Édition de feuilles d'exercices

[oraux/ex7755] mines MP 2016 Résoudre dans \(\mathscr{M}_2(\mathbf{Z}/5\mathbf{Z})\) : \(M^2=\pmatrix{\overline4&\overline2\cr\overline4&\overline1}\).

[oraux/ex7651] polytechnique, espci PC 2015 Soit \(A=(a_{i,j})_{1\leqslant i,j\leqslant n}\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) telle que \(a_{1,1}=-1\), les autres coefficients étant nuls. Existe-t-il \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) telle que \(M^2=A\) ?

[ev.algebre/ex1106] Résoudre dans \(\mathscr{M}_2(\mathbf{R})^2\) : \[XY=\left(\begin{array}{cc}0&1\\0&0\end{array}\right),\quad YX=\left(\begin{array}{cc}0&0\\0&0\end{array}\right).\]

[concours/ex3831] ensi M 1992 Déterminer toutes les matrices \(M\in\mathscr{M}_3(K)\) telles que \(M^2=0\).

[oraux/ex6010] hec E 2014

1. Question de cours : Définition de deux matrices semblables.

   Soit \(E\) un espace vectoriel sur \(\mathbf{R}\) de dimension 2. On note \(\mathscr{L}(E)\) l’ensemble des endomorphismes de \(E\).

   Pour toute matrice \(A=\left(\begin{array}{cc}a&c\\b&d\end{array}\right)\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\), on note \(D\) et \(T\) les deux applications suivantes : \[D:\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\rightarrow\mathbf{R},\ A\mapsto ad-bc\quad\hbox{et}\quad T:\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\rightarrow\mathbf{R},\ A\mapsto a+d.\]

2. Soit \(A\) et \(B\) deux matrices de \(\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\).

   1. Exprimer \(D(AB)\) en fonction de \(D(A)\) et \(D(B)\). Montrer que \(T(AB)=T(BA)\).

   2. En déduire que si \(A\) et \(B\) sont semblables, on a \(D(A)=D(B)\) et \(T(A)=T(B)\).

3. Déterminer \(\mathop{\mathchoice{\hbox{ker}}{\hbox{ker}}{\mathrm{ker}}{\mathrm{ker}}}\nolimits D\) et \(\mathop{\mathchoice{\hbox{ker}}{\hbox{ker}}{\mathrm{ker}}{\mathrm{ker}}}\nolimits T\). Quelle est la dimension de \(\mathop{\mathchoice{\hbox{ker}}{\hbox{ker}}{\mathrm{ker}}{\mathrm{ker}}}\nolimits T\) ?

   Dorénavant, si \(u\in\mathscr{L}(E)\) de matrice \(A\) dans une base \(\mathscr{B}\) de \(E\), on note : \(D(u)=D(A)\) et \(T(u)=T(A)\).

4. On note \(\mathchoice{\hbox{Id}}{\hbox{Id}}{\mathrm{Id}}{\mathrm{Id}}_E\) l’endomorphisme identité de \(E\). Exprimer \(u^2=u\mathbin{\circ} u\) en fonction de \(u\) et \(\mathchoice{\hbox{Id}}{\hbox{Id}}{\mathrm{Id}}{\mathrm{Id}}_E\).

5. Soit \(u\in\mathscr{L}(E)\) et \(\mathscr{S}_0=\{v\in\mathscr{L}(E)\mid u\mathbin{\circ} v-v\mathbin{\circ} u=0\}\).

   Montrer que \(\mathscr{S}_0\) est un espace vectoriel contenant \(\{P(u),\ P\in\mathbf{R}[X]\}\).

6. Soit \(u\in\mathscr{L}(E)\) avec \(u\neq0\). On pose : \(\mathscr{S}=\{v\in\mathscr{L}(E)\mid u\mathbin{\circ} v-v\mathbin{\circ} u=u\}\).

   1. Montrer que si \(\mathscr{S}\) est non vide, alors l’endomorphisme \(u\) ne peut pas être bijectif. En déduire une condition nécessaire portant sur \(u^2\) pour que \(\mathscr{S}\) soit non vide.

   2. On suppose que \(\mathscr{S}\) est non vide. Établir l’existence d’une base \(\mathscr{B}_1=(e_1,e_2)\) de \(E\) dans laquelle la matrice \(M_u\) de \(u\) s’écrit \(M_u=\left(\begin{array}{cc}0&1\\0&0\end{array}\right)\) et déterminer la forme générale de la matrice des éléments \(v\) de \(\mathscr{S}\) dans cette même base.

   3. On suppose que \(\mathscr{S}\) est non vide. Montrer que \(\mathscr{S}=\{v_0+\alpha\mathchoice{\hbox{Id}}{\hbox{Id}}{\mathrm{Id}}{\mathrm{Id}}_E+\beta u,\ \alpha,\ \beta\in\mathbf{R}\}\) où \(v_0\) est un endomorphisme non inversible de \(E\) à déterminer.

[concours/ex8481] mines PC 2005 Trouver les matrices \(A\) de \(\mathscr{M}_5(\mathbf{R})\) telles que : \(A=A^2-I_5\).

