Corrigé Mines-Ponts 2001 Maths 1 - PSI

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1 Corrigé Mines-Ponts 2001 Maths 1 - PSI François Jaboeuf - Lycée JOFFRE - MONTPELLIER 12 juin 2001 PARTIE I Rearquons d abord que la définition de la sei-linéarité de u est équivalente aux propriétés : u est un orphise additif de E tel que : (a, x C E, u(ax = ax (dans la définition de l énoncé prendre a=1 pour le orphise additif ; prendre y=0 pour la deuxièe propriété - la réciproque est iédiate. 1 Question N o 1 : Preières propriétés : 1.a : C est iédiat puisque l égalité (µ λx = 0 entraine, sachant que x est non nul, (µ λ = 0. 1.b : Si x est un vecteur co-propre de u associé à µ et α un réel alors : u(e iα x = e iα u(x = e iα µx = (µe 2iα e iα x Il suffit donc de prendre α = θ 2 et y = e i θ 2 x qui est bien non nul et vérifie : u(y = µe iθ y ; y est donc un vecteur co-propre de u associé à la valeur co-propre µe iθ. Cette propiété prouve donc que dès qu une application sei-linéaire u adet une valeur co-propre non nulle, elle en adet une infinité (de êe odule dont une réelle positive (en prenant θ = arg(µ. De plus il suffit de connaitre les valeurs co-propres réelles positives pour les avoir toutes : le co-spectre de u sera la réunion dans le plan coplexe des cercles centrés en 0 et de rayon les valeurs co-propres réelles positives : La notion d éléents co-propres d une application seilinéaire seble donc sensibleent différente, algré la définition, de la notion d éléents propres d une application linéaire. 1.c : Puisque u est un orphise additif de E, l enseble E µ = (u I d 1 {0} est un sous-groupe additif de E. Etudions la stabilité pour la loi externe : Soit x un vecteur de E µ et a dans C. ax E µ u(ax = µax aµx = µax (x = 0 ou (a a = 0 ou (µ = 0 On en déduit iédiateent que E µ est toujours un espace vectoriel sur R, et qu il n est un espace vectoriel sur C que si µ = 0, puisqu il n est pas réduit au vecteur nul quand µ est une valeur co-propre. 1.d : u v est un orphise additif de E dans E puisque u et v le sont ; de plus par involution de la conjugaison : (a, x C E, (u v(ax = u(av(x = a(u v(x. L application u v est donc linéaire. 2 Question N o 2 : Matrice associée à une application sei-linéaire : Introduisons ici une deuxièe structure de C-espace vectoriel pour E : On définit une loi externe par : (a, x C E, a x = ax et il est aisé de vérifier, copte tenu des propriétés de la conjugaison (autoorphise du corps C stabilisant R, que (E; +, est encore un C-espace vectoriel que nous noterons Ẽ. Ainsi Ẽ est le êe enseble que E ais sa structure d espace vectoriel est différente. De plus pour toute faille (t 1,, t k de E et toute faille (λ 1,, λ k de C, k i=1 λ i t i = k i=1 λ it i ; on en déduit aussitôt que E et Ẽ ont les êes bases, la êe diension n et que tout vecteur x de coordonnées (x 1,, x n dans la base (e 1,, e n de E a pour coordonnées dans cette êe base, ais considérée coe base de Ẽ, (x 1,, x n. Enfin si u est une application sei-linéaire de E dans E, 1

2 le êe u devient une application linéaire de Ẽ dans E, ou de E dans Ẽ puisque u est un orphise additif et que pour tout x dans E : u(a x = u(ax = au(x ou u(ax = au(x = a u(x (la réciproque étant égaleent vraie. On retrouve ainsi aiséent le résultat du 1.d, puique v est linéaire de E dans Ẽ et u linéaire de Ẽ dans E : par coposition l application u v est bien linéaire de E dans E. 2.a : Notons A la atrice carrée coplexe d ordre n de u considéré coe application linéaire de Ẽ dans E : Les colonnes de A sont les coordonnées habituelles des vecteurs (u(e 1,, u(e n dans la base (e 1,, e n de E et la atrice colonne des coordonnées du vecteur x de Ẽ dans cette êe base est X. On sait qu alors la relation y = u(x est caractérisée atricielleent par Y = AX. 2.b : Si S est la atrice de passage de la base (e 1,, e n de E à la base (f 