Universit´e Paris Dauphine
DEMI2E 2e ann´ee
Alg`ebre lin´eaire 3
Examen du vendredi 27 janvier 2012
Le sujet comporte 2pages. L’´epreuve dure 2 heures. Les documents, calculatrices et
t´el´ephones portables sont interdits.
Exercice 1.
Pour x= (x1, x2, x3)R3, on pose
q(x) = x2
1+ 2x2
2+ 2x2
3+ 4x1x2+ 4x1x3+ 2x2x3.
1. Montrer que qest une forme quadratique sur R3.
2. D´eterminer son rang et sa signature par la m´ethode de Gauss.
3. D´eterminer la matrice Mde la forme qdans la base canonique de R3. D´eterminer les
valeurs propres de la matrice Met retrouver ainsi le rang et la signature de la forme q.
Exercice 2.
Soit A= (Aij )1i,jnune matrice de Mn(R).
1. Montrer que pour j= 1,···, n
X
1in|Aij| ≤ nsX
1in
A2
ij .
Si Aest orthogonale, en d´eduire que
X
1i, jn|Aij | ≤ nn.
2. D´eterminer un vecteur eRntel que
X
1inX
1jn
Aij =< Ae, e >
o`u <·,·>est le produit scalaire canonique de Rn.
Si Aest orthogonale, en d´eduire que
X
1i, jn
Aij n.
.../...
2
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 AMn(R), calculer tr(tAA) en fonction des cœfficients de A.
En d´eduire que l’application q1:Atr(tAA) est une forme quadratique 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:Atr(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:Atr(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:Atr(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
FMn(R) telle que f(A) = tr(F A) pour tout AMn(R).
Indication : on pourra consid´erer l’application F3de Mn(R)dans son dual (Mn(R))
efinie par F3(A) = f3(A, ·), c’est-`a-dire pour tout BMn(R)
(F3(A))(B) = f3(A, B).
3
Corrig´e
Exercice 1.
1. Pour x, y R3, on pose
f(x, y) = x1y1+ 2x2y2+ 2x3y3+ 2(x1y2+x2y1) + 2(x1y3+x3y1) + x2y3+x3y2.
Pour yfix´e, l’application f(·, y) de R3dans Rest une forme lin´eaire puisque elle est un
polynˆome homog`ene de degr´e 1, et de mˆeme pour xfix´e, l’application f(x, ·) de R3dans
Rest une forme lin´eaire. Par cons´equent l’application fde R3×R3dans Rest une forme
bilin´eaire.
Comme q(x) = f(x, x), on en d´eduit que qest une forme quadratique sur R3.
2. On applique la m´ethode de Gauss :
x2
1+ 2x2
2+ 2x2
3+ 4x1x2+ 4x1x3+ 2x2x3=x2
1+ 2(2x2+ 2x3)x1+ 2x2
2+ 2x2x3+ 2x2
3
= (x1+2x2+2x3)2(2x2+2x3)2+2x2
2+2x2x3+2x2
3= (x1+2x2+2x3)22x2
26x2x32x2
3
= (x1+ 2x2+ 2x3)22(x2+3
2x3)2+9
2x2
32x2
3= (x1+ 2x2+ 2x3)22(x2+3
2x3)2+5
2x2
3
= (x1+ 2x2+ 2x3)2(2x2+32
2x3)2+ (5
2x3)2.
Ainsi
sign(q) = (2,1) et rang(q) = 3.
3. La matrice de la forme qdans la base canonique de R3est
M=
122
221
212
.
Son polynˆome caract´eristique est
det(MλI) =
1λ2 2
2 2 λ1
2 1 2 λ
= (1λ)(44λ+λ2)+4+44(2λ)(1λ)4(2λ)
=5 + λ+ 5λ2+λ3= (λ5)(λ2+ 1) = (λ5)(1 λ)(1 + λ).
La matrice Madmet donc dans R3deux valeurs propres >0, `a savoir 1 et 5, et une valeur
propre <0, `a savoir 1. Sa signature est donc (2,1), et son rang 3.
Exercice 2.
1. Pour tout jfix´e, on a par l’in´egalit´e de Cauchy-Schwarz
X
1in|Aij |=X
1in|Aij|1sX
1in
A2
ijsX
1in
12=nsX
1in
A2
ij .