[oraux/ex7314] polytechnique, espci PC 2016 Soient \(n\in\mathbf{N}\) avec \(n\geqslant 2\) et \[A=\pmatrix{0&1&0&\cdots&0\cr\vdots&0&1&\ddots&\vdots\cr\vdots&&\ddots&\ddots&0\cr\vdots&&&\ddots&1\cr0&\cdots&\cdots&\cdots&0}.\] Déterminer \(S\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) symétrique et inversible telle que \(AS=S{}^tA\).

[planches/ex4585] ens PC 2019 Soit \(\alpha\in\mathbf{C}\). Résoudre dans \(\mathscr{M}_2(\mathbf{C})\) : \(X^3+X=\pmatrix{1&\alpha\cr\alpha&1}\).

[planches/ex8976] imt PC 2022 Soit \(A\) la matrice de \(\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) dont tous les coefficients valent 1.

On note \(\mathscr{F}=\{M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R}),\ AMA=0\}\).

1. Montrer que \(\mathscr{F}\) est un espace vectoriel. Quelle est sa dimension ?

   On pose \(\mathscr{E}=\{M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R}),\ AMA=A\}\).

2. Pour quels réels \(\lambda\) a-t-on \(\lambda A\in\mathscr{E}\) ?

3. Déterminer les éléments de \(\mathscr{E}\).

[ev.algebre/ex1104] Résoudre dans \(\mathscr{M}_2(\mathbf{R})^2\) : \[XY=\left(\begin{array}{cc}3&1\\2&1\end{array}\right),\quad YX=\left(\begin{array}{cc}5&3\\ -2&-1\end{array}\right).\]

[planches/ex9692] mines MP 2023 Soient \(A=\pmatrix{1 & 1 & 0 & \cdots & 0 \cr 0 & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \cr \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \cr \vdots & & \ddots & \ddots & 1 \cr 0 & \cdots & \cdots & 0 & 1}\) et \(N=A-I_n\).

Soit \((E)\) l’équation matricielle \(X^2=A\).

1. Quelles sont les matrices qui commutent avec \(N\) ?

2. Montrer que les solutions de \((E)\) sont de la forme \(X=\pm\pmatrix{1 & a_1 & \cdots & a_{n-1} \cr 0 & \ddots & \ddots & \vdots \cr \vdots & \ddots & \ddots & a_1 \cr 0 & \cdots & 0 & 1}\). Montrer qu’il y a au plus deux solutions.

3. Rappeler le développement limité à l’ordre \(n\) de \(x\mapsto\sqrt{1+x}\). Résoudre \((E)\).

[ev.algebre/ex1011] Déterminer les matrices \(A\) de \(\mathscr{S}_2(\mathbf{C})\) telles que \(A^2=A\).

[concours/ex4357] hec E 2006 Soit \(A\) la matrice de \(\mathscr{M}_3(\mathbf{R})\) définie par : \(A=\left(\begin{array}{ccc}0&1&1\\1&0&1\\0&0&1\end{array}\right)\).

1. La matrice \(A\) est-elle diagonalisable ? La matrice \(A\) est-elle inversible ?

2. Déterminer tous les entiers naturels \(p\) et \(q\) tels que \(A^{2p+1}=A^{2q}\).

3. Existe-t-il un entier \(n\) de \(\mathbf{N}\) tel que \(M^n=A\) si :

   1. \(M=\left(\begin{array}{ccc}0&1&2\\1&1&1\\1&2&3\end{array}\right)\)

   2. \(M=\left(\begin{array}{ccc}0&1&0\\1&-1&1\\0&1&1\end{array}\right)\) ?

[oraux/ex7088] mines MP 2014 Soit \(J=\pmatrix{0&0&1\cr0&1&0\cr1&0&0}\) et \(K=\pmatrix{0&1&0\cr1&0&1\cr0&1&0}\). Déterminer tous les polynômes \(P\) de \(\mathbf{C}[X]\) tels que \(P(J)=K\).

[concours/ex8412] ens paris, ens lyon, ens cachan MP 2005 Soient \(A\), \(B\), \(C\) dans \(\mathscr{M}_n(K)\). Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu’il existe \(X\) dans \(\mathscr{M}_n(K)\) tel que \(C=AXB\).

[planches/ex1843] polytechnique, espci PC 2017 Déterminer les \(P\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) telles que \(P^2=P\) et telles qu’il existe \(a\) et \(b\) réels pour lesquels \(aP+b{}^tP=I_n\).

[oraux/ex6915] polytechnique, espci PC 2013 Soit \(n\in\mathbf{N}^*\). Déterminer les \(M\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\) telles que \(X^{n+2}+X^n=\pmatrix{1&-1\cr-1&1}\).

[planches/ex2699] imt PSI 2017 Soit \(A=\pmatrix{1&2&3\cr0&1&2\cr0&0&1}\).

1. Soit \(X\) une matrice telle que \(X^2=A\). Montrer que \(X\) et \(A\) commutent, puis que \(X\) est triangulaire supérieure.

2. Trouver toutes les matrices \(X\) telles que \(X^2=A\).

[ev.algebre/ex1245] Trouver toutes les matrices carrées réelles telles que \(A^2=B\), où \[B=\left(\begin{array}{cc} 1&4\\0&-9 \end{array}\right).\]

[planches/ex3408] mines MP 2018 Résoudre dans \(\mathscr{M}_2(\mathbf{Z})\) l’équation \(X^{2n+1}+X=I_2\).