Mines Maths 1 MP 2013 — Énoncé 1/4
ÉCOLE DESPONTSPARISTECH,
SUPAÉRO(ISAE), ENSTAPARISTECH,
TÉLÉCOM PARISTECH, MINES PARISTECH,
MINES DE SAINT-ÉTIENNE, MINESDE NANCY,
TÉLÉCOM BRETAGNE, ENSAE PARISTECH (FILIÈREMP),
ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRETSI).
CONCOURS2013
PREMIÈRE ÉPREUVEDEMATHÉMATIQUES
FilièreMP
(Duréede l’épreuve:3heures)
L’usage d’ordinateuroude calculetteestinterdit.
Sujetmis àla disposition des concours :
CYCLEINTERNATIONAL,ENSTIM, TELECOM INT,TPE-EIVP.
Lescandidats sontpriés de mentionner de façon apparente
sur la premièrepage de la copie :
MATHÉMATIQUES I-MP.
L’énoncéde cetteépreuvecomporte 4pagesde texte.
Si,au cours del’épreuve,uncandidat repèrece quilui semble êtreune erreur d’énoncé,
il le signalesursa copie et poursuit sa compositionen expliquantles raisonsdes
initiativesqu’il est amenéàprendre.
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Mines Maths 1 MP 2013 — Énoncé 2/4
Applicationsbilinéaires symétriques plates
Danstoutle problème,
n
est un entier supérieurou égal à2et
p
est un
entiersupérieur ou égal à1. Les espaces vectoriels
Rn
et
Rp
sont munis deleurs
produits scalaires canoniques,notés
〈·,·〉
;en particulier pour
p=
1, c’est le
produit usueldansR.
Onrappelle qu’une application
ϕ
de
Rn×Rn
dans
Rp
est bilinéairelorsque
pour tous
x,y
dans
Rn
,les deux applications partielles
z7→ ϕ
(
z,y
)et
z7→ ϕ
(
x,z
)
de
Rn
dans
Rp
sont linéaires.L’applicationbilinéaire
ϕ
est dite symétriquesi
ϕ
(
x,y
)
=ϕ
(
y,x
)pour tous
x,y
dans
Rn
.Enparticulier,lorsque
p=
1, ondit que
ϕest une forme bilinéairesymétrique.
Soit
ϕ
uneapplication bilinéaire
symétrique
.Onappelle noyau de
ϕ
et on
note
Kerϕ
l’ensembledes vecteurs
x∈Rn
tels quepour tout
y∈Rn
,
ϕ
(
x,y
)
=
0.
Ondit que
ϕ
est diagonalisables’il existe une base (
ei
)
1ÉiÉn
de
Rn
telle que pour
tous
i6= j
,
ϕ
(
ei,ej
)
=
0. Enfin,on dit que
ϕ
est plate (relativement auproduit
scalairedeRp)si pour tousles vecteurs x,y,z,wde Rn,on a:
〈ϕ(x,y),ϕ(z,w)〉=〈ϕ(x,w), ϕ(z,y)〉.
Le butduproblème est d’établir,souscertaines conditions,qu’une applica-
tion bilinéairesymétrique plate est diagonalisable.
Les parties A, BetCsont indépendantesles unes des autres.
A.Formes bilinéaires symétriquesplates
Danstoute cette partieon pose
p=
1. Soit
ϕ
:
Rn×Rn→R
uneforme bili-
néairesymétrique.
1)
Justifier qu’il existe ununiqueendomorphisme
u
de
Rn
telque pourtous
x,y
dans
Rn
,
ϕ
(
x,y
)
=〈u
(
x
)
,y〉
.Vérifier que
u
est symétrique eten déduire
queϕest diagonalisable.
Onnote
Rn∗
l’espace dualde
Rn
constituédes formes linéaires sur
Rn
.Si
a
et
b
sont dans
Rn∗
,on définitl’application
a⊗b
de
Rn×Rn
àvaleurs dans
R
,en
posant (a⊗b)(x,y)=a(x)b(y)pour tousx,ydansRn.
2)
Montrer quepour tous
a,b∈Rn∗
,
a⊗b
est uneformebilinéairesur
Rn
.
Donner une condition nécessaireet suffisante pour qu’elle soit symé-
trique.
Onrappelleque le rang d’une forme bilinéairesymétrique
ϕ
:
Rn×Rn→R
est
égal au rang de lamatrice
¡ϕ
(
ei,ej
)
¢1Éi,jÉn
où (
ei
)
1ÉiÉn
est unebase quelconque
de Rn.
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Mines Maths 1 MP 2013 — Énoncé 3/4
3)
Onsuppose dans cettequestionque
ϕ
est de rang 1.Montrer qu’il existe
uneforme linéaire
f∈Rn∗
telle que
ϕ= ± f⊗f
.(Onpourraconsidérer la
base duale d’unebase qui diagonalise ϕ.)
4) Endéduirequ’une forme bilinéairesymétrique de rang 1est plate.
5)
Réciproquement, soit
ϕ
uneformebilinéairesymétriqueplatenon nulle.
Quel estle rangdeϕ?
B. Diagonalisationsimultanée
Soit (
ui
)
i∈I
unefamille quelconque d’endomorphismes autoadjointsd’un
espace euclidien
E
de dimension
n
,qui commutent deuxàdeux :
ui◦uj=uj◦ui
pour tous
i,j
dans
I
.Onse propose de démontrer par récurrence sur
n
qu’il
existe unebase orthonormée de
E
quidiagonalise touscesendomorphismes.
Le résultat étantévidentpour
n=
1, on suppose que
n>
1etquelerésultat est
vraipour toute dimension strictement inférieureàn.
6)
Soit
i0∈I
.Montrer que si
ui0
n’est pas unehomothétie,les sous-espaces
propres de
ui0
sont dedimension strictementinférieureà
n
.Montrer par
ailleursqueces sous-espaces sontstablespar tousles endomorphismes
ui
.
7) Conclure.
C. Vecteursréguliers
Soit
ϕ
uneapplicationbilinéairesymétriquenon nulle de
Rn×Rn
dans
Rp
.Si
x∈Rn
,on note
˜
ϕ
(
x
)l’application linéairequi àtout
y∈Rn
associe
ϕ
(
x,y
)
∈Rp
.
Onadonc
˜
ϕ
(
x
)(
y
)
=ϕ
(
x,y
)pourtous
x,y∈Rn
.Le noyau et l’image de
˜
ϕ
(
x
)sont
notés respectivementKer ˜
ϕ(x)et Im˜
ϕ(x).
On note
q
la dimensionmaximale de
Im˜
ϕ
(
x
)lorsque
x
parcourt
Rn
,et on
choisit un vecteur
v
de
Rn
telque la dimension de
Im˜
ϕ
(
v
)soitégale à
q
.Untel
vecteurvest qualifié de régulier pour ϕ.
8)
Danscette question préliminaire,on se donnedeuxmatrices carrées
A,B
d’ordre
n
àcoefficients réels.Montrer que si
A
ou
B
est inversible,alors
A+tB
l’est aussi pourtout
t∈R
sauf éventuellement pour un nombrefini
de valeurs det.
9)
Soit
r
unentier naturel non nulet (
a1,a2, .. ., ar
), (
b1,b2,. ..,br
)deuxfa-
milles de vecteurs de
Rp
.Montrer quesi (
a1,a2, .. ., ar
)est libre,alors
(
a1+tb1,a2+tb2, .. ., ar+tbr
)est égalementlibre pour tout réel
t
sauf
éventuellementpourun nombrefinidevaleurs de t.
Enparticulier (
a1+tb1,a2+tb2, .. ., ar+tbr
)seralibrepourtout
t
dans
unvoisinagede0.
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Mines Maths 1 MP 2013 — Énoncé 4/4
10) Montrer quepour toutx∈Rnet touty∈Ker ˜
ϕ(v), on aϕ(x,y)∈Im˜
ϕ(v).
Onpourraraisonner par l’absurde en montrant l’existence de vecteurs
e1,...,eqde Rntels quela famille ¡ϕ(v,e1),...,ϕ(v,eq),ϕ(x,y)¢soit libre.
11)
Danscettequestion,on suppose que
ϕ
est plate.Montrer que
Kerϕ=
Ker ˜
ϕ(v). Side plus,Kerϕ={0}, en déduirequepÊn.
Onrevientau cas généraloù
ϕ
est uneapplication bilinéairesymétrique non
nulle.
12)
Montrer que l’ensemble
V
des vecteurs réguliers pour
ϕ
est un ouvert
de Rn.
13) Montrer queVest dense dansRn.
D.Le cas p=nde noyau nul
Danscettepartie,
ϕ
désigneune applicationbilinéairesymétrique plate
de
Rn×Rn
dans
Rn
,dontlenoyauest réduit à
Kerϕ={
0
}
.Onfixe unvecteur
régulier vpour ϕ.
14) Montrer que˜
ϕ(v)est un automorphisme.
Pour toutx∈Rn,on définit l’endomorphisme ψ(x)=˜
ϕ(x)◦˜
ϕ(v)−1.
15)
Enutilisant la définitiond’une applicationbilinéaireplate,montrerque
ψ(x)est auto-adjoint.
16)
Montrer quepour tous
x,y∈Rn
,
ψ
(
x
)
◦ψ
(
y
)
=ψ
(
y
)
◦ψ
(
x
). Endéduirequ’il
existe unebaseorthonormée (
e1,e2,...,en
)de
Rn
diagonalisant simulta-
nément tousles endomorphismes ψ(x).
17)
Construireàl’aide de (
e1,e2,...,en
)unebase quidiagonalise
ϕ
.Onpourra
utiliser la symétrie de ϕ.
FINDUPROBLÈME
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