MINES 92 ÉNONCÉ MATH 2 Notations et objectifs • n désigne un

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ENONC´
E MATH 2
Notations et objectifs
nesigne un entier >1 et El’ensemble des matrices carr´ees (n, n)`a termes r´eels ; ATest
la matrice transpos´ee de A. On utilisera (Eij )1in
1jn
base canonique de E.
Les vecteurs x,y,... de Rnseront d´esign´es aussi par des matrices colonnes X,Y,... ; Rn
sera muni du produit scalaire (.|.) d´efini par : (x|y) = (X|Y)=XT.Y . La base canonique
(ei)1inde Rnsera repr´esent´ee par les matrices colonnes (Ei)1in. On pourra utiliser la
relation Eij =Ei.ET
j.
La norme d’un vecteur Xde Rnsera not´ee |X|. L’espace vectoriel Esera muni du produit
scalaire ((.|.)) d´efini par : ((A|B)) = Tr(AT.B). Le couple (E, ((.|.))) est un espace
euclidien. La norme d’une matrice sera not´ee !A!.
Le but du probl`eme est de prouver que, pour une matrice Mdonn´ee, on peut trouver une
matrice P, de rang inf´erieur `a celui de M, telle que la distance de M`a Psoit minimale.
Partie I
´
Etude des matrices de rang 1
I.1. Factorisation des matrices de rang 1
a. Soit mun endomorphisme de Rn. D´emontrer que mest de rang 1 si et seulement s’il
existe un vecteur xde Rnet une forme lin´eaire uefinie sur Rn, non nuls, tels que
pour tout vecteur tde Rn:m(t)=u(t).x
Exemple : reconnaˆıtre Mlorsque x=ei,u=e
jo`u(ei)1inest la base canonique de
Rn,(e
j)1jnla base duale associ´ee.
b. En d´eduire l’expression g´en´erale d’une matrice Mde rang 1 `a l’aide du produit d’une
matrice colonne Xet d’une matrice ligne YT.
c. ´
Etablir les relations qui lient les matrices colonnes X,X#et Y,Y#lorsqu’une mˆeme
matrice Mde rang 1 est ´egale aux produits X.Y Tet X#.Y #T.
Montrer que, si X.Y T= 0 alors X= 0 ou Y= 0.
I.2. Rang d’une famille de matrices de rang 1
a. emontrer que toute matrice Mde Eest ´egale `a une somme de matrices de rang 1.
b. Soient (X1,X
2,... ,Xn) et (Y1,Y
2,... ,Yn) deux bases de Rn; d´emontrer que la suite
des matrices (Xi.Y T
j)1i,jnest une base de E.
c. Soient (U1,U
2,... ,Up) et (V1,V
2,... ,Vq) deux familles de vecteurs de Rn, de rangs
respectifs ret s.
eterminer le rang de la famille des matrices (Ui.V T
j)1ip
1jq
en tant que vecteurs de E.
I.3. Orthogonalit´e des matrices de rang 1 dans E, ((.|.))
a. `
A quelle condition sur les vecteurs X,X#,Y,Y#de Rn, les matrices X.Y Tet X#.Y #T
sont-elles orthogonales dans E, ((.|.)) ?
b. En d´eduire comment choisir deux suites (Xi)1inet (Yj)1jnde vecteurs de Rn,
pour que la suite des matrices (Xi.Y T
j) soit orthonorm´ee dans E, ((.|.)).
I.4. Matrices diagonalisables de rang 1
Soit Aune matrice de rang 1 d´efinie par A=X.Y T; soit ale r´eel XT.Y .
a. emontrer que la matrice Aannule un polynˆome de degr´e 2. En d´eduire les valeurs
propres possibles de A.
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b. Pour quelles valeurs du r´eel ala matrice Aest-elle diagonalisable ?
c. Exemple : consid´erer le cas suivant o`u n= 3, X=
1
0
1
,Y=
1
0
α
et αR.
Discuter la diagonalisation de A=X.Y Tselon les valeurs de α.
d. emontrer qu’il existe, dans E, une base de matrices diagonalisables de rang 1.
Partie II
Soient Aet Bdeux matrices de E,ΦA,B l’endomorphisme de Eefini par la relation :
ΦA,B(M)=A.M.BT.
Cette partie a pour but d’´etablir des propri´et´es de l’endomorphisme ΦA,B.
II.1. Rang de l’endomorphisme ΦA,B
eterminer, en fonction des rangs ret sdes matrices Aet B, le rang de ΦA,B (on calculera
ΦA,B(Eij)).
II.2. Vecteurs propres de ΦA,B
a. emontrer que, si Vet Wsont des vecteurs propres des matrices Aet B, la matrice
V.W Test un vecteur propre de ΦA,B.
b. Caract´eriser les matrices de rang 1 qui appartiennent au noyau de ΦA,B.
c. Soit X.Y Tune matrice de rang 1 vecteur propre associ´e`a la valeur propre µ, di´erente
de 0, de ΦA,B.