1,, f n de E, ses colonnes sont les coordonnées des vecteurs de la nouvelle base dans l ancienne ; Considérons aintenant ces bases coe des bases de l espace Ẽ, d après les rearques ci-dessus, les coordonnées de ces nouveaux vecteurs dans l ancienne base de Ẽ sont les conjuguées de leurs coordonnées dans cette êe ancienne base considérée dans E. Finaleent la atrice de passage de la base (e 1,, e n de Ẽ à la base (f 1,, f n de Ẽ est donc S. En appliquant la forule de changeents de base pour les applications linéaires de Ẽ dans E, on obtient : 3 Question N o 3 : Exeple : 3.a : Pour X = B = S 1 AS ( a 0, la relation AX = µx est équivalente à (b = µa, a = µb. b D où par conjugaison de la deuxièe relation et report dans la preière : b = µµb = µ 2 b. Coe 1 + µ 2 > 0 on obtient nécessaireent b = 0 puis a = 0 ce qui contredit la non nullité de X : A n a aucune valeur co-propre ni bien sur aucun vecteur co-propre. 3.b : Si A est réelle et adet une valeur propre réelle λ, alors λ est une racine réelle du polynôe caractéristique de cette atrice et donc une valeur propre de A considérée dans l espace M n (R : il existe donc un vecteur propre réel X associé à λ : AX = λx = AX. Ainsi A adet λ coe valeur co-propre. 4 Question N o 4 : Correspondance entre les valeurs co-propres de A et les valeurs propres de AA : 4.a : Soit X un vecteur co-propre de A associé à µ : AX = µx et puisque la conjugaison, autoorphise involutif du corps C, est copatible avec le produit atriciel : AAX = AAX = AµX = µax = µµx = µ 2 X. Puisque X est non nul c est bien un vecteur propre de AA associé à la valeur propre µ 2. 4.b : i 1er cas : AX et X sont liés. Coe X est non nul, il existe un nobre coplexe µ tel que : AX = µx et qui est donc une valeur co-propre de A. Les calculs du 4.a et l unicité d une valeur propre associée à un vecteur propre, ontrent que µ 2 = λ et donc µ = λ. Utilisons aintenant la rearque rédigée à la question 1.b, valable ici pour l application sei-linéaire u de C n caractérisée par sa atrice A dans la base canonique (copte tenu des définitions, les éléents co-propres de u et de A sont les êes : Tous les nobres coplexes de êe odule que µ sont des valeurs co-propres de A et en particulier pari eux µ = λ. ii 2èe cas : AX et X sont indépendants. Il est donc ipossible d obtenir X coe vecteur co-propre de A, ais cherchons une cobinaison linéaire non triviale, αax + βx qui soit vecteur co-propre de A associé à la valeur co-propre λ : A ( αax + βx = λ ( αax + βx αaax + βax = β λx + α ( λax β = α λ et αλ = β λ puisque par hypothèse AAX = λx et que la faille ( AX, X est libre. Les valeurs α = 1 et β = λ vérifient les conditions ci-dessus ; on obtient alors le vecteur non nul (car la faille ( AX, X est libre Y = AX + λx qui convient donc. Dans tous les cas la valeur λ est bien une valeur co-propre de A. 01s1ca.tex - page 2

3 4.c : La condition est nécessaire d après 4.a et suffisante d après 4.b (µ étant un réel positif, µ 2 = µ. 4.d : Il suffit, copte tenu du résultat précédent, d étudier les valeurs propres réelles et positives de la atrice ( A A = A 2 = 2 1 ( est réel. 1 Or le polynôe caractéristique χ A 2 (X = X 2 ( 2 2X+1 est un trinôe de discriinant = ( = 2 ( 2 4 ; les deux racines lorsqu elles existent dans R sont de produit 1 et donc de êe signe qui est aussi celui de leur soe S = 2 2. Ainsi il y a des racines réelles (qui sont aussi les valeurs propres si et seuleent si = 0 (-1 est alors valeur propre double ou 2 4 et dans ce dernier cas elles sont positives (S = copte tenu du 4.c, la condition 2 est donc nécessaire et suffisante pour que la atrice A adette des valeurs co-propres réelles positives qui sont µ = et 1 (dans le cas = ±2, il y a une valeur propre double 1 et donc une valeur co-propre réelle 2 µ de A égale à 1. Rearquons que le cas = 0 correspond à l exeple du 3.a pour lequel la atrice A n a pas de valeur co-propre conforéent à 4.a et à l étude ci-dessus. 5 Question N o 5 : Cas d une atrice triangulaire supérieure : Les résultats des questions 4.c et 1.b conduisent aux équivalences suivantes : µ C, (µ valeur co-propre de A ( µ valeur co-propre de A ( µ 2 valeur propre de AA Si aintenant A est une atrice triangulaire, d éléents diagonaux (λ 1,..., λ n qui en sont donc les valeurs propres, alors AA est encore triangulaire et d éléents diagonaux ( λ 1 2,..., λ n 2 qui en sont les valeurs propres. 5.a : D après la caractérisation des valeurs co-propres que l on vient de déontrer, les valeurs co-propres de A sont exacteent les coplexes µ tels que µ 2 soit valeur propre de la atrice AA et donc ici tels que : µ soit de êe odule qu une des valeurs propres de A ; c est bien le cas de la valeur λe iθ proposée. 5.b : De êe si µ est une valeur co-propre de A, µ a êe odule qu une valeur propre λ de A et donc sera de la fore : µ = λe iθ (avec θ réel. Finaleent pour une atrice A triangulaire, son co-spectre est la réunion dans le plan coplexe des cercles centrés en 0 et rencontrant son spectre. 5.c : A est ici triangulaire et d après 5. les valeurs co-propres de A sont exacteent les coplexes de odule 1, ce qui est le cas de 1. Cherchons un vecteur co-propre X associé à 1. ( (b + c + i(a d Si a + ib et c + id sont les écritures algébriques des coordonnées de X : AX =, d où d + ic ( b(1 + i + c AX = X ((b + c + i(a d = a + ib, d + ic = c + id (a = b + c, d = c X =. c(1 + i ( ( 1 + i 1 Conforéent à 1.c, l espace E 1 (A n est autre que le plan vectoriel sur R engendré par les deux vecteurs, i 6 Question N o 6 : Une caractérisation des valeurs co-propres B (respectiveent C est la atrice dont les coefficients sont les parties réelles (respectiveent les parties iaginaires des coefficients de A. Rearquons tout d abord, ce qui facilitera les calculs qui vont suivre, que d après l étude du 1.b, µ est valeur co-propre de A si et seuleent si µ l est. Soit X un vecteur non nul décoposé sous la fore X = Y + iz, où Y et Z sont respectiveent les parties réelles et iaginaires de X ; on a les équivalences suivantes : ( AX = µ X (BY + CZ + i(cy BZ = µ Y + i µ Z { BY + CZ = µ Y CY BZ = µ Z 01s1ca.tex - page 3

4 par unicité des parties réelles et iaginaires et sachant que µ est réelle. Le systèe obtenu est équivalent au systèe de taille 2n, défini par les blocs suivants : ( ( ( B C Y Y = µ C B Z Z ( ( Y Y où est non nul. Ce systèe n est autre que celui qui caractérise les vecteurs propres dans R Z Z 2n associé à la valeur propre µ pour la atrice blocs D. On a bien la caractérisation deandée. PARTIE II copte tenu de l interprétation de la sei-linéarité étudiée au I2., des résultats du I2.b et des définitions de l énoncé, sachant de plus que pour S dans GL n (C, S 1 = S 1 puisque SS 1 = S 1 S = SS 1 = I n, les deux atrices A et B sont co-seblables (dans cet ordre si et seuleent si elle sont associées à une êe application sei-linéaire u dans deux bases B et B de E ; S 1 étant la atrice de passage de la base B (dans laquelle A est la atrice de u à l autre base B. 1 Question N o 1 : Une relation d équivalence : La relation de co-siilitude entre deux atrices carrées coplexes d ordre n est la êe que la relation binaire représenter une êe application sei-linéaire de l espace E dans deux bases qui est claireent Reflexive, Syétrique et Transitive donc d équivalence. 2 Question N o 2 : Indépendance des vecteurs co-propres : Déontrons la propriété deandée par récurrence sur l entier k : i Pour k=1 c est iédiat puisque, X 1 étant non nul, la faille (X 1 est libre. ii Pour k 2, supposons la propriété vraie au rang (k-1 : la faille (X 1,..., X est libre et ce sera donc le cas de la faille (X 1,..., X k si et seuleent si X k n est pas cobinaison linéaire de (X 1,..., X. Supposons par l absurde qu il existe (k 1 coplexes (α 1,..., α tels que X k = α px p alors AX k = α p AX p = α p µ p X p = µ k X k = α p µ k X p et puisque la faille (X 1,..., X est libre : p {1,..., k 1}, µ k α p = µ p α p d où µ k α p = µ p α p et puisque p k µ k µ p, on en déduit que tous les α p sont nuls ce qui contredit la non nullité du vecteur co-propre X k = α px p. Rearquons que ce résultat devient faux avec des valeurs propres différentes et de êe odule coe on l a vu au I1.b. Dans l hypothèse où la atrice AA a n valeurs propres positives et distinctes, d après I4.c la atrice A adet les n co-valeurs propres réelles positives distinctes (donc de odules distincts ( λ 1,..., λ n auxquelles on peut associer une faille de n vecteurs co-propres (X 1,..., X n. L étude précédente ontre que cette faille est libre dans C n et en estdonc une base B. Soit u l application sei-linéaire de C n de atrice A dans la base canonique de C n ; dans cette nouvelle base de vecteurs co-propres de u, la atrice B de u a pour colonnes les coordonnées des vecteurs (u(x k 1 k n = ( λ k X k 1 k n expriés dans la base B = (X 1,..., X n. (cf. I2. On a ainsi B = Diag ( λ 1,..., λ n diagonale : D après II1., A et B sont co-seblables : A est bien co-diagonalisable. 3 Question N o 3 : Quelques propriétés : 3.a : copte tenu des propriétés déja rappelées de la conjugaison dans C, et du fait que (cf. II1. S GL n (C, S 1 = S 1, on obtient : AA = SS 1 SS 1 = I n Ainsi une atrice A co-seblable à I n est inversible et d inverse A. 01s1ca.tex - page 4

5 3.b : S(θ = e iθ ( A + e 2iθ I n est donc inversible si et seuleent si ( e 2iθ n est pas valeur propre de A, ce qui est toujours réalisable (pour une infinité de valeurs réelles de θ puisque le spectre de A est fini et l enseble des coplexes unitaires est infini. Pour un tel θ on peut écrire puisque AA = I n : AS(θ = e iθ AA + e iθ A = S(θ et finaleent puisque S(θ inversible entraine S(θ inversible : A = S(θS(θ 1. 3.a et 3.b prouvent qu une atrice A carrée coplexe d ordre n est co-seblable à I n si et seuleent si elle est inversible et A 1 = A. 4 Question N o 4 : Une condition nécessaire : Si D = S 1 AS = Diag(λ 1,..., λ n, alors A = SDS 1 d où : A = SDS 1 et AA = S(DDS 1 ce qui prouve la diagonalisabilité de la atrice AA (seblable à la atrice diagonale DD = Diag( λ 1 2,..., λ n 2 ainsi que Spectre(AA= Spectre(DD = { λ 1 2,..., λ n 2 } R +. Ce résultat est copatible ais plus précis que celui du I4. De plus rang(aa=rang(dd est le nobre d éléents diagonaux non nuls de DD qui est le êe que celui de D, c est-à-dire rang(d. Or A et D ont le êe rang car elles sont équivalentes (la ultiplication par les atrices inversibles S et S 1 conserve le rang. Finaleent rang(aa = rang(a. 5 Question N o 5 : Exeples : 5.a : A est donc diagonalisable et seblable dans M n (R à une atrice diagonale D : il existe une atrice P dans GL n (R (et êe dans O n (R telle que A = P 1 DP = P 1 DP : donc, dans M n (C, A est co-seblable à une atrice diagonalisable : A est co-diagonalisable. 5.b : A et C sont des atrices non scalaires n ayant qu une seule valeur propre : A et C ne sont pas diagonalisables. AA = I 2 prouve que A est co-seblable à I 2 d après 3.b : A est codiagonalisable; Par contre CC = C 2 = 0, donc rang(c = 1 rang(cc = 0 prouve d après 4. que C n est pas co-diagonalisable. B et D ont le êe polynôe caractéristique x 2 2x + 2 et les êes deux valeurs propres distinctes : 1 ± i donc B et D sont diagonalisables. ( 0 2 Or BB = B 2 = a pour valeurs propres (1 + i = 2i et (1 i 2 = 2i qui ne sont pas réelles : la condition nécessaire du 4. n est pas vérifiée par B : B n est donc pas co-diagonalisable. Enfin DD = 2I 2 prouve, en appliquant la caractérisation du 3. (atrices co-seblables à I 2 à la atrice 1 2 D, que D est co-seblable à 2I 2 : D est co-diagonalisable. ********************************* 01s1ca.tex - page 5