Examen 2017 Alg`ebre Corrig´e
Exercice 1
1) Tout d’abord Unn’est pas vide. D’apr`es l’une des caract´erisations des sous-groupes, il est n´ecessaire
et suffisant de v´erifier que pour tout (a, b)Un×Unon a ab1Un. Les ´el´ements aet bs’´ecrivent
a=e2k/n et b=e2`/n avec ket `entiers compris entre 0 et n1. Cela donne
ab1=e2(k`)/n.
Or l’entier (k`) est compris entre (n1) et n1. On distingue deux sous-cas :
si 0 (k`)n1 alors c’est fini, on a bien un ´el´ement de Un.
si (n1) k`≤ −1, alors on remarque que ab1s’´ecrit e2(k`)/n =e2(n+k`)/n avec
n+k`∈ {0, . . . , n 1}.
2) La d´efinition mˆeme de Unmontre que chacun de ses ´el´ements s’´ecrit e2iπ/nkavec kN. Donc Unest
un groupe engendr´e par e2/n, et donc est cyclique.
3) Supposons UdUn. En particulier, e2/d appartient `a Un. En ´elevant `a la puissance n, on trouve
e2n/d = 1. Il s’agit d’en d´eduire que n
dest entier. On peut y arriver en examinant parties r´eelle et
imaginaire de e2n/d, mais le moyen le plus efficace est clairement d’utiliser une formule d’Euler :
0 = e2n/d 1 = eiπn/d en/d en/d=eiπn/d2isin(πn/d)
Comme une exponentielle ne s’annule jamais, on voit que πn/d est un z´ero de sin, donc appartient `a πZ.
Supposons maintenant la r´eciproque, c’est-`a-dire que ddivise net ´ecrivons n=dm. On voit imm´ediatement
que tout ´el´ement de Ud, c’est-`a-dire de la forme e2k/d, avec k∈ {0,1, . . . , d 1}, s’´ecrit aussi e2mk/n
avec
mk ∈ {0, m, . . . , md m}⊂{0,1, . . . , n 1}.
Donc UdUn. Autre argument plus rapide : soit zUd, si bien que zd= 1. En ´elevant `a la puissance
m, on a 1 = zdm =zn, donc zUn.
Exercice 2
La formule P(x) = 0 s’´ecrit, apr`es multiplication par q3:
p3+ap2q+bpq2+cq3= 0
Ou encore p(p2+ap +bq2) = cq3. Autrement dit, pdivise cq3. Or pet qsont premiers entre eux. Cela
prouve que pdivise c.
De mˆeme, on a la formule p3=q(ap2+bpq +cq2). Ainsi, qdivise p3. Comme pet qsont premiers
entre eux, on a forc´ement q=±1.
1
Exercice 3
1) En d´eveloppant par rapport `a la deuxi`eme colonne, on obtient
χA= det(AXI) =
1X0 1
42X2
4 0 3 X
= (2X)
1X1
4 3 X
=(2 + X)[(1X)(3 X) + 4] = (2 + X)(X22X+ 1) = (X+ 2)(X1)2
2) D’apr`es la question pr´ec´edente, les valeurs propres de Asont 2,1,1.
3) Cherchons le sous-espace propre associ´e `a 2. On notera que comme 2 est une racine simple de χA, on
sait par avance que 1 dim(ker(A+ 2I)) 1, c’est-`a-dire dim(ker(A+ 2I)) = 1. Or la matrice A+ 2I
a sa deuxi`eme colonne nulle. Cela signifie pr´ecis´ement que (0,1,0) est dans le noyau de ker(A+ 2I).
D’apr`es ce qui pr´ec`ede ker(A+ 2I) est la droite vectorielle engendr´ee par (0,1,0).
On aurait pu retrouver ce r´esultat en consid´erant (x, y, z) un vecteur propre associ´e `a 2, si bien que
l’on a
x+z=2x
4x2y2z=2y
4x+ 3z=2z
x+z= 0
4x2z= 0
4x+ 5z= 0
Or ce syst`eme donne x=z= 0. Autrement dit, seule la coordonn´ee ypeut varier et donc (x, y, z) est
bien colin´eaire `a (0,1,0).