4
Si Aest orthogonale, ses vecteurs colonnes sont unitaires pour la norme euclidienne
associ´ee au produit scalaire, donc
X
1in
A2
ij = 1
et par suite
X
1in|Aij| ≤ n.
En sommant par rapport `a j, on en eduit
X
1i,jn|Aij| ≤ nn.
2. Pour le vecteur ede Rnde composantes ei= 1 pour i= 1,···, n, le vecteur Ae de
Rna pour composantes (Ae)idonn´ees pour i= 1,···, n par
(Ae)i=Ai1+···+Ain =X
1jn
Aij
et comme
< Ae, e >= (Ae)1e1+···+ (Ae)nen=X
1in
(Ae)i
on en d´eduit que
X
1inX
1jn
Aij =< Ae, e > .
De cette ´egalit´e on d´eduit par l’in´egalit´e de Cauchy-Schwarz
|X
1i, jn
Aij |=|< Ae, e > | ≤ kAekkek
o`u k · k est la norme euclidienne associ´ee au produit scalaire, donc
kek2=< e, e >=n
et pour une matrice Aorthogonale
kAek2=< Ae, Ae >=<tAAe, e >=< Ine, e >=< e, e >=n,
soit
kek=kAek=n.
On en d´eduit donc que
|X
1i,jn
Aij | ≤ n.
Exercice 3.
1. D’une part la matrice nulle 0 = (0) appartient `a M+
n(R). D’autre part pour A, B
M+
n(R) et λ, µ R, on a
t(λA +µB) =t(λA) +t(µB) = λtA+µtB=λA +µB
donc λA +µB M+
n(R).
5
Ainsi M+
n(R) est un sous-espace vectoriel de Mn(R).
On proc`ede de mˆeme pour M
n(R).
2. Les matrices Ekl pour 1 k, l nefinies par les cœfficients (Ekl)ij = 1 si (k, l) =
(i, j) et (Ekl)ij = 0 si (k, l)6= (i, j), sont lin´eairement ind´ependantes et engendrent Mn(R)
puisque pour chaque matrice Ade Mn(R) on peut ´ecrire
A=X
1k, ln
AklEkl.
Ainsi la famille {Ekl,1k, l n}forme une base de Mn(R) et
N= dim Mn(R) = n2
puisque le nombre de couples (k, l) pour 1 k, l nest ´egal `a n2.
Les matrices E+kl pour 1 klnefinies par les cœfficients (E+kl)ij = (E+kl)ji = 1
si (k, l) = (i, j) et (E+kl)ij = (E+kl)ji = 0 si (k, l)6= (i, j), sont lin´eairement ind´ependantes
et engendrent M+
n(R) puisque pour chaque matrice Ade M+
n(R) on peut ´ecrire
A=X
1kln
AklE+kl.
Ainsi la famille {E+kl,1kln}forme une base de M+
n(R) et
N+= dim M+
n(R) = n(n+ 1)
2
puisque le nombre de couples (k, l) pour 1 klnest ´egal `a n(n+ 1)
2·
Les matrices Ekl pour 1 k < l nd´efinies par les cœfficients (Ekl)ij =(Ekl)ji =
1 si (k, l) = (i, j) avec i6=j, et (Ekl)ij = (Ekl)ji = 0 si (k, l)6= (i, j) ou i=j,
sont lin´eairement ind´ependantes et engendrent M
n(R) puisque pour chaque matrice Ade
M
n(R) on peut ´ecrire
A=X
1k<ln
AklEkl.
Ainsi la famille {Ekl,1k < l n}forme une base de M
n(R) et
Ndim Mn(R) = n(n1)
2
puisque le nombre de couples (k, l) pour 1 k < l nest ´egal `a n(n1)
2·
3. D’une part M+
n(R)M
n(R) = {0}car si AM+
n(R)M
n(R) alors Aij =Aji et
Aij =Aji, donc Aij = 0 pour tous i, j.
D’autre part Mn(R) = M
n(R) + M+
n(R) car si AMn(R) on peut ´ecrire A=A++A
avec
A+
ij =Aij +Aji
2et A
ij =Aij Aji
2
donc avec A+M+
n(R) et AM
n(R).
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