Problème 1 : puissances de matrices

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1 Rappels et notations Problème 1 : puissances de matrices Étant donnés deux entiers naturels non nuls p et q, M p,q (C) désigne l ensemble des matrices à p lignes et q colonnes, à coefficients complexes L ensemble M p,p (C) est noté M p (C) et I p désigne la matrice identité de M p (C) On identifiera par la suite M p,1 (C) et C p Soit (A n ) n N une suite de matrices de M p,q (C) Pour tout entier n, on note A n = (a ij (n)) 1 i p 1 j q On dit que la suite (A n ) n N est convergente, si pour tout couple (i,j) tel que i 1,p et j 1,q, la suite (a i,j (n)) n N converge dans C En posant lim n + (a i,j(n)) = l i,j et L = (l ij ) 1 i p 1 j q suite (A n ) n N et on note : lim n + A n = L, on dit alors que la matrice L est la limite de la Soit A une matrice de M p (C) Pour tout entier naturel n, on note A n la puissance n-ième de la matrice A Ce problème a pour but de déterminer une condition nécessaire et suffisante pour que la suite (A n ) n N converge dans M p (C) Partie A : étude d un exemple On considère les suites (x n ) n N et (y n ) n N définies par : x n+1 = 4 5 x n + 5 y n x 0 R, y 0 R et n N, y n+1 = 1 5 x n y n Dans cette partie, on pose A = 1 ( ) ( ) ( ) xn 1 Pour n N, exprimer en fonction de A n x0 et de y n Montrer qu il existe une matrice diagonale D de M (C) telle que A puisse s écrire : où P désigne la matrice ( A = PDP 1 3 Pour tout n N, déterminer une expression de A n en fonction de n 4 Etablir que la suite (A n ) n N est convergente et préciser sa limite ) 5 Démontrer que les suites (x n ) n N et (y n ) n N convergent et déterminer les limites de ces suites en fonction de x 0 et y 0 Soient p et q deux entiers naturels non nuls y 0 Partie B : résultats préliminaires 1 Soient (A n ) n N et (B n ) n N deux suites de matrices de M p,q (C) qui convergent respectivement vers L et M 11 Montrer que lim n + (A n +B n ) = L+M 1 Soit α C Montrer que lim n + (αa n) = αl /6

2 13 Soient B M p,q (C) et (α n ) n N une suite de nombres complexes qui converge vers α C Montrer que lim n + α nb = αb Soit (A n ) n N une suite de matrices de M p (C) qui converge vers L 1 Soit X M p,q (C) Démontrer que lim n + A nx = LX Énoncer sans démonstration un résultat analogue pour la multiplication à droite 3 Soit (A n ) n N une suite de matrices de M p (C) telle que : Montrer que lim n + A n = 0 X C p, lim n + A nx = 0 Partie C : condition nécessaire Dans la suite du problème, on note u l endomorphisme de C p représenté par la matrice A dans la base canonique On définit, pour tout entier naturel n, u n par : u 0 = Id C p et u n+1 = u u n On suppose dans cette partie que la suite (A n ) n N converge 1 Soit λ une valeur propre de u (λ C) 11 Montrer que λ 1 1 On suppose que λ = 1 Montrer qu alors λ = 1 On pourra considérer λ n+1 λ n Montrer que Ker(u Id) Im(u Id) = {0} Partie D : condition suffisante On note χ u (X) = det(a XI p ) le polynôme caractéristique de u, où det désigne le déterminant de la matrice considérée 1 Énoncer le théorème de d Alembert-Gauss En déduire que l on peut écrire χ u (X) = det(a XI p ) = entier i 1,p p (α i X), avec α i C pour tout 3 Justifier le fait que u admet dans une certaine base (e 1,,e p ) une matrice T de la forme : α 1 α T = 0 α p 4 On suppose dans cette question que α i < 1 pour tout entier i 1,p 41 Montrer que lim n + un (e 1 ) = 0 4 Montrer par récurrence que pour tout entier i 1,p, lim n + un (e i ) = 0 43 En déduire la limite de T n, puis celle de A n 5 On note λ 1,,λ m les valeurs propres de u, deux à deux distinctes, avec m N On suppose dans cette question que λ 1 = 1 et λ i < 1 pour tout entier i tel que i m On suppose également que Ker(u Id) Im(u Id) = {0} 51 Montrer que Ker(u Id) et Im(u Id) sont deux sous-espaces supplémentaires dans C p stables par u 5 On note u 1 l endomorphisme de Im(u Id) induit par u Montrer que toute valeur propre de u 1 est une valeur propre de u, distincte de λ 1 53 En remarquant que u 1 vérifie les hypothèses de la question 4, en déduire que A n converge et déterminer une matrice semblable à sa limite i=1 3/6