Cherchons le sous-espace propre associ´e `a 1. Soit (x, y, z) un vecteur propre associ´e `a 1, si bien que
x+z=x
4x2y2z=y
4x+ 3z=z
2x+z= 0
4x3y2z= 0
4x2z= 0 2x+z= 0
4x3y2z= 0 2x+z= 0
y= 0
L’ensemble des solutions est l’intersection de deux plans vectoriels ind´ependants, c’est-`a-dire une droite
vectorielle. Pour trouver cette droite, il suffit d’en trouver un ´el´ement non nul. Posons x= 1, et donc
z= 2 et enfin y= 0. Enfin, ker(AI) = Vect(1,0,2).
4) Comme la dimension du sous-espace propre associ´e `a 1 est <`a la multiplicit´e de (X1) dans le polynˆome
caract´eristique, on peut conclure que An’est pas diagonalisable.
5) Le polynˆome minimal mAde Aest un polynˆome unitaire (i.e. son coefficient de plus haut degr´e est 1)
qui annule Amais tel qu’aucun de ses diviseurs stricts n’annule A. D’apr`es le cours, un tel polynˆome
existe et est unique. Une autre d´efinition serait de dire que mAest le polynˆome unitaire qui engendre
l’id´eal principal {PC[X], P (A)=0}de C[X].
6) D’apr`es le th´eor`eme de Cayley-Hamilton, on sait que χAannule A. Cherchons donc mAparmi les
diviseurs de χAc’est-`a-dire :
1, X + 2, X 1,(X+ 2)(X1),(X1)2,(X1)2(X+ 2)
Le polynˆome 1 ne convient pas puisque 1(A) = In6= 0 (ici 1(A) d´esigne le polynˆome constant 1 ´evalu´e
en A). Ensuite, les polynˆomes X+ 2, X1 et (X+ 2)(X1) ne conviennent pas, car d’apr`es le cours,
An’est pas diagonalisable et donc mAn’est pas scind´e `a racines simples. D’apr`es le cours, toutes les
valeurs propres de Asont racines de mA. Cela ´elimine donc (X1)2qui ne s’annule pas en 2. Le seul
polynˆome restant est donc mA= (X1)2(X+ 2).
Exercice 4
1) La r`egle de Sarrus donne
det(M) = a3+bc2+b2c3abc
2
2) On reconnaˆıt deux d´eterminants triangulaires inf´erieurs et sup´erieurs. Leurs valeurs sont ´egales au
produit de leurs ´el´ements diagonaux. Ainsi, det(M(b)) = (ab)3et det(M(c)) = (ac)3.
3) Rempla¸cant la ligne L2 par L2-L1, et L3 par L3-L1, on ne change pas la valeur du d´eterminant et
l’on a
det(M(t)) =
a+t b +t b +t
ca a b0
ca c b a b
En d´eveloppant par rapport `a la premi`ere ligne, il apparaˆıt que det(M(t)) est un polynˆome de degr´e
1 en t.
4) A l’aide des questions pr´ec´edentes, on a le syst`eme
(ab)3=AbB
(ac)3=AcB
Comme b6=c, cela donne par soustraction
(ab)3(ac)3= (cb)B
(ab)3(ac)3
cb=B
Ensuite, on trouve A:
c(ab)3b(ac)3= (cb)A
c(ab)3b(ac)3
cb=A
5) Evidemment det(M) = det(M(0)) = Adont la formule, en fonction de (a, b, c), est donn´ee ci-dessus.
Exercice 5
1) Une matrice Atrigonalisable sur Rest une matrice semblable `a une matrice triangulaire sup´erieure
`a coefficients r´eels, c’est-`a-dire qui s’´ecrit A=PTP1avec PGLn(R) et TMn(R) triangulaire
sup´erieure.
2) Avec l’´ecriture pr´ec´edente, on a A2+A+I=PTP1PTP1+PTP1+I=P(T2+T+I)P1.
Comme Test triangulaire sup´erieure, il en est de mˆeme de T2+T+I. Les ´el´ements diagonaux sont
alors λ2
k+λk+ 1.
3) On a
x2+x+ 1 3
4=x2+x+1
4= (x+1
2)20
Le cas d’´egalit´e se produit seulement si x=1
2.
4) La trace est la somme des valeurs propres. Donc
tr(A2+A+I) =
n
X
k=1
λ2
k+λk+ 1
n
X
k=1
3
43n
4.
5) La matrice A=1
2Inconvient trivialement.
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