PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚13 Lyc´ee de L’essouriau
EXERCICE 1 - Calculs de d´eterminants
1. Via C1C1C2et C2C2C3puis en factorisant selon la premi`ere colonne par (a1a2) et selon
la seconde par (a2a3) ont trouve :
det((1 + aiaj)16i,j6n) =
a1(a1a2)a1(a2a3) 1 + a1a3. . . 1 + a1an
a2(a1a2)a2(a2a3) 1 + a2a3. . . 1 + a2an
.
.
..
.
..
.
.
.
.
..
.
..
.
.
an(a1a2)an(a2a3) 1 + ana3. . . 1 + anan
det((1 + aiaj)16i,j6n)=(a1a2)(a2a3)
a1a11 + a1a3. . . 1 + a1an
a2a21 + a2a3. . . 1 + a2an
.
.
..
.
..
.
.
.
.
..
.
..
.
.
anan1 + ana3. . . 1 + anan
Cette matrice admettant deux colonnes identiques, son d´eterminant est nul (sauf pour n= 1 ou 2)
2. Via les op´erations ´el´ementaires LiLi+L1, on obtient une matrice triangulaire inf´erieure :
123. . . n
1 0 3 . . . n
12 0 . . . n
.
.
..
.
..
.
.....
.
.
123. . . 0
[n]
=
1 2 3 . . . n
0 2
0 0 3 ()
.
.
..
.
..
.
....
0 0 0 . . . n
[n]
=n!
3. On effectue C1C1C3puis L4L4xL1pour trouver :
∆ =
1x1x3
x1x x2
1x31x
x x2x1
=
2x1x3
0 1 x x2
0x31x
2x x2x1
=
2x1x3
0 1 x x2
0x31x
0 0 0 1 x4
On effectue L3L3x3L2pour trouver une matrice triangulaire :
∆ =
2x1x3
0 1 x x2
001x4x
0 0 0 1 x4
= 2(1 x4)2= 2((1 + x)(1 x)(1 + x2))2
4. On effectue un d´eveloppement suivant la premi`ere ligne, puis selon la premi`ere colonne pour trouver :
n=
23 0 . . . 0
12.......
.
.
0.........0
.
.
..........3
0. . . 0 1 2
[n]
=2∆n1+ 3
13 0 ...0
023....
.
.
.
.
. 1 ......0
.
.
.......3
0 0 0 1 2
[n1]
=2∆n1+ 3∆n2
(∆n) est une suite r´ecurrente lin´eaire d’ordre 2 d’´equation caract´eristique r2+ 2r3 = 0 admettant
pour racines r1= 1 et r2=3. Il existe donc (α, β)Rtels que nN, ∆n=αrn
1+βrn
2.
Avec ∆1=2 = α3βet ∆2=7=α+ 9β, on trouve β=3
4et α=1
4.
Finalement ∆n=1(3)n+1
4.
1
PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚13 Lyc´ee de L’essouriau
EXERCICE 2 - Matrice d’une application
1. Soient (M, M0)∈ M2(R) et λR, on a ϕ(λM +M0) = A(λM +M0) = λAM +AM0=λϕ(M)+ϕ(M0).
On en d´eduit que Φ est lin´eaire.
Comme AM est une matrice carr´ee de dimension 2, Φ est un endomorphisme .
2. Soit M=a b
c d Ker Φ, ceci ´equivaut `a AM = 0 soit a+c b +d
a+c b +d= 02.
Ou encore a+c= 0
b+d= 0 soit c=aet d=bet M=a b
ab=a1 0
1 0 +b0 1
01.
Soit finalement Ker Φ = Vect 1 0
1 0 ,0 1
01 . Ces deux matrices n’´etant pas propor-
tionnelles, il s’agit bien d’une famille libre et g´en´eratrice, donc d’une base de Ker Φ.
Le th´eor`eme du rang appliqu´e `a Φ prouve que rg Φ = dim(M2(R))dim Ker Φ = 4 2 = 2.
On remarque ´egalement que AM =a+c b +d
a+c b +d= (a+c)1 0
1 0 + (b+d)0 1
0 1 soit
Im Φ = Vect 1 0
1 0 ,0 1
0 1  .
