de nautoadjoint défini positif tel que v2u.
Soit ∈spu.uv v3vu,alorskeru−Idest stable par v.Notons vla restriction de và
keru−Id.Puisque vest diagonalisable, alors vest aussi diagonalisable, et si est une valeur
propre de valors il existe un vecteur non nul xde keru−Idtel que vxxet
ux2xx.Mais0,alorset vIdkeru−Id.
I.B.2) Puisque uest diagonalisable, n
∈spu
⊕keru−Id,alorsv
∈spu
⊕v.
C’est à dire que : ∀∈spu;∀x∈keru−Id;vx.x
Reciproquement, pour ce vainsi défini, on a : v∈£net v2u.
uest autoadjoint, donc diagonalisable et ses sous espaces propres sont deux à deux
orthogonaux. Il existe alors une base orthonormale de nadaptée à la somme directe,
n
∈spu
⊕keru−Iddans laquelle la matrice de vest diagonale à élèments diagonaux dans
∗.
vest alors bien autoadjoint défini positif vérifiant : v2u.D’où l’existence et l’unicité de v.
I.B.3) Soient 1,...,ples valeurs propres distinctes de u,etm1,...,mpleurs multiplictés
respectives, il existe une base orthonormale Bde ndans laquelle la matrice de uest diagonale
( par blocs ) donnée par : MBudiag1Im1,2Im2,...,pImp, alors par unicité de v,ona:
MBvdiag1Im1,2Im2,..., pImp.
Soient L1,...,Lples polynômes de Lagrange associés au réels 1,...,p.
C’est à dire : ∀i∈1,p ;LiX
j1;j≠i
p
X−j
i−j.ona:Liji,j1si ij
0si non .
Posons : QX
i1
p
∑iLiX.Qest un polynôme vérifiant : ∀i∈1,p ;Qii.
Donc QMBu MBvc’est à dire encore : vQu.
I.C-SoitA∈GLn.
I.C.1)tAA est symétrique, et ∀X∈Mn,1;tXtAAX tAXAX 0pour X≠0, car dans ce cas
AX ≠0, puisque Aest inversible. D’où tAA ∈Sn
.
I.C.2) D’aprés I.B) il existe une unique matrice S∈Sn
telle que : tAA S2.
Posons : OAS−1,tOO S−1tAAS−1S−1S2S−1In,alorsO∈On.
Reciproquement si O,S∈OnSn
tel que : AOS,alorstAA S2et OAS−1.
D’où l’existence et l’unicité de O,S∈OnSn
tel que AOS.
I.C.3)A
30−1
2
232 −32
2
−2
232 32
2
;tA
32
2−2
2
03232
−1−32
232
2
;tAA
50−5
0360
−5010
.
Notons : MtAA et Le polynôme carctéristique de Mest :
MX36 −XX2−15X2536 −XX−1555
2X−15−55
2.
Les sous espaces propres de Msont :
E36M
0
1
0
;E1555
2M
1
0
−15
2
;E15−55
2M
1
0
5−1
2
Les vecteurs X1
0
1
0
;X2
1
0
−15
2
;X3
1
0
5−1
2
sont deux à deux orthogonaux, alors par unicité de S, ona : SPΔP−1.
avec P
01 1
10 0
0−15
25−1
2
et Δdiag 6, 1555
2,15−55
2diag6, 55
2,5−5
2.
S
20−1
060
−10 3
.OAS−1
10 0
02
2−2
2
02
22
2
.
I.D.1)SoitM∈On, les colonnes de Mforment une base orthonormale de n,alors
∀i,j∈1,n ;|mi,j|≤1et donc ‖M‖≤n2,deplusIn∈On,alorsOnest une partie non vide
bornée de l’espace vectoriel normé Mnqui est de dimension finie, alors pour montrer que c’est
un compact, il suffit de montrer que Onest fermé dans Mn.
L’application X
XtXXest continue sur Mn, car les coefficients de tXX sont
des polynômes aux coefficients de X.On−1In est donc un fermé comme image
reciproque par une application continue d’un fermé de Mn.
I.D.2)Snest un fermé de Mn, puisque sous espace vectoriel de dimension finie,
il suffit alors de montrer que Sn
est un fermé de Sn.
Soit Aqq∈ℕune suite de Sn
convergente vers A∈Sn.Montrons que A∈Sn
.
Soit X∈Mn,1,l’application MtXMXest une forme linéaire continue sur Sn.
∀q∈ℕ;tXAqX≥0, alors par passage à la limite tXAX ≥0. D’où A∈Sn
.
I.D.3)SoitA∈Mn,le nombre des valeurs propres de Aest fini, alors il existe un entier non nul
Ntel que : ∀q≥N;1
q∉spAou encore A−1
NpInp∈ℕest une suite de GLnqui converge
vers A. D’où GLnest dense dans Mn.
I.D.4)SoitA∈Mn, d’aprés la question précèdente, il existe une suite Aqq∈ℕde GLnqui
converge vers A, alors d’aprés I.C.2) il existe deux suites Oqq∈ℕde Onet Sqq∈ℕde Sn

telles que : ∀q∈ℕ;AqOqSq.
Mais d’aprés I.D.1)Onest compact, alors il existe une sous suite Oqq∈ℕqui converge vers
un certain O∈On.Mais ∀q∈ℕ;SqtOqAqq→
tOA S.
Mais Sqq∈ℕest une suite de Sn
⊂Sn
alors d’aprés I.D.2)S∈Sn
.
Ce couple n’est pas unique, voici un contre exemple :
Odiag−1,1,1,...,1et Sdiag0,1,2,...,n−1.
O≠In,Oet Insont dans Onet S∈Sn
et OS InSS.
I.E-Soitl’application de OnSn
dans GLnpar : O,SOS.
D’aprés I.C.2) tout élèment Ade GLnadmet un et un seul antécèdent par ,alorsest
bijective. De plus est la restriction d’une application bilinéaire en dimension finie,
alors est continue.
Soit Aqq∈ℕune suite de GLn, convergente vers A∈GLn.
On pose : O,S−1Aet ∀q∈ℕ;Oq,Sq−1Aq.
∀q∈ℕ;tAqAqSq
2q→
tAA S2.
∀q∈ℕ;SqtOqAq, alors pour la norme subordonnée à la norme euclidienne de n.
‖|Sq|‖‖|Aq|‖, alors la suite Sqq∈ℕest bornée dans un espace vectoriel de dimension finie,
alors d’aprés le théorème de Bolzano-Weirstrass, cette suite admet une sous suite Sqq∈ℕ
convergente vers une certaine matrice S′∈Sn
.
La suite Sq
2q∈ℕconverge vers S2S′2qui est inversible, alors S′∈Sn
.
D’où d’aprés I.B)SS′.On vient de montrer que Sest la seule valeur d’adhérence de
la suite Sqq∈ℕ.Montrons que Sqq∈ℕconverge vers S.
Par l’absurde supposons que la suite Sqq∈ℕne converge pas vers S.
Il existe 0, et une sous suite Sqq∈ℕtelle que : ∀q∈ℕ;‖S−Sq‖≥.
D’aprés ce qui précède Sqq∈ℕest une suite bornée, donc admet une valeur d’adhérence,
qui est aussi valeur d’adhérence de la suite Sqq∈ℕ, donc ne peut être que S.
ceci est absurde car ∀q∈ℕ;‖S−Sq‖≥..
Finalement la suite Sqq∈ℕconverge vers Set par conséquent, la suite Sq
−1q∈ℕconverge vers S−1.
En effet : l’application MM−1est continue sur GLn.
La suite Oqq∈ℕAqSq
−1q∈ℕconverge alors vers AS−1O.
Finalement q→
lim −1Aq−1A,−1est séquentiellement continue sur GLndonc
continue sur GLn.
II -Deux applications
II.A- Première application
Soient A,B∈Mn.On suppose qu’il existe U∈GLnℂtelle que UU∗Inet AUBU−1.
II.A.1)U−1U∗tUUtU−1tAUtBtU.
Mais Aest réelle alors tAUtBtUUtBtUUtBU−1.
II.A.2) On note X,YlesmatricesdeMntelles que : UXiY.
a) RtdetXtYdéfinit une fonction polynôme, non nulle puisque Ri≠0, et donc admet un
nombre fini de zéros réels. D’où il existe un réel tel que : R≠0.
b) AU UB, alors en séparant parties réelles et imaginaires, on obtient : AX XB et AY YB.
c) On pose : alors PXY∈GLnet AP PB c’est à dire : APBP−1.
De même, on a : tAU UtBalors tAX XtBet tAY YtBet donc tAP PtB.
D’où APBP−1et tAPtBP−1
II.A.3)OnécritPsous la forme POS avec O∈Onet S∈Sn
.
a) APBP−1et tAPtBP−1et tPP S2.
Calculons A2de deux façons, A2PB2P−1tPtBP−1PBP−1tP−1BtPPBP−1
PB2P−1tP−1BS2BP−1.On multiplie par tPà gauche et par Pàdroite.
On obtient alors S2B2BS2B.Si Best inversible, on on a évidement BS2S2B.
Dans le cas génèral, soit un réel qui n’est pas valeur propre de B, et posons :
B′B−Inet A′A−In
Tout ce qui précède dans cette application reste vrai en remplaçant Apar A′et Bpar B′.
B′étant inversible, alors B′S2S2B′et par conséquent : BS2S2B.
Montrons maintenant que BS SB.
D’aprés I.B.3), il existe un polynôme Qtel que QS2S,d’oùBS SB.
b) D’aprés la question précèdente, BSBS−1,alorsAPBP−1OSBS−1tOOBtO.
II.B- Seconde application
Soit A∈Mn, on se propose de donner une condition nécesaire et suffisante d’existence
d’une solution X∈GLnau système : ∗
tAA tXX In
tAX −tXA 0n.
II.B.1) Supposons que le système admet une solution X∈GLn.
∀Z∈Mn,1\0;tZtAAZ tZtXXZ tZZ.
Or tXX ∈Sn
,alorstZtXXZ 0et donc ∀Z∈Mn,1\0;tZIn−tAAZ0.
In−tAA ∈Sn
,alorsspIn−tAA1−tq ∈sptAA ⊂
∗.D’où sptAA⊂0,1.
II.B.2) On suppose dans cette question que sptAA⊂0,1.
a) D’aprés I.D.4) Tout X∈GLns’écrit d’une unique façon sous la forme : XUH
avec U,H∈OnSn
.
b) tXX H2In−tAA ∈Sn
.
Puisque In−tAA ∈Snet spIn−tAA1−tq ∈sptAA ⊂
∗.
Alors d’aprés I.B) il existe une unique matrice H∈Sn
telle que : H2In−tAA.
c) Fixons alors le Hde la question précèdente, et Posons XUH avec U∈On.
Il s’agit alors de trouver U∈Ontel que : tAUH −HtUA 0ncàd BtAUH est symétrique.
Selon I.D.4) on peut écrire AOS avec O,S∈OnSn
.Posons UO,alorsBSH.
tAA tXX InS2H2,alorsS2et H2commutent, et en appliquant la technique de I.B.3)
àSet à H,ona:SH HS, c’est à dire BtB.
III -Valeurs propres d’une matrice
Pour tout p∈ℕ∗, on pose : Ap
2−1 0 ... 0
−12−1....
.
.
0−12...0
.
.
..........−1
0 ... 0 −12
∈Mp.
Soit le polynôme réel : PpxdetxIp−Ap.
III.A-Soitp≥3. Ppx
x−2 1 0 ... 0
1x−21....
.
.
01x−2...0
.
.
..........1
0 ... 0 1 x−2
On développe suivant la première ligne.
Ppxx−2Pp−1x−
11....
.
.
0x−2...0
.
.
.......1
00 1x−2
x−2Pp−1x−Pp−2x.
III.B-Soitx∈tel que |2−x|2,2−x
2∈−1;1et l’application cosest une bijection de
0,vers −1;1, alors il existe un unique ∈0,tel que : 2−x2cos.
P1xx−2−2cos−sin2
sin;
P2xx−22−14cos2sin−sin
sin2sin2cos−sin
sinsin3
sin.
Par récurrence sur p∈ℕ∗, montrons que Ppx−1psinp1
sin.
Ceci est vrai pour p∈1,2, supposons que c’est vrai pour p∈1,q−1 tel que q≥3.
Pqxx−2Pq−1x−Pq−2x−2cos−1q−1sinq
sin−−1qsinq−1
sin
Pqx−1q2cossinq
sin−sinq−1
sin−1qsinq1
sin.
N.B: On a utilisé la formule trigonométrique : 2sinacosbsinabsina−b.
III.C-Ppxsinp1
sin0si et seulement si k
p1avec k∈1,p.
Ppx0si et seulement si x21−cosk
p1 4sin2k
2p1avec k∈1,p.
Les valeurs propres de Apsont les k,p4sin2k
2p1avec k∈1,p.
III.D-Ap∈Mpet admet pvaleurs propres réelles distinctes, alors Apest diagonalisable.
Fixons k∈1,p et posons : Xk
x1,k
.
.
.
xp,k
∈Mp,1;
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