Banque PT
2016 ´
Epreuve A
Probl`eme d’alg`ebre lin´eaire
Nous noterons B=(e1,...,e
n)la base canonique de Rn,nN.
Dans tout le probl`eme, nous identiÀerons un vecteur de l’espace vectoriel Rn,
avec la matrice colonne de ses coordonn´ees dans la base canonique B.
Pour une matrice Ade taille m×nquelconque, (m, n)N×N,ond´esigne
par ATsa transpos´ee.
On note ., .le produit scalaire usuel de Rnet on rappelle que si uet vsont
deux vecteurs de Rn, leur produit scalaire s’´ecrit matriciellement u, v=uTv.
On note .la norme euclidienne associ´ee.
Partie I
On consid`ere la matrice A=
210
121
012
1)Pourquoi peut-on trouver une base orthonorm´ee form´ee de vecteurs propres
de A?
2)eterminer les valeurs propres de Aainsi qu’une base orthonorm´ee Bde
vecteurs propres.
3)La matrice Aest-elle inversible ?
4)Soit uun vecteur de R3de coordonn´ees (x, y, z)dans la base B. Exprimer
ses coordonn´ees (x,y
,z)dans la base B.
5)Calculer Au, uen fonction de (x, y, z)puis en fonction de (x,y
,z).
6)Soit λla plus petite valeur propre de A.D´eduire de ce qui pr´ec`ede que, pour
tout uR3,Au, uλu2.
7)Pour tous vecteurs u, v de R3, on pose u, vA=Au, v. Montrer que l’on
eÀnit ainsi un produit scalaire sur R3.
Partie II
On consid`ere toujours la matrice Ade la partie pr´ec´edente et on Àxe bR3.
Pour tout vecteur ude R3,onpose:
Jb(u)=1
2Au, u−u, b
1)Quels sont les ensembles de d´epart et d’arriv´ee de la fonction Jb? Que vaut
Jb(0) ?
2)Calculer le gradient de la fonction Jb, puis sa matrice Hessienne.
3)En utilisant le r´esultat de la question 6)de la partie I, montrer que :
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Jb(u)1
2λu2−bu
o`uλesigne la plus petite valeur propre de A.
4)En d´eduire que la fonction Jbest minor´ee et non major´ee (on pourra ´etudier
la fonction qui, `a tout r´eel t, associe λ
2t2αt, pour une valeur de αbien
choisie).
5)Montrer que : inf
uR3Jb(u)0.
6)Montrer que, si u>2b
λ, alors Jb(u)0.
7)En d´eduire que inf
uR3Jb(u)= inf
uB(0,r)
Jb(u),o`uB(0,r)esigne la boule
ferm´ee de centre l’origine et de rayon r=2b
λ.
8)Montrer que la fonction Jbadmet un minimum global sur R3.
9)Montrer que cette fonction admet son minimum global au point u=A1b.
Partie III
Soit Aune matrice carr´ee d’ordre nN, sym´etrique, et dont toutes les valeurs
propres sont strictement positives. Deux vecteurs non nuls uet vde Rnsont
dits A-conjugu´es si Au, v=0.
1)On note λ1,...,λ
nles valeurs propres (compt´ees avec leur ordre de
multiplicit´e) de la matrice A,rang´ees dans l’ordre croissant 0
1···λn.
a) JustiÀer l’existence d’une base orthonorm´ee (e1,...,e
n)telle que, pour
tout in,Aei=λiei.
b) Soit uun vecteur de Rndont la d´ecomposition dans la base pr´ec´edente
s’´ecrit u=
n
i=1
αiei. Exprimer en fonction des αiles quantit´es u2et Au, u.
c) Montrer que pour tout vecteur ude Rn,Au, uλ1u2.
d) En d´eduire que pour tout vecteur unon nul, on a Au, u =0.
2)Soit (v0,v
1,...,v
n1)une famille de vecteurs non nuls A-conjugu´es deux
`a deux. Montrer que cette famille forme une base de Rn.
3)Rappeler (sans justiÀcation) l’expression de (αM +βN)Tet (MN)Ten
fonction de MTet NT,o`uMet Nsont des matrices de taille quelconque (mais
telles que les op´erations sont bien d´eÀnies) et α, β sont des r´eels.
4)Si vest un vecteur de Rn(que l’on identiÀe avec une matrice colonne),
pr´eciser la taille des matrices vTvet vvT(on identiÀera les matrices carr´ees de
taille 1et les nombres r´eels).
5)Montrer que pour tous vecteurs u, v de Rn, et toute matrice carr´ee Bd’ordre
n,onaBu, v=u, BTv.
6)On d´eÀnit pour tout k∈{1,...,n}les matrices suivantes :
´
Enonc´
eA 13
Ck=
k1
i=0
vivT
i
Avi,v
i,D
k=InCkA
o`uInesigne la matrice identit´e d’ordre n.
a) Montrer que les matrices Cksont sym´etriques pour 1kn.
b) Montrer que, pour tout vecteur wde Rn, on a pour 1kn,
CkAw =
k1
i=0 Avi,w
Avi,v
ivi
c) En d´eduire que pour 0jk1,onaCkAvj=vj. (On rappelle que
les visont A-conjugu´es deux `a deux).
d) En d´eduire que pour 0jk1n:Dkvj=0et DT
kAvj=0.
e) On a donc, pour tout 0jn1,Dnvj=0. Pourquoi peut-on en
eduire que Dn=0? Que vaut alors Cn?
Exercice de probabilit´es
Un individu joue avec une pi`ece non n´ecessairement sym´etrique. On note pla
probabilit´e d’obtenir Pile et on suppose seulement p]0,1[.
