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40 108.01 Propriétés élémentaires, généralités

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Exercice 1176

Effectuer le produit des matrices : 2 1

On considère la matrice suivante :

M=

On considère les trois matrices suivantes :

A=

On considère les deux matrices suivantes : A=

1. CalculerAB.

2. CalculerBA.

3. Que remarque-t-on ?

[001043]

Exercice 1180

Trouver les matrices qui commutent avecA=

(a) CalculerB2,B3en déduire une formule de récurrence que l’on démontrera pourBn, pour tout entiern.

(b) Développer(B+I3)npar la formule du binome et simplifier.

(c) En déduireAnPour tout entiern.

1. On considère la matriceA=

(b) Déterminer toutes les matricesFtelles queA×F=O(Oétant la matrice dont tous les coefficients sont nuls).

2. SoitA=

. Déterminer toutes les matricesBtelles queBA=I2. 3. SoientAetBdeux matrices carréesn×ntelles queAB=A+In.

Montrer queAest inversible et déterminer son inverse (en fonction deB).

[001047]

Exercice 1185

SoitAune matrice carrée d’ordren; on suppose queA2est une combinaison linéaire deAetIn:A2=αA+βIn. 1. Montrer queAnest également une combinaison linéaire deAetInpour toutn∈N.

2. Montrer que siβest non nul, alorsAest inversible et queA1est encore combinaison linéaire deAetIn.

3. Application 1 : soitA=Jn−In,oùJnest la matrice Attila (envahie par les uns...), avecn≥1. Montrer queA2= (n−2)A+ (n−1)In; en déduire queAest inversible, et déterminer son inverse.

4. Application 2 : montrer que sin=2,A2est toujours une combinaison linéaire deAetI2,et retrouver la formule donnantA1 en utilisant 2.

Rappeler la structure d’espace vectoriel deMn(R). Déterminer une base deMn(R). Donner sa dimension. [001051]

Exercice 1188

1. Montrer queEest un sous-espace vectoriel deM3(R)stable pour la multiplication des matrices. Calculer dim(E).

2. SoitM(a,b,c)un élément deE.Déterminer, suivant les valeurs des paramètresa,betc∈Rson rang. Calculer (lorsque cela est possible) l’inverseM(a,b,c)1deM(a,b,c).

3. Donner une base deEformée de matrices inversibles et une autre formée de matrices de rang 1.

[001054]

Montrer que ce sont des sous espaces vectoriels deM3(R)dont on déterminera des bases.

SoientAetB∈Mn(K)deux matrices triangulaires supérieures.

1. Montrer (en calculant les coefficients) queABest triangulaire supérieure.

2. Soitϕun endomorphisme bijectif deKnetFun sous-espace vectoriel deKntel queϕ(F)⊂F.Montrer que queϕ1(F)⊂F.

3. En déduire une nouvelle démonstration de 1. Montrer que siAest inversible,A1est triangulaire supérieure.

[001058]

Exercice 1195

SoitN∈Mn((x2+1))une matrice nilpotente. Calculer det(I+N).SiA∈Mn((x2+1))commute avecN,montrer que det(A+N) =

det(A).(on pourra commencer par étudier le cas oùAest inversible.) [001059]

Exercice 1196

. Montrer queGest un groupe multiplicatif. [001060]

Exercice 1197

Discuter suivant les valeurs deλ∈Rle rang de la matrice

Exercice 1203

Déterminer l’ensemble des matricesM∈Mn(R)telles que :

∀H∈Mn(R),MH=HM.

Montrer queMest inversible. [001069]

Exercice 1206

1. Montrer queEest un espace vectoriel stable par multiplication (Est-ce une algèbre ?). En déduire que :

∀A∈E,∀n∈N,∃(an,bn)∈R2;An=anI+bnJ et calculer les coefficientsanetbn.

2. SoitSn=

SoitA∈Mn(R)une matrice triangulaire à éléments diagonaux nuls, montrer que : An=0.

[001075]

Exercice 1212

la somme étant finie et s’arrêtant par exemple au premier indiceitel queAi=0.Montrer que siAetBsont nilpotentes et commutent, alors exp(A+B) =exp(A)exp(B).En déduire que exp(A)est toujours inversible et calculer son inverse. [001077]

Exercice 1214

Soient(xn)n∈Net(yn)n∈Ndeux suites réelles, vérifiant la relation de récurrence linéaire suivante : n xn+1 = −9xn −18yn

yn+1 = 6xn +12yn

avecx0=−137 ety0=18. On se propose dans ce problème de trouver les termes généraux de ces deux suites.

1. Montrer qu’il existe une matriceA∈M2(R)telle que la relation de récurrence linéaire ci-dessus soit équivalente à la relation Un+1=AUn, oùUn=

4. Montrer que l’ensemble des vecteursX∈R2tels queAX=3X est un sous-espace vectoriel deR2. Quelle est sa dimension ? En donner une base, qu’on noteraB2.

5. Montrer que la réunionB1∪B2forme une baseBdeR2. SoitPla matrice formée des composantes des vecteurs deBrelativement à la base canonique deR2. Montrer quePest inversible, et que le produitP1APest une matrice diagonaleDqu’on calculera.

6. Montrer queAn=PDnP1. CalculerDn, et en déduireAn, pour toutn∈N. 7. Donner les termes générauxxnetyn.

CorrectionH [001080]

Exercice 1217

Pour toute matrice carréeAde dimensionn, on appelle trace deA, et l’on note trA, la somme des éléments diagonaux deA : trA=

n

i=1

ai,i

1. Montrer que siA,Bsont deux matrices carrées d’ordren, alors tr(AB) =tr(BA).

2. Montrer que siuest un endomorphisme d’un espace vectorielEde dimensionn,Msa matrice par rapport à une basee,M0sa matrice par rapport à une basee0, alors trM=trM0. On note trula valeur commune de ces quantités.

3. Montrer que sivest un autre endomorphisme deE, tr(u◦v−v◦u) =0.

[002442]

Exercice 1218

On rappelle qu’une matrice carréeAd’ordrenest ditesymétriquesiai,j=aj,i,∀i,j, etantisymétriquesiai,j=−aj,i. 1. Combien y a-t-il de matrices antisymétriques diagonales ?

2. Montrer queAtAest symétrique pour toute matrice carréeA.

3. Montrer que siA,Bsont symétriques, leur produitC=ABest symétrique si et seulement siAB=BA. Que dire si elles sont antisymétriques ? Si l’une est symétrique et l’autre antisymétrique ?

4. SoitPun polynôme. Montrer que siAest symétrique,P(A)l’est aussi. Que dire siAest antisymétrique ?

[002443]

Exercice 1219

SoitA,Bdeux matrices semblables (i.e. il existePinversible telle queA=PBP1). Montrer que si l’une est inversible, l’autre aussi ; que si l’une est idempotente, l’autre aussi ; que si l’une est nilpotente, l’autre aussi ; que siB=λI, alorsA=B. [002444]

Exercice 1220

SoitAune matrice carrée d’ordrenvérifiant pour touti∈ {1, . . . ,n}

|ai,i|>|ai,1|+|ai,2|+. . .+|ai,i1|+|ai,i+1|+. . .+|ai,n|.

Montrer queAest inversible. [002445]

Exercice 1221

1. Montrer que le produit de deux matrices stochastique est aussi une matrice stochastique.

2. SoitB=A2,Ai=supjai,j,ai=infjai,j. Montrer queai≤bi,j≤Ai,∀j.

[002446]

Exercice 1222

On considère les matrices suivantes : A=

Calculerlorsque cela est bien définiles produits de matrices suivants :AB,BA,AC,CA,AD,AE,BC,BD,BE,CD,DE. [002747]

Exercice 1223

CalculerAnpour toutn∈Z, avec successivement A=

[002749]

Exercice 1225

Les matrices suivantes sont-elles inversibles ? Si oui, calculer leurs inverses.

L’exponentielled’une matrice carréeMest, par définition, la limite de la série eM=1+M+M2 On admet que cette limite existe en vertu d’un théorème d’analyse.

1. Montrer que siAB=BAalorseA+B=eAeB. On est autorisé, pour traiter cette question, à passer à la limite sans précautions.

2. CalculereMpour les quatre matrices suivantes :

On considère la matriceA=

. Montrer queAB=AC. La matriceApeut-elle être inversible ? 2. Déterminer toutes les matricesFde taille(3,3)telles queAF=0, (où 0 est la matrice dont tous les coefficients sont nuls).

[002772]

Exercice 1229

Pour quelles valeurs deala matrice

A=

est-elle inversible ? Calculer dans ce cas son inverse. [002773]

Exercice 1230

Soientaetbdeux réels, etAla matrice

A=

Exercice 1231

Calculer l’inverse de la matrice suivante :

A=

Montrer queDest une sous-algèbre deMn(K). Quelle est sa dimension ?

[003358] 1. Montrer queDest stable par multiplication.

2. Déterminer les matricesA∈Dinversibles telles queA1∈D.

CorrectionH [003359]

Exercice 1234 Matrices centrosymétriques

SoitA= (ai j)∈Mn(K). On dit queAestcentro-symétriquesi pour tousi,j:an+1i,n+1j=ai j. Montrer que siAetBsont centro-symétriques, il en est de même deAB. Montrer aussi que siAest centro-symétrique et inversible alorsA1est aussi centro-symétrique.

[003360]

Exercice 1235 ÉquationAX=B SoitA=

1. Montrer que l’équation enX:AX=B,X,B∈M3,n(K), a des solutions si et seulement si les colonnes deBsont des progressions arithmétiques (traiter d’abord le casn=1).

2. RésoudreAX=

Exercice 1236 ÉquationAX=B SoientA=

Exercice 1237 Calcul deAnpar la formule du binôme SoitA=

Exercice 1238 Calcul deAnpar polynôme annulateur SoitA=

2. Soitn∈NetPnle polynôme de degré inférieur ou égal à 2 tel que

Exercice 1239 Calcul deAk CalculerAkpourk∈N: Déterminer(A(x))npourxréel etnentier relatif.

CorrectionH [005258]

,x∈]−1,1[}est un groupe pour la multiplication des matrices.

CorrectionH [005263]

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