Juin 2007 (2 heures et 30 minutes)

Transcription

1 Juin 7 ( heures e minues) 1. a) Définir : marice inversible. (.5 p.) b) Démonrer que la ransposée de l inverse d une marice inversible A es égale à l inverse de la ransposée de cee marice. (1.5 ps.) c) La marice obenue à parir du produi de deux marices inversibles es-elle oujours inversible? Jusifier vore réponse. (Aide: uiliser les propriéés des déerminans) (1 p.). a) Enoncer la propriéé lian les soluions d un sysème linéaire aux soluions du sysème homogène associé. (ne pas démonrer) (.5 p.) b) Résoudre e discuer en foncion du paramère réel α le sysème suivan α.x +.y = 5 x y α.z = (.5 ps.). a) Définir : disance sur un ensemble E. (.5 p.) b) Définir la noion d espace vecoriel. (1 p.) c) Soien les quare veceurs de IR suivans 1-1,, e Formen-ils une base de IR? Si non, peu-on en exraire une base de IR? Jusifier soigneusemen vore réponse. ( p.) d) Soi V un vecoriel réel à produi à produi scalaire <,>. Enoncer e démonrer l inégalié de Cauchy-Schwarz. ( p.) nxn 4. a) Définir : veceur propre d une marice M de IR. (1 p.) b) Déerminer oues les valeurs propres e les veceurs propres associés de la marice suivane Cee marice es-elle diagonalisable dans IR? ( ps.)

2 5. a) Définir module e argumen d un nombre complexe. (1 p.) b) Déerminer oues les soluions dans C de l équaion Z 6.Z + 1 =. ( ps.) 6. Déerminer la soluion générale de la récurrence linéaire à coefficiens consans suivane Y +1 =.Y +5 (1.5 p.)

3 Réponse quesion 1 a) nxn nxn Soi A IR. A es inversible s il exise B,C IR elles que : A.B = C.A = I n B es alors inverse à droie e C, inverse à gauche de A. Réponse quesion 1 b) mxn nxp On sai que, si A IR e B IR : (1) (A.B) = B.A. () L inverse de la marice A es une marice noée (A ) -1 elle que (A ) -1. A = I. Par définiion de l inverse d une marice inversible A, on sai que I = A.A -1. En ransposan la relaion précédene, on obien I = (A.A -1 ) = (A -1 ).A. Comme I = I on obien la relaion : (A -1 ).A = I e donc (A -1 ) es l inverse de la marice A (voir idenificaion avec le poin ()). Réponse quesion 1 c) On sai : (1) qu une marice A es inversible de(a). () que de(a.b) = de(a).de(b). On considère deux marices inversibles noées A e B. On considère une marice C = A.B. Par () on a de(c) = de(a.b) = de(a).de(b) car, par hypohèse, A e B son inversibles (donc de(a) e de(b) ). Auremen di C es une marice inversible. Réponse quesion a) Soi AX = Bun sysème linéaire. Le sysème linéaire homogène associé au sysème linéaire AX = Bes le sysème AX =. Soi X1 soluion du sysème linéaire AX = B, alors X en es soluion ssi X1 Xes soluion du sysème linéaire homogène associé. La soluion générale du sysème linéaire non homogène es égale à la soluion générale du sysème linéaire homogène associé plus une soluion pariculière du sysème linéaire non homogène. Réponse quesion b) On a le sysème suivan : α.x +.y = 5. x y α.z = Sa marice augmenée es α α. En réduisan, on a

4 L1 L 1 1 α 1 1 α α 5 L L αl1 +α α 5 1) Si α= La marice augmenée du sysème devien On coninue la réducion 1 L L L L L La marice augmenée du sysème es sous forme échelonnée ligne réduie. Le sysème es compaible, il y a deux inconnues principales (x e z) e une inconnue secondaire (y). Le sysème possède, dans ce cas, une infinié simple de soluions (il es indéerminé) données par 5 x = + y = 5 z = 9 S (x,y,z) IR ; y IR ) Si α, on reprend la réducion de la marice augmenée du sysème 1 1 α 1 +α α 5 L L +α 1 1 α 1 α ( +α ) 5 ( +α) L1 L1 + L 1 α ( +α ) 5 ( +α) 1 α ( +α ) 5 ( +α) Cee marice es sous forme échelonnée ligne réduie. Dans ce cas, le sysème es compaible, possède deux inconnues principales (x e y) e une inconnue secondaire (z). Le sysème possède, dans ce cas, une infinié simple de soluions (il es indéerminé) données par : 5 α x = + z +α +α =. 5 α y = z +α +α S (x,y,z) IR ; z IR Réponse quesion a) La foncion d : ExE IR : (x,y) d(x,y) es une disance sur E ssi 1. d(x,y) x,y E. d(x,y) = d(y,x) x, y E. d(x,y) = x = y x,y E 4. d(x,y) d(x,z) + d(z,y) x,y,z E

5 Réponse quesion b) L ensemble V es un espace vecoriel sur K ssi : i) V (l ensemble des veceurs) es un groupe addiif commuaif. ii) K (l ensemble des scalaires) es un corps commuaif. iii) Il es en oure défini une muliplicaion scalaire qui, à ou k K e à ou v V fai correspondre un veceur k.v V, jouissan des propriéés suivanes a) 1.v = v v V b) k(k.v) 1 = (kk 1 ).v 1 k,k K, v V c) k(v1 + v ) = k.v1 + k.v k K, v 1,v V d) (k1 + k ).v = k 1.v + k.v k,k 1 K, v V Réponse quesion c) Ces 4 veceurs ne formen pas une base de Plaçons les veceurs en ligne dans une marice e réduisons-là. IR car une elle base es oujours formée de veceurs L L L1 L L+ L 1 L1 L 5 L L+ L L4 L4+ L On consae que la réduie de cee marice es de rang. Le sous-vecoriel engendré par ces veceurs es donc de dimension. Par conséquen, il n es possible d exraire plus de deux veceurs linéairemen indépendans de ces veceurs e il n es donc pas possible d exraire une base de IR à parir de ces veceurs puisqu une elle base es consiuée de veceurs. Réponse quesion d) Soi V un vecoriel réel à produi scalaire <,>. Alors < x,y > < x,x >. < y,y > Démonsraion On considère <x+ λ y, x+ λ y > : cee quanié es. Donc <x+ λ y, x+ λ y > = <x,x> + λ <x,y> + λ <y,y> x, y V, λ IR. Cee expression a la forme a λ + b λ + c e elle es oujours posiive ou nulle : le polynôme a λ + b λ + c ne peu avoir deux racines disinces (il serai parfois > e parfois < selon la posiion de λ par rappor aux racines) donc La propriéé en résule. b ac, c es-à-dire <x,y> <x,x>.<y,y>.

6 Réponse quesion 4 a) nx1 Le réel λ es une valeur propre de M ssi v IR,v el que M.v = λ.v. v es alors un veceur propre de M associé à la valeur propre λ Réponse quesion 4 b) On a M = Recherche des valeurs propres de M Les valeurs propres d une marice son les racines de son polynôme caracérisique de(m λ I). λ λ λ = λ = λ λ 1 λ 1 1 λ de 7 ( ).de ( ) ( ) M possède donc deux valeurs propres : e. Recherche des veceurs propres de M 1) veceurs propres associés à la valeur propre λ = v = x y z es un veceur propre de M associé à la valeur propre λ = ssi : x x x M. y =. y 7 1. y = z z 1 1 z Le sysème devien : 7x y = x =,z IR x y = y = L ensemble des veceurs propres associés à la valeur propre λ = es donné par l ensemble S des soluions de ce sysème. x = = = = z 1 S y IR : x y.z,z IR es une base de vecoriel des veceurs propres associés à la valeur propre λ =. 1

7 ) veceurs propres associés à la valeur propre λ = v = x y z es un veceur propre de M associé à la valeur propre λ = ssi : x x 1 x M. y =. y 7. y = z z z Le sysème devien : x = x = x y+ z = y = z L ensemble des veceurs propres associés à la valeur propre λ = es donné par l ensemble S des soluions de ce sysème. x = = = = z 1 S y IR : x,y z 1.z,z IR 1 1 es une base de vecoriel des veceurs propres associés à la valeur propre λ =. Diagonalisaion Il n es pas possible de former une base de IR à parir de veceurs propres de M (on ne peu rouver au maximum que deux veceurs propres de M qui soien linéairemen indépendans) donc M n es pas diagonalisable. Réponse quesion 5 a) Soi z = a + bi un nombre complexe non nul sous forme algébrique. La forme rigonomérique de ce nombre complexe es z = ρ.(cos θ+ isin θ ) où : - ρ es le module de z e es la disance du poin (a + ib) à l origine, - θ es l argumen de z e es l angle que fai la demi-droie d origine ( + i) e passan par (a + ib) avec la demi-droie posiive de l axe des x Réponse quesion 5 b) Posons = z. L équaion Z 6.Z + 1 = devien + 1= Donc, on doi résoudre dans C, z = 1 z = 1 +i Le module de (1+i) vau 1 e son argumen θ es défini par cosθ= 1 d'où θ= ( + k π)(k Z) sinθ= ( 1) = =1

8 Sous forme rigonomérique, z = 1.(cos() + isin()). De là, les racines cubiques de 1 dans C son données par : z = 1.(cos() + isin()) = 1 π π 1 z1 = 1.(cos( ) + isin( )) = + i 4π 4π 1 z = 1.(cos( ) + isin( )) = i Réponse quesion 6 La RLACC à résoudre es Y+ 1=.Y+ 5 On sai que SGENH = SGEH + SPENH (la soluion générale de l équaion non homogène = la soluion générale de l équaion homogène associée + une soluion pariculière de l équaion non homogène). 1) Equaion homogène associée : Y+ 1=.Y La soluion générale de l équaion homogène (SGEH) associée es Y =.C C IR ) b = 5 es de la forme P n().c avec n P(). = 5 e c = 1 a = On essaye une soluion pariculière de l équaion non homogène (SPENH) de la forme Y = Q ().c = α+β car n = 1 e c = 1. n ( ) Y =α+β Y + 1 =α+β (+ 1) On remplace la soluion pariculière dans l équaion non homogène Y+ 1=.Y+ 5 α+β ( + 1) =.( α+β ) + 5 β + ( α+β ) = (β+ 5) + (. α ) Par idenificaion des ermes de même degré : β= β+ 5 β = 5 β= 5 : α+β= α α 5 = α α = α = La soluion pariculière de l équaion non homogène (SPENH) es Y = 5 ) La soluion générale de l équaion non homogène (SGENH) es Y =.C 5 C IR