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Exercice 3.
On note Mn(R) l’ensemble des matrices A= (Aij ) `a nlignes et ncolonnes, dont les
cœfficients Aij sont r´eels. Mn(R) muni de l’addition et de la multiplication par un r´eel
«cœfficient par cœfficient », c’est-`a-dire
(Aij) + (Bij ) = (Aij +Bij )
λ(Aij ) = (λAij )
est un espace vectoriel sur R.
On note M+
n(R) le sous-ensemble de Mn(R) form´e des matrices sym´etriques, c’est-`a-dire
telles que tA=Aet M−
n(R) le sous-ensemble de Mn(R) form´e des matrices antisym´etriques,
c’est-`a-dire telles que tA=−A.
Pour A= (Aij )∈Mn(R), on note tr(A) = A11 +···+Ann.
1. Montrer que M+
n(R) et M−
n(R) sont des sous-espaces vectoriels de Mn(R).
2. D´eterminer une base «canonique »de Mn(R) et en d´eduire la dimension Nde Mn(R)
en fonction de n.
Mˆeme question pour d´eterminer la dimension N+(resp. N−) de M+
n(R) (resp. M−
n(R)).
3. Montrer que Mn(R) est somme directe de M+
n(R) et M−
n(R).
4. Pour A∈Mn(R), calculer tr(tAA) en fonction des cœfficients de A.
En d´eduire que l’application q1:A→tr(tAA) est une forme quadratique d´efinie positive
sur Mn(R), et d´eterminer sa signature et son rang en fonction de N.
5. Montrer que l’application q2:A→(tr(A))2est une forme quadratique sur Mn(R), et
d´eterminer sa signature et son rang.
6. Montrer que l’application q+
3:A→tr(A2) est une forme quadratique sur le sous-
espace M+
n(R), et d´eterminer sa signature et son rang en fonction de N+.
Montrer que l’application q−
3:A→tr(A2) est une forme quadratique sur le sous-espace
M−
n(R), et d´eterminer sa signature et son rang en fonction de N−.
7. Montrer que l’application q3:A→tr(A2) est une forme quadratique sur l’espace
Mn(R) et d´eterminer la forme bilin´eaire sym´etrique f3qui lui est associ´ee. D´eterminer la
signature et le rang de la forme q3.
8. Montrer que pour toute forme lin´eaire fsur Mn(R), il existe une unique matrice
F∈Mn(R) telle que f(A) = tr(F A) pour tout A∈Mn(R).
Indication : on pourra consid´erer l’application F3de Mn(R)dans son dual (Mn(R))∗
d´efinie par F3(A) = f3(A, ·), c’est-`a-dire pour tout B∈Mn(R)
(F3(A))(B) = f3(A, B).