Est-ce que Xet Ysont des vecteurs propres de Aet B?
d. emontrer que, si Aet Bsont des matrices diagonalisables, l’endomorphisme ΦA,B
est aussi diagonalisable. Calculer alors la trace de ΦA,B.
e. eterminer les valeurs propres de ΦA,B, dans le cas suivant :
n=2 A=B=%01
10
&.
ΦA,B est-elle diagonalisable ?
II.3. Propri´et´es d’orthogonalit´e de ΦA,B
a. L’endomorphisme ΦA,B est suppos´e orthogonal dans E,((.|.)), c’est `a dire : pour
toutes matrices Met Nde E, ((ΦA,B (M)|ΦA,B (N))) = ((M|N)).
En choisissant pour Met Ndeux matrices ´egales de rang 1, ´etablir une relation
simple, pour tout couple de vecteurs Xet Yde Rn, entre |A.X|2,|B.X|2et |X|2.|Y|2.
b. En d´eduire une condition n´ecessaire et susante sur Aet Bpour que l’endomorphisme
ΦA,B soit orthogonal dans E, ((.|.)).
Partie III
Expression d’une matrice Mde rang r`a l’aide de matrices de rang 1
esignons par ml’endomorphisme de Rnassoci´e, dans la base canonique `a une matrice M
de rang r, et par ml’endomorphisme adjoint de m.
III.1. Valeurs propres de l’endomorphisme mm
emontrer que le rang de l’endomorphisme compos´e mmest ´egal `a r.´
Etablir l’existence
d’une base orthonorm´ee de Rnconstitu´ee de vecteurs propres (vi)1inde mmtelle
que les valeurs propres αiassoci´ees v´erifient les relations :
α1α2...αr>0 et, si r < n, αr+1 =αr+2 =...=αn=0.
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III.2. a. emontrer que les vecteurs m(vi) sont orthogonaux deux `a deux. Calculer leurs
normes.
b. En d´eduire qu’il existe deux bases orthonorm´ees de Rn,(Yi)1inet (Zi)1intelles
que :
M=
n
'
i=1
αiYi.ZT
i.
Partie IV
Approximation d’une matrice de rang rpar une matrice de rang sdans E, ((.|.))
La matrice Mde rang rest donn´ee ainsi qu’un entier serifiant s < r ; le but de cette partie
est de d´eterminer une matrice Pqui rende minimum la distance de M`a l’ensemble Rsdes
matrices de rang s. La distance de la matrice M`a Rsest d´efinie par la relation :
d(M, Rs) = inf{!MN!,NRs}.
Il sera admis, dans la suite, que, si Nest une matrice de rang qet Mune matrice de rang r,
la suite d´ecroissante (γi) des valeurs propres de la matrice (MN)T.(MN) v´erifie, pour
1inq, l’in´egalit´e:
γiαi+q
o`u(αi) est la suite d´ecroissante des valeurs propres de MT.M.
IV.1. Le rang rde la matrice Mest suppos´e >1. Soit sun entier tel que 0 < s < r.
a. Soit M=
n
(
i=1
αiYi.ZT
ila d´ecomposition de Mobtenue au III. Montrer que la matrice
N=
s
(
i=1
αiYi.ZT
iest de rang s.
En d´eduire l’in´egalit´e
d(M, Rs)αs+1 +···+αr.
b. Soit Nune matrice de Rs, comparer !MN!2et αs+1 +···+αr.
c. En d´eduire la valeur de d(M, Rs).
Existe-t-il une matrice Pde Rstelle que !MP!= d(M, Rs)?
d. Est-ce que Rsest un sous-ensemble ferm´e de E?
IV.2. Approximation par une matrice sym´etrique
Soit sun entier, 1 sn, soit Ssl’ensemble des matrices sym´etriques de rang s.
Soient Aet Bdeux matrices respectivement sym´etriques et antisym´etriques.
a. Que vaut ((A|B)) ?
b. En utilisant la forme obtenue au III.2.b., d´emontrer qu’il existe une matrice sym´etrique
Uappartenant `a Ssapprochant Aau plus pr`es.
´
Evaluer !AU!`a l’aide des valeurs propres λide A(on suppose que les valeurs
propres de Asont rang´ees de la mani`ere suivante : |λ1||λ2|... |λn|).
c. Soit Mune matrice de Etelle que M=A+B, o`u Asym´etrique, Bantisym´etrique.
emontrer qu’il existe une matrice sym´etrique Vappartenant `a Ssapprochant Mau
plus pr`es.
Donner la valeur de d(M, Ss).
Y-a-t-il unicit´e de la matrice V?
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