3 Partie E : conclusion et application 1 On note λ 1,,λ m les valeurs propres de A, deux à deux distinctes, avec m N Déduire des questions précédentes que la suite (A n ) n N converge si et seulement si : i 1,m, λ i < 1 ou λ 1 = 1,Ker(u Id) Im(u Id) = {0} et i,m, λ i < 1 Déterminer si la suite (A n ) n N est convergente, dans chacun des cas suivants : ( ) 0, 0,1 1 A = 0, 0,3 1 1 i i A = A = 0 6+ i i 4/6

4 Problème : quelques théorèmes d arithmétique On démontre dans la partie A un théorème de Lagrange dont on utilise le résultat pour démontrer le théorème de Wilson (partie B) et le théorème de Wolstenholme (partie C) Partie A : théorème de Lagrange 1 Montrer que pour tout entier n 1 et tout entier k 1,n on a : ( ) ( ) n n 1 k = n k k 1 Montrer que pour tout entier premier p et tout entier k 1,, p divise k 3 Soit p un entier premier impair On considère la fonction f définie sur R par : 31 Montrer que pour tout réel x on a : f(x) = (x+k) pf(x) = (x+1)f(x+1) xf(x) 3 Justifier l existence d un p-uplet d entiers (a 0,a 1,,a ) tel que pour tout réel x on a : 33 Montrer que a 0 = 1 et a = ()! f(x) = a k x k k=0 34 À l aide de la question 31 et en faisant intervenir le binôme de Newton, montrer que pour tout entier k 0, on a : 35 En déduire que a 1 = pa k = k i=0 i a i k +1 i et que pour tout entier k, on a : ka k = 36 En déduire le théorème de Lagrange : k+1 k 1 + i=1 i a i k +1 i «Si p est un entier premier impair et si f(x) = (x + k) = a k x k alors les coefficients a 1,a,,a p sont divisibles par p» On pourra raisonner par récurrence k=0 Partie B : théorème de Wilson On se propose de démontrer la propriété suivante, connue sous le nom de «théorème de Wilson» : si p est un entier premier alors ()! 1 (mod p) 5/6

5 1 Vérifier que la propriété est vraie pour p = p est maintenant un entier premier impair 1 Montrer que : p p! = 1+ a k +()! (les entiers a i,i 1,p, sont ceux définis à la question A3) En déduire que ()! 1 (mod p) 3 Montrer que la réciproque du théorème de Wilson est vraie 4 On se propose d étudier ce que devient le théorème de Wilson pour les entiers non premiers strictement supérieurs à 4 41 On suppose que n > 4 et que la décomposition en produit de facteurs premiers de n comprend au moins deux facteurs premiers distincts Montrer que (n 1)! 0 (mod n) 4 On suppose que n > 4 et que n = p α où p est un entier premier et α est un entier strictement supérieur à Montrer que (n 1)! 0 (mod n) 43 On suppose que n > 4 et que n = p où p est un entier premier Montrer que 1 < p < n et en déduire que (n 1)! 0 (mod n) Partie C : théorème de Wolstenholme Pour tout entier n 1, on considère le rationnel : H n = n On désigne par s n et t n les deux entiers naturels tels que : 1 k H n = s n t n et pgcd(s n,t n ) = 1 1 Écrire un algorithme permettant d obtenir pour n allant de à 10 les entiers s n et t n (on supposera qu on dispose d une instruction pgcd(a,b) qui renvoie le plus grand commun diviseur de deux entiers a et b) Calculer s 4, s 6 et s 10 et vérifier que ces entiers sont divisibles respectivement par 5, 7 et 11 Dans la suite, p désigne un nombre premier strictement supérieur à 3 On se propose de démontrer que l entier s est divisible par p (théorème de Wolstenholme) 3 Montrer que H = a p ()! où a p est défini comme à la partie AOn pourra utiliser une relation liant les racines d un polynôme et l un de ses coefficients 4 Déduire de l écriture de f( p) que : 5 Conclure a p = p p a 1 p p 3 + +a p 3 p 6/6