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Exercices et résultats préliminaires

Résolution de systèmes linéaires

3.1 Méthodes directes

3.1.2 Exercices et résultats préliminaires

1

Exercice 3.1.2: correction page 200

SoitAPMn,npCqune matrice etpλ, uuuqun élément propre deAavec}uuu}2“1.

Q. 1 En s'aidant de la base canonique teee1, . . . , eeenu, construire une base orthonormée txxx1, . . . , xxxnu telle quexxx1“uuu.

Notons Pla matrice de changement de base canoniqueteee1, . . . , eeenudans la basetxxx1, . . . , xxxnu:

P

¨

˝ xxx1 . . . xxxn

˛

SoitBla matrice dénie parBP˚AP.

Q. 2 1. Exprimer les coecients de la matriceBen fonction de la matriceAet des vecteursxxxi, iP v1, nw.

BP˚AP.

2. En déduire que la première colonne de Bestpλ,0, . . . ,0qt.

Q. 3 Montrer par récurrence sur l'ordre de la matrice que la matrice As'écrit AUTU˚

U est une matrice unitaire etTune matrice triangulaire supérieure.

Q. 4 En supposant Ainversible et la décompositionAUTU˚ connue, expliquer comment résoudre

"simplement" le système linéaireAxxx“bbb.

Correction Exercice 3.1.2

2

Q. 1 La première chose à faire est de construire une base contenant uuu à partir de la base

canon-3

ique teee1, . . . , eeenu. Comme le vecteur propre uuu est non nul, il existe j P v1, nw tel que xuuu, eeejy ‰ 0. La

4

familletuuu, eee1, . . . , eeej´1, eeej`1, . . . , eeenuforme alors une base deCn caruuun'est pas combinaison linéaire des

5

teee1, . . . , eeej´1, eeej`1, . . . , eeenu.

6

On notetzzz1, . . . , zzznula base dont le premier élément estzzz1“uuu:

7

tzzz1, . . . , zzznu “ tuuu, eee1, . . . , eeej´1, eeej`1, . . . , eeenu.

Méthodes directes

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On peut ensuite utiliser le procédé de Gram-Schmidt, rappelé en Proposition B.19, pour construire une base orthonormée à partir de cette base.

On calcule successivement les vecteursxxxi à partir de la base tzzz1, . . . , zzznuen construisant un vecteurwwwi

puis on obtient le vecteurxxxi en normalisant x x xi“ wwwi

}wwwi}

Q. 2 1. En conservant l'écriture colonne de la matricePon obtient

B

Q. 3 On veut démontrer, par récurrence faible, la proposition suivante pourně2 3

pPnq @APMnpCq, DUPMnpCqunitaire, DTPMnpCqtriangulaire supérieure, telles queAUTU˚.

Initialisation : Montrons quepP2qest vérié. 4

Soit A2 P M2pCq. Elle admet au moins un élément propre pλ, uuuq(voir Proposition B.36 par ex.) 5 avec }uuu} “1. On peut donc appliquer le résultat de la question précédente : il existe une matrice 6 unitaireP2PM2pCqtelle que la matrice B2P2A2P˚2 ait comme premier vecteur colonnepλ,0qt. 7

La matriceB2est donc triangulaire supérieure et commeP2est unitaire on en déduit 8 A2P˚2B2P2.

On poseU2P˚2 matrice unitaire etT2B2 matrice triangulaire supérieure pour conclure que la 9

propostion pP2qest vraie. 10

Hérédité : Supposons quepPn´1qsoit vériée. Montrons quepPnqest vraie. 11

Soit An PMnpCq. Elle admet au moins un élément propre pλ, uuuq (voir Proposition B.36 par ex.) 12

avec }uuu} “1. On peut donc appliquer le résultat de la question précédente : il existe une matrice 13 unitairePnPMnpCqtelle que la matriceBnPnAnP˚n s'écrivent 14

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.1.Méthodesdirectes3.1.2Exercicesetrésultatspréliminaires

oùcccn´1PMn´1pCqetAn´1PMn´1pCq.Par hypothèse de récurrence,DUn´1PMn´1pCqunitaire

1

etTn´1PMn´1pCqtriangulaire supérieure telles que

2

La matriceQn est unitaire. En eet on a

5

La matriceTn est donc triangulaire supérieure et on a par dénition deBn

6

Méthodes directes

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.1.Méthodesdirectes3.1.2Exercicesetrésultatspréliminaires 63

1. on chercheyyysolution deTyyy“U˚bbb.CommeUest unitaire on adetpUqdetpU˚q “detpIq “1et donc detpAq “detpUTU˚q “detpUqdetpTqdetpU˚q

“detpTq

Or A inversible équivalent à detpAq ‰ 0 et donc la matrice T est inversible. La matrice T étant 1 triangulaire supérieure on peut résoudre facilement le système par la méthode de remontée. 2 2. une foisyyy déterminé, on résoudU˚xxx“yyy.CommeUest unitaire, on obtient directementxxx“Uyyy. 3

˛ 4

On tire de cet exercice le théorème suivant 5

Théorème 3.1: Décomposition de Schur

SoitAPMnpCq.Il existe une matrice unitaireUet une matrice triangulaire supérieureTtelles que

AUTU˚ (3.5)

Proof. voir Exercice 3.1.2 6

Théorème 3.2: Réduction de matrices

1. SoitAPMnpCq.Il existe une matrice unitaireUtelle queU-1AUsoit triangulaire.

2. SoitAPMnpCqune matrice normale. Il existe une matrice unitaireUtelle queU-1AUsoit diagonale.

3. Soit A P MnpRq une matrice symétrique. Il existe une matrice orthogonale Ptelle que P-1APsoit diagonale.

Proof. voir [1] Théorème 1.2-1 page 9 7

Exercice 3.1.3: Matrice d'élimination

8

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.1.Méthodesdirectes3.1.2Exercicesetrésultatspréliminaires oùeee1 est le premier vecteur de la base canonique deCn.

SoitmPN˚.On noteErm,vvvsPMm`npCqla matrice triangulaire inférieure à diagonale unité dénie

2. Déterminer l'inverse deErm,vvvs en fonction de l'inverse deErvvvs. SoitCla matrice bloc dénie par

C

Q. 1 1. La matrice Ervvvs est triangulaire : son déterminant est donc le produit de ses éléments

diago-3

naux (voir Proposition B.51, page 191). On a alorsdetpErvvvsq “1.

4

La matrice X est donc solution de ErvvvsXI. Grace à l'écriture bloc des matrices on en déduit

Méthodes directes

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.1.Méthodesdirectes3.1.2Exercicesetrésultatspréliminaires 65

rapidement la matriceX. En eet, en utilisant les produits blocs des matrices, on obtient

ErvvvsX

Ceci revient à résoudre les4 équations 2

a“1, bbb˚“000tn´1, aeee`ccc“000n´1 et eeebbb˚`DIn´1

Il aurait été plus rapide d'utiliser la Proposition B.52, page 191.

Q. 2 1. Pour simplier les notations, on noteEErAAA1s.Par dénition du produit de deux matrices 4

En conclusion, la matriceA˜ s'écrit 9

A˜“

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.1.Méthodesdirectes3.1.2Exercicesetrésultatspréliminaires

Q. 3 1. La matrice Erm,vvvs est triangulaire inférieure. Son déterminant est donc le produit de ses

4

éléments diagonaux. Comme cette matrice est à diagonale unité (i.e. tous ses éléments diagonaux

5

valent1), on obtientdetErm,vvvs“1.

6

Une autre manière de le démontrer. On peut voir que la matriceErm,vvvsest bloc-diagonale. D'après

7

la Proposition B.52, page 191, son déterminant est le produit des déterminant des blocs diagonaux

8

: detErm,vvvs“detImˆdetErvvvs“1.

9

2. On noteXl'inverse de la matriceErm,vvvs.Cette matrice s'écrit avec la même structure bloc

10 On doit donc résoudre les4équations suivantes :

12

X1,1ImIm, X1,2InO, X2,1ImO et X2,2ErvvvsIn. Comme la matriceErvvvs est inversible, on obtient

13

Plus rapidement, comme la matriceErm,vvvsest bloc-diagonale, on en déduit (voir Proposition B.52, page 191) directement le résultat.

Q. 4 Le produitErm,vvvsCpeut s'eectuer par bloc car les blocs sont de dimensions compatibles et on a Erm,vvvsC

On tire de cet exercice le lemme suivant

17

Lemme 3.3

SoitAPMnpCqavecA1,1‰0.Il existe une matriceEPMnpCqtriangulaire inférieure à diagonale unité telle que

EAeee1“A1,1eee1 (3.11) oùeee1 est le premier vecteur de la base canonique deCn.

Exercice 3.1.4: Matrice de permutation

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Méthodes directes

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.1.Méthodesdirectes3.1.2Exercicesetrésultatspréliminaires 67

Soitpi, jq P v1, nw2,on notePri,jsn PMnpRqla matrice identitée dont on a permuté les lignes ietj.

Q. 1 Représenter cette matrice et la dénir proprement.

SoitAPMnpCq.On noteAAAr,: ler-ème vecteur ligne deAetAAA:,s les-ème vecteur colonne deA.

Q. 2 1. Déterminer Pri,jsn Aen fonction des vecteurs lignes de A.

2. DéterminerAPri,jsn en fonction des vecteurs colonnes deA.

Q. 3 1. Calculer le déterminant dePri,jsn . 2. Déterminer l'inverse dePri,jsn .

1

Correction Exercice 3.1.4 On notePPri,jsn . 2

Q. 1 On peut dénir cette matrice par ligne, 3

$

ou par colonne 4

$

On peut noter que la matricePest symétrique. 6

Q. 2 1. On noteDPA.Par dénition du produit matriciel on a 7

3.Résolutiondesystèmeslinéaires 3.1.Méthodesdirectes3.1.3MéthodedeGauss-Jordan,écriturematricielle

2. On noteEAP.Par dénition du produit matriciel et par symétrie dePon a

1 On obtient en raisonnant par colonne,@rP v1, nw,