Dans un premier temps, il lance la pi`ece jusqu’`a obtenir pour la premi`ere fois
Pile. On note Nle nombre de lancers n´ecessaires.
Dans un deuxi`eme temps, il lance Nfois cette mˆeme pi`ece et on note Xle
nombre de Pile obtenus au cours de cette seconde s´erie de lancers.
1)Pr´eciser la loi de N, et la loi conditionnelle de Xsachant N=n.
2)eterminer la loi du couple (N,X).
3)On consid`ere la fonction feÀnie sur ]1,1[ par f(x)= 1
1x.
Donner l’expression de la d´eriv´ee k`eme de fpour tout k0.
En d´eduire le d´eveloppement en s´erie enti`ere de la fonction x→ 1/(1 x)k+1
au voisinage de 0pour kentier positif.
4)En d´eduire que la loi de Xest donn´ee par :
k1,P(X=k)=(1 p)k1
(2 p)k+1 et P(X=0)=1p
2p
5)Soit λ]0,1[,Uune variable al´eatoire de Bernoulli de param`etre λet V
une variable al´eatoire g´eomp´etrique de param`etre λind´ependante de U. On note
Y=UV.
a) Sans calculer sa loi, calculer l’esp´erance de Y.
b) Pour kN, calculer P(Y=k)(on pourra traiter s´epar´ement le cas k=0)
c) Calculer la variance de Y.
6)En d´eduire que Xamˆeme loi qu’unproduit de deux variables ind´ependantes,
l’une ´etant une variable de Bernoulli l’autre une variable g´eom´etrique de mˆeme
param`etre.
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Corrig´
e
Probl`eme - Partie I
Question 1.
La matrice Aest sym´etrique r´eelle, on sait alors qu’elle est diagonalisable dans
M3(R)et que l’on peut choisir la matrice de passage diagonalisante orthogonale :
PO3(R)telle que A=PDtPavec Ddiagonale
En d’autres termes, on peut aussi dire que l’endomorphisme de Rncanoniquement
associ´e`aAposs`ede au moins une base orthonorm´ee de vecteurs propres, et si on
confond vecteur et matrice colonne canoniquement associ´ee, on confond ´egalement
endomorphisme de R3et matrice canoniquement associ´ee, ce qui permet de parler
de vecteur propre pour une matrice carr´ee ...
Question 2.
χA(λ)=det(λI3A)=
λ21 0
1λ21
01λ2
=(λ2)((λ2)21) (λ2) = (λ2)((λ2)22)
χA(λ)=(λ2)(λ22)(λ2+2)
Pour X=(xyz)T(pour gagner de la place) ou (x, y, z)puisque l’on a le
droit de confondre, on a :
AX=2X⇐⇒ y=0
x+z=0⇐⇒ XVect(1,0,1)
AX=(2+2)X⇐⇒
2x+y=0
x+2y+z=0
y+2z=0 ⇐⇒ z=x
y=2x
⇐⇒ XVect(1,2,1)
AX =(22)X⇐⇒ XVect(1,2,1) (on peut d’ailleurs s’affranchir de
ce dernier calcul, car il sufÀt de remplacer 2par 2, ou de remarquer que le
dernier vecteur doit ˆetre orthogonal aux deux autres).
On a (1,0,1)=2et (1,2,1)=1,2,1)=2et comme on veut
une base orthonorm´ee, on peut prendre :
P=
1/21/21/2
01/21/2
1/21/21/2
, alors P1=PTet :
A=PDP1=PDPT,avecD=diag(2,22,2+2)
(Attention `a bien prendre les coefÀcients diagoanux de Ddans l’ordre correspon-
dant aux colonnes de P!)
Question 3.
0n’est pas valeur propre de A, donc A=A0I3est inversible.
Corrig´
eA 15
Question 4.
La matrice Pexprime les vecteurs e
1,e
2,e
3de la nouvelle base Bpar leurs
coordonn´ees dans l’ancienne base B. On sait alors que si ua pour anciennes
coordonn´ees (x, y, z)et pour nouvelles coordonn´ees (x,y
,z), on a avec les
notations habituelles :
X=PX
Ainsi X=P1X=PTX, ce qui donne :
x=1
2x1
2z
y=1
2x+1
2y+1
2z
z=1
2x1
2y+1
2z
Question 5.
On doit changer de base, il n’est donc pas astucieux, ici, de noter par la mettre lettre
un vecteur et sa matrice colonne canoniquement associ´ee. Nous noterons donc X
la matrice de udans la base Bet Xcelle dans la nouvelle base B.Ona:
→Au, u=(AX)TX=XTATX=XTAX
=(xyz)
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121
012
x
y
z
Soit, en d´eveloppant :
Au, u=2x2+2y2+2z22xy 2yz
Avec X=PX,ona´egalement :
Au, u=(PX)TA(PX)=XTPTAP X=XTP1AP X=XTDX
soit, en d´eveloppant `a nouveau :
Au, u=2x2+(22)y2+(2+2)z2
Question 6.
On a 2+2>2>22(>0), donc λ=22et :
Au, u(2 2)(x2+y2+z2)
Comme Best une base orthonorm´ee u2=x2+y2+z2et donc :
uR3,Au, u(2 2)u2
Question 7.
Notons ϕ(u, v)=u, vA=Au, v.
ϕest bien une application de (R3)2vers R.
Pour tous vecteurs uet vet puisque Aest sym´etrique et qu’une matrice carr´ee
d’ordre 1, confondue avec son unique terme, est clairement sym´etrique :
ϕ(v, u)=Av, u=(Av)Tu=vTATu=(vTATu)T=uTAv =uTATv
=(Au)Tv=ϕ(u, v).
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