Édition de feuilles d'exercices

[oraux/ex7899] mines PSI 2013

1. Trouver \(\mathop{\mathchoice{\hbox{inf}}{\hbox{inf}}{\mathrm{inf}}{\mathrm{inf}}}\limits\left\{\vphantom{|_|}\smash{\lambda\in\mathbf{R}_+,\ \forall A\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R}),\ (\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits A)^2\leqslant\lambda\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits({}^tAA)}\right\}\).

2. Trouver \(\mathop{\mathchoice{\hbox{inf}}{\hbox{inf}}{\mathrm{inf}}{\mathrm{inf}}}\limits\left\{\vphantom{|_|}\smash{\lambda\in\mathbf{R}_+,\ \forall A\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R}),\ \mathop{\mathchoice{\hbox{det}}{\hbox{det}}{\mathrm{det}}{\mathrm{det}}}\nolimits A\leqslant\lambda\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits({}^tAA)}\right\}\).

3. Peut-on généraliser à \(A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) les résultats précédents ?

[planches/ex6889] mines PSI 2021

1. Déterminer la borne inférieure des \(\lambda\in\mathbf{R}_+\) tels que : \[\forall A\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R}),\quad\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits(A^2)\leqslant\lambda\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits(AA^T).\]

2. Déterminer la borne inférieure des \(\lambda\in\mathbf{R}_+\) tels que : \[\forall A\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R}),\quad|\mathop{\mathchoice{\hbox{det}}{\hbox{det}}{\mathrm{det}}{\mathrm{det}}}\nolimits(A)|\leqslant\lambda\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits(AA^T).\]

3. Généraliser ces résultats à \(\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\). Pour le second point, on comparera \(|\mathop{\mathchoice{\hbox{det}}{\hbox{det}}{\mathrm{det}}{\mathrm{det}}}\nolimits(A)|^{2/n}\) à \(\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits(AA^T)\).

[examen/ex0404] centrale MP 2023

1. Rappeler la définition de l’indicatrice d’Euler, exprimer \(\varphi(n)\) en fonction de sa décomposition en facteurs premiers.

2. Pour \(n\geqslant 2\), calculer \(\displaystyle\sum\limits_{d|n}\varphi(d)\) (la somme étant restreinte aux diviseurs positifs).

3. En déduire le déterminant de \(A\), où \(A_{i,j}=i\wedge j\).

[oraux/ex0820] centrale MP 2009 (avec Maple)

On note \(\varphi\) l’indicatrice d’Euler, et on définit trois matrices \(G_n\), \(A_n\), \(F_n\) de \(\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) par : \([G_n]_{i,j}=\mathop{\mathchoice{\hbox{pgcd}}{\hbox{pgcd}}{\mathrm{pgcd}}{\mathrm{pgcd}}}\nolimits(i,j)\) ; \([A_n]_{i,j}=1\) si \(i\mid j\) et 0 sinon ; \(F_n=\mathop{\mathchoice{\hbox{diag}}{\hbox{diag}}{\mathrm{diag}}{\mathrm{diag}}}\nolimits(\varphi(1),\ldots,\varphi(n))\). On note \(D_n\) l’ensemble des diviseurs de \(n\).

1. Soit \(f:\{1,\ldots,n\}\rightarrