SESSION 2013
CONCOURS COMMUN POLYTECHNIQUE (ENSI)
FILIERE MP
MATHEMATIQUES 2
EXERCICE 1 : points à coordonnées entières sur une hyperbole
1. Allure de H
1
2
3
1
2
3
1234512345
y=x/13
y= −x/13
H
Les tangentes aux sommets sont les droites d’équations respectives x=1et x= −1. Les asymptotes sont les droites
d’équations respectives x=1
13 et x= − 1
13 .
2. Algorithme.
Variables xet ysont des entiers
Début
Pour yvariant de 0à200, faire
x=sqrt(1+13*y2)
Si x=int(x), alors
Afficher (x, y)
Fin de Si
Fin de faire
Fin
3. On trouve les couples (1, 0)et (649, 180).
Problème : matrices « toutes-puissantes »
Partie I : quelques exemples
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1. (a) Soit aT1(R). Alors il existe bRtel que a=b2. Par suite, a[0, +[. Ceci montre que T1(R)[0, +[.
Soit a[0, +[. Soit nN. Soit b=n
a. Alors bRet bn=a. Par suite, aT1(R). Ceci montre que [0, +[T1(R).
Finalement
T1(R) = [0, +[.
(b) Puisque b6=0,badmet exactement nracines n-ièmes deux à deux distinctes. Les racines n-ièmes de bsont les
nombres complexes de la forme n
rei(θ
n+2kπ
n),kJ0, n 1K.
(c) Soit aC. Soit nN. Si a=0, alors 0n=aet si a6=0, d’après la question précédente, il existe bCtel que
bn=a. Donc aT1(C. Ceci montre que CT1(C). Comme d’autre part, T1(CC, on a montré que
T1(C) = C.
2. (a) Soit ATp(K). Soit nN. Il existe BMp(K)telle que Bn=A. Mais alors, det(A) = det(Bn) = (det(B))n.
De plus, det(B)K.
Ainsi, pour tout nN, il existe bKtel que bn=det(A)et donc det(A)T1(K).
(b) Soit A=1 0
01. det(A) = −1 < 0 et donc det(A)/T1(R)d’après la question 1). Mais alors, A /T2(R)d’après
la question précédente.
3. det(A) = 2T1(R).
Soit BM2(R). Posons SpC(B) = (λ, µ). Si B2=A, alors (λ2, µ2) = (−1, 2)et donc
(λ, µ)i, i2,i, i2,i, i2,i, i2.
Ceci est impossible car, Bétant une matrice réelle, si Badmet une valeur propre αnon réelle, alors Badmet aussi αpour
valeur propre. Il n’existe donc pas de matrice BM2(R)telle que B2=A. On en déduit que A /T2(R).
4. (a) χA=
X 3 2
2 5 X 2
23X
= (−X)(X25X+6)+2(−3X+6)+ 2(2X 4) = −X(X2)(X3)6(X2)+4(X2) =
(X2)(−X(X3) − 2) = (X2)(X2+3X 2) = −(X1)(X2)2. Le polynôme caractéristique de Aest scindé sur R.
Aadmet 1pour valeur propre simple et 2pour valeur propre double. Par suite,
Aest diagonalisable sur Rdim (Ker(A2I3)) = 2rg(A2I3) = 1.
Or, A2I3=
2 3 2
2 3 2
232
.C2= 2
3C1,C3= −C1et C16=0. Donc rg(A2I3) = 1. On en déduit que
Aest diagonalisable sur R.
(b) Par suite, il existe une matrice PGL3(R)telle que A=PDP1où D=diag(1, 2, 2). Soient nNpuis B=
Pdiag 1, n
2, n
2P1.Best une matrice réelle et
Bn=Pdiag 1, n
2, n
2P1n=Pdiag 1, n
2, n
2n
P1=PDP1=A.
Ceci montre que Aest TPR.
(c) On peut prendre P=
1 3 1
1 2 0
1 0 1
puis P1=
232
1 2 1
231
.
Soit B2=Pdiag 1, 2, 2P1.
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B2=
1 3 1
1 2 0
1 0 1
100
02 0
001
232
1 2 1
231
=
1 322
1 22 0
1 0 2
232
1 2 1
231
=
223+322+22
2223+422+22
2+22 3 32 2 2
.
La matrice B2=
223+322+22
2223+422+22
2+22 3 32 2 2
est une matrice réelle telle que B2
2=A. En remplaçant 2par
3
2, la matrice B3=
23
23+33
22+23
2
223
23+43
22+23
2
2+23
2 3 33
2 2 3
2
est une matrice réelle telle que B3
3=A.
5. (a) On munit R2de sa structure euclidienne usuelle et de son orientation usuelle. Aest alors la matrice dans la base
canonique de Id qui est la rotation d’angle π.
(b) Soient nNpuis B=
cos π
nsin π
n
sin π
ncos π
n
. Alors, Bnest la matrice dans la base canonique de la rotation
d’angle n×π
n=πet donc Bn=A. Ceci montre que Aest TRR.
6. (a) Il existe kNtel que Nk=0. Donc le polynôme Xkest annulateur de N. On sait que les valeurs propres de N
dans Csont à choisir parmi les racines de ce polynôme annulateur. Donc, 0est l’unique valeur propre de N.
Le polynôme caractéristique de Nest le polynôme de coefficient dominant (−1)p, de degré p, admettant 0pour unique
racine. On en déduit que χN= (−1)pXp.
D’après le théorème de Cayley-Hamilton,χN(N) = 0ce qui fournit Np=0.
(b) Supposons de plus que Nsoit TPK. Il existe une matrice BMp(R)telle que N=B2. Mais alors, B2p =Np=0.
La matrice Best donc nilpotente. La question précédente fournit alors N=Bp=0. On a montré que si Nest TPK, alors
N=0.
Partie II : le cas où le polynôme caractéristique est scindé
7. D’après le théorème de Cayley-Hamilton,χu(u) = 0ou encore
p
Y
i=1
(uλiIdKp)ri=0. De plus, les polynômes
(Xλi)ri,16i6k, sont deux à deux premiers entre eux. D’après le théorème de décomposition des noyaux,
Kp=Ker (uλ1IdKp)r1...Ker (uλkIdKp)rk=C1...Ck.
8. (a) Puisque vcommute avec u,vcommute avec tout polynôme en uet donc vcommute avec Q(u). On sait alors que
Ker(Q(u)) est stable par v. Redémontrons-le.
Soit xKer(Q(u)). Alors Q(u)(x) = 0puis
Q(u)(v(x)) = V(Q(u)(x)) = v(0) = 0,
et donc v(x)Ker(Q(u)).
(b) Soit iJ1, kK.ucommute avec (uλiIdKp)riqui est un polynôme en u. Donc, ulaisse stable Ker (uλiIdKp)ri=Ci.
9. Soit iJ1, kK. Posons vi=uCiλiIdCi. Soit xCi=Ker (uλiIdKp)ri=Ker(vi)ri. Par définition, vri
i(x) = 0.
Ainsi, vri
i=0et donc viest nilpotent d’indice inférieur ou égal à ri.
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10. Soit Bune base de Kpadaptée à la décomposition Kp=C1...Cppuis Pla matrice de passage de BàB.
Posons M=P1AP.
D’après la question 8)a), les Cisont stables par u. On en déduit que la matrice Mest diagonale par blocs :
M=
M10 . . . 0
0 M2
....
.
.
.
.
.......0
0 . . . 0 Mk
où pour tout iJ1, kK,MiMpi(K)avec pi=dimCi.
Pour chaque iJ1, kK, posons Ni=MiλiIpide sorte que Mi=λiIpi+Ni. D’après la question 9), la matrice Niest
une matrice nilpotente de Mpi(Mpi(K).
Finalement on a écrit Asous la forme A=Pdiag (λ1Ip1+N1,...,λkIpk+Nk)P1Pest une matrice inversible de
Mp(K)et pour tout iJ1, kK,pi=dimCiet Niest une matrice nilpotente de Mpi(K).
11. Supposons que pour tout iJ1, kK,λiIdpi+Nisoit TPK. Alors pour tout iJ1, kKet pour tout nN, il existe
une matrice Bi,n Mpi(K)telle que Bn
i,n =λiIdpi+Ni.
Soit nN. Soit Bn=Pdiag(B1,n, . . . , Bk,n)P1Mp(K).
Bn
n=P(diag(B1,n,...,Bk,n))nP1
=Pdiag(Bn
1,n,...,Bn
k,n)P1(calcul par blocs)
=Pdiag(λ1Ip1+N1,...,BλkIpK+Nk)P1=A.
On en déduit que Aest TPK
Partie III : le cas des matrices unipotentes
12. (a) La division euclidienne de Vpar Xpfournit deux polynômes Qet Rtels que V=Xp×Q+Ret deg(R)6p1.
Quand xtend vers 0,V(x) = o(xp)et en particulier, V(x) = o(xp1). D’autre part, xpQ(x) = o(xp1). Donc, quand x
tend vers 0,R(x) = V(x) − xpQ(x) = o(xp1). Puisque Rest de degré au plus p1, cette dernière égalité s’écrit plus
explicitement
R(x) + o(xp1) =
x00+o(xp1).
Par unicité des coefficients d’un développement limité, on en déduit que les coefficients de Rsont nuls ou encore que Rest
nul. Finalement, il existe un polynôme Qtel que V=Xp×Q.
(b) Un développement limité de (1+x)1/n en 0à l’ordre ps’écrit
(1+x)1/n =
x0U(x) + o(xp),
Uest un polynôme de degré inférieur ou égal à p. En élévant les deux membres à l’exposant n, on obtient
1+x=
x0(U(x) + o(xp))n=
x0(U(x))n+o(xp),
(développement limité d’une composée).
(c) Quand xtend vers 0,1+x(U(x))n=o(xp). D’après la question 12)a), il existe un polynôme Qtel que 1+XUn=
Xp×Qou encore 1+X=Un+Xp×Q.
13. (a) Soit nN. D’après la question précédente, il existe deux polynômes Uet Q(dépendant de n) tels que
1+X=Un+Xp×Q. En évaluant en la matrice N, on obtient
Ip+N= (U(N))n+Np×Q(N) = (U(N))n,
car d’après la question 6)a), Np=0.
Ainsi, pour chaque nN, il existe une matrice U(N)Mp(K)telle que Bn=Ip+N. La matrice Ip+Nest donc TPK.
(b) Soit λK\ {0}tel que λsoit TPK. Soit nN. Il existe µKtel que µn=λ.
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D’autre part, la matrice 1
λNest nilpotente car 1
λNp
=1
λpNp=0. D’après la question précédente, il existe une matrice
BMp(K)telle que Bn=Ip+1
λN.
Soit B=µB.Best dans Mp(K)et Bn=µnBn=λIp+1
λN=λIp+N. Ceci montre que λIp+Nest TPK.
14. (a) Soit AGLn(C). Alors les λi,16i6k, de la partie II sont tous non nuls. D’autre part, chaque λi,16i6k,
est TPCd’après la question 1)c).
D’après la question précédente, chaque matrice λiIpi+Ni,16i6k, de la partie II est TPC. La question 11) permet
alors d’affirmer que Aest TPC.
(b) Si p>2, la matrice élémentaire E1,2 est nilpotente et non nulle. La question 6)a) montre que la matrice E1,2 n’est
pas TPC. Donc, si p>2,Tp(C)6=Mp(C). Par contre, d’après la question 1)c), T1(C) = M1(C).
15. Soit A=
1 1 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 0
=I3+N 03,1
01,3 0N=E1,2. D’après la question 13)a), la matrice I3+Nest TPR.
Un calcul par blocs montre alors que Aest TRR.
Maintenant, 0est valeur propre de Aet donc An’est pas inversible. D’autre part, 1est valeur propre triple de Amais
rg(AI3) = 2 > 1 et donc An’est pas diagonalisable.
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