3. Dans la base canonique (E1,1, E1,2, E2,1, E2,2) de M2(R), on obtient :
Φ(E1,1) = E1,1+E2,1, Φ(E1,2) = E2,1+E2,2, Φ(E2,1) = E1,1+E2,1, Φ(E2,2) = E1,2+E2,2.
On en d´eduit que la matrice de Φ relativement `a la base canonique de M2(R) est
1 0 1 0
0 1 0 1
1 0 1 0
0 1 0 1
.
4. Ker Φ et Im Φ sont chacun de dimension 2 donc la somme de leurs dimensions vaut celle de M2(R).
Soit MKer Φ Im Φ .
MIm Φ donc M=a b
a b .
Mais MKer Φ donc AM = 02soit AM =2a2b
2a2b= 02soit a=b= 0 et M= 02.
Finalement Ker Φ Im Φ = {0E}et donc avec l’´egalit´e des dimensions, on en d´eduit que :
Ker Φ Im Φ = M2(R) .
2
PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚13 Lyc´ee de L’essouriau
PROBL`
EME 1
D’apr`es Concours des ´
Ecoles des Mines d’Albi, Al`es, Douai, Nantes - PCSI - 2000
Partie I - ´
Etude d’une ´equation fonctionnelle
1. Soit f=kIdEune homoth´etie vectorielle de rapport ko`u kest un nombre complexe.
On a (f+IdE)2nIdE= (k+IdE)2nIdE=P(k)IdEavec P= (X+ 1)2n1.
Donc fest solution de l’´equation propos´ee si et seulement si kest racine de P, c’est `a dire X+ 1 est
une racine 2n-i`eme de l’unit´e, donc il existe un entier kcompris entre 0 et 2n1 tel que X+ 1 = e2ikπ
2n
soit X=eikπ
n1 avec kcompris entre 0 et 2n1 .
2. En utilisant le binˆome de Newton, on a 2n=
2n
X
k=0
Ck
2net 0 =
2n
X
k=0
Ck
2n(1)k.
Or tout entier kcompris entre 0 et 2nest soit de la forme 2lo`u lest un entier compris entre 0 et nsoit de
la forme 2l+1 o`u lest un entier compris entre 0 et n1. En s´eparant dans les deux sommes pr´ec´edentes
les entiers pairs des entiers impairs, on a 2n=S+S0et 0 = SS0, ce qui donne S=S0= 2n1.
3. Soit sune sym´etrie. set IdEcommutent dans L(E) donc (s+IdE)2n=
2n
X
k=0
Ck
2nsk.
Or sk=IdEsi kest pair et sk=ssi kest impair car ss=IdE.
On obtient (s+IdE)2nIdE= (S1)IdE+S0s= (2n11)IdE+ 2n1s.
Ainsi si sest une sym´etrie solution du probl`eme pos´e s=2n11
2n1IdEqui n’est pas une sym´etrie.
Il n’y a donc pas de sym´etrie solution du probl`eme pos´e.
Partie II - ´
Etude d’une ´equation matricielle
4. Notons C=M0,1. Alors Cet I3appartiennent `a Get G={aI +bC, (a, b)C2}= Vect(I, C).
Donc Gest un sous espace vectoriel de M3(C) dont (I, C) est une famille g´en´eratrice.
Si λet µsont deux complexes tels que λI +µC = 0 alors Mλ,µ = 0 donc λ=µ= 0. La famille (I, C)
est libre. Gest donc un sous vectoriel de M3(C) de dimension 2 dont (I, C) est une base.
Soit Ma,b et Ma0,b0deux ´el´ements de G. Alors Ma,bMa0,b0=aa0I+ (ab0+ba0)C+bb0C2.
Or C2= 2I+Cdonc C2appartient `a Get Ma,bMa0,b0aussi.
On a mˆeme plus pr´ecis´ement : Ma,bMa0,b0= (aa0+ 2bb0)I+ (ab0+ba0+bb0)C=Maa0+2bb0,ab0+ba0+bb0
5. det(M(a, b)) = a33ab2+ 2b3= (ab)(a2+ab 2b2)=(ab)2(a+ 2b) .
La matrice M(a, b) est inversible si et seulement si son determinant ne s’annule pas donc si et seule-
ment si a6=bet a6=2b
La matrice Ma,b est inversible si, et seulement si, a6=bet a6=2b,
6. Pour a6=bet a6=2b, il suffit de chercher a0, b0tels que
M(a, b)×M(a0, b0) = M(aa0+ 2bb0, ab0+a0b+bb0) = I.
On en d´eduit que aa0+ 2bb0= 1
ab0+a0b+bb0= 0 soit b0=b
b+aa0puis a0=b+a
(ab)(a+ 2b).
Au final (M(a, b))1=Mb+a
(ab)(a+ 2b),b
(ab)(a+ 2b).
7. On trouve en calculant u(e0
1)=(a+ 2b)e0
1.
3
PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚13 Lyc´ee de L’essouriau
8. Soit F= Ker(u(ab)IdE). On a, puisque b6= 0 :
(x, y, z)Fx+y+z= 0
Donc F= Vect(e0
2, e0
3) avec e0
2= (1,1,0) et e0
3= (1,0,1) .
De plus (e0
2, e0
3) est libre donc c’est une base de F.
9. e0
1= (1,1,1) /E2car (x, y, z)Fx+y+z= 0 et ici x+y+z= 3 6= 0.
On en d´eduit que e0
1n’est pas combinaison lin´eaire de e0
2et e0
3, ces deux derniers ´etant non colin´eaires
d’apr`es la question pr´ec´edente, on en d´eduit que (e0
1, e0
2, e0
3) est libre et maximale, c’est une base de C3.
10. Comme u(e0
1)=(a+ 2b)e0
1,u(e0
2)=(ab)e0
2et u(e0
3)=(ab)e0
3, la matrice de udans B0est :
D=
a+ 2b0 0
0ab0
0 0 ab
11. On a P=
1 1 1
11 0
1 0 1
. Soit (x, y, z) et (a, b, c) deux ´el´ements de C3:
P
x
y
z
=
a
b
c
x+y+z=a
xy=b
xz=c
L2L2+L1
L3L1+L2+L3
x+y+z=a
2x+z=a+b
3x=a+b+c
x=a+b+c
3
z=a+b2x=a+b2c
3
y=axz=a2b+c
3
ce qui d´emontre que Pest inversible et que P1=1
3
1 1 1
12 1
1 1 2
.
12. D’apr`es la formule de changement de base M=P DP 1.
Si Mest une matrice 3×3, on peut d´emontrer par r´ecurrence sur nque Mn= (P DP 1)n=P DnP1.
Il suffit alors de calculer Dn(en ´elevant `a la puissance nles coefficients de la diagonale) puis de
multiplier `a gauche par Pet `a droite par P1pour obtenir Mn.
13. Alors :
(M+I)nI= (P DP 1+I)nI= (P(D+I)P1)nI
=P(D+I)nP1I=P((D+I)nI)P1
D’autre part, comme Pest inversible, P NP 1= 0 ´equivaut `a N= 0. Donc, d’apr`es le calcul pr´ec´edent :
(M+I)nI= 0 (D+I)nI= 0
14. Avec la matrice Dde la question 10., (D+I)nI=
A(a+ 2b) 0 0
0A(ab) 0
0 0 A(ab)
.
Par suite, Dest solution de () si et seulement si a+ 2bet abest racine de P(polynˆome ´evoqu´e au
1.). De plus, comme b6= 0, Dest solution de () si et seulement si il existe deux entiers pet qdistincts
compris entre 0 et 2n1 tels que a+ 2b=eipπ
n1 et ab=eiqπ
n1.
Ainsi Dest solution de () si et seulement si il existe deux entiers pet qdistincts compris entre 0 et
2n1 tels que a=eipπ
n+ 2eiqπ
n
31 et b=eipπ
neiqπ
n1
3.
15. D’apr`es la question 3., les matrices Ma,0(matrices d’homoth´eties) solutions de () sont les matrices
Meipπ
n1,0o`u pest un entier compris entre 0 et 2n1.
D’apr`es la question 14., les matrices Ma,b avec b6= 0 solutions de () sont les matrices Ma,b avec
a=eipπ
n+2eiqπ
n
31 et b=eipπ
neiqπ
n1
3o`u pet qsont deux entiers distincts compris entre 0 et 2n1.
4
PCSI 2013-2014 CORRECTION DS n˚13 Lyc´ee de L’essouriau
PROBL`
EME 2
D’apr`es Concours des ´
Ecoles des Mines d’Albi, Al`es, Douai, Nantes - MPSI - 1999
Partie I - ´
Etudes d’endomorphismes donn´ees par leur matrice
1. (a) En notant C1, C2, C3les trois colonnes de la matrice A, on remarque que : vC1+uC2=C3.
Les 3 colonnes de la matrice ´etant li´ees, elle n’est pas de rang 3, donc An’est pas inversible et
det(A) = det(f) = 0 . C1et C2n’´etant pas colin´eaires, ceci prouve que rg(A) = rg(f) = 2.
(b) Le th´eor`eme du rang appliqu´e `a fdonne dim(R3) = dim(Ker f) + rg(f).
Soit dim(Ker f)=32 = 1, Ker fest donc une droite vectorielle engendr´e par un unique
vecteur. Via la relation vC1+uC2+C3= 0, on trouve que Ker A= Vect(v, u, 1) .
Soit Ker f= Vect(v+uX +X2) .
(c) rg(f) = 2 donc Im(f) est un plan vectoriel engendr´e par deux vecteurs non-colin´eaires, par
exemples ceux donc les coordonn´ees forment les colonnes C1et C2de la matrice A, c’est `a dire
Im A= Vect((u, 2,0),(v, 0,1)) et Im f= Vect(u2X, v X2) .
2. (a) Via l’ op´eration ´el´ementaire L2L2L1, puis en d´eveloppant suivant C1, on obtient :
det B=
3w0 0
31 2w0
0213w
0 0 1 3
=
3w0 0
01w2w0
02 1 3w
0 0 1 3
=3
1w2w0
2 1 3w
01 3
Via l’ op´eration ´el´ementaire C2C2+1
3C3, puis en d´eveloppant suivant L3, on obtient :
det B=3
1w2w0
2 1 + w3w
0 0 3
=9
1 + w2w
2 1 + w
=9(w22w1+4w) = 9(w1)2
(b) Lorsque w=w0= 1, Bn’est plus inversible et alors le noyau n’est plus r´eduit `a 0E.
On a ici B=
3 1 0 0
3120
0213
0 0 1 3
. Posons X=
x
y
z
t
et r´esolvons BX = 04,1soit :
3x+y= 0
3xy+ 2z= 0
2y+z+ 3t= 0
z+ 3t= 0
x=1
3y
3xy+ 2z= 0
2y= 6t
z= 3t
x=t
3t3t+ 2.(3t) = 0
y= 3t
z= 3t
On obtient Ker B= Vect(1,3,3,1) soit Ker g= Vect(1 + 3X+ 3X2+X3) = Vect((1 + X)3) .
Partie II - D´efinition d’une application lin´eaire
3. Soient (P, R)R[X]2et λR, alors :
ϕ(λP +R) = 2(λP +R)0Qn(λP +R)Q0=λ(P0QnP Q0=R0QnRQ0=λϕ(P) + ϕ(R).
ϕest donc lin´eaire, prouvons qu’elle est `a valeurs dans Rn[X], on sait d´ej`a que par op´erations sur les
polynˆomes, ϕ(P) est un polynˆome mais attention au degr´e !
Si deg(P)6n1 alors deg(2P0Q)6n2+2 = net deg(nP Q)6n1+1 = ndonc deg(ϕ(P)) 6n.
Remarquons alors la valeur de ϕ(Xn)=2nXn1QnXnQ0, or Q=aX2+bX +c.
ϕ(Xn) = 2nXn1(aX2+bX +c)nXn(2aX +b) = 2anXn+1 + 2bnXn+ 2cnXn12anXn+1 2bXn.
Finalement ϕ(Xn)=2b(n1)Xn+ 2cnXn1soit degϕ(Xn)6n.
Par lin´earit´e on en d´eduit que l’image de tout polynˆome par ϕest un polynˆome de Rn[X].
ϕest donc bien un endomorphisme de Rn[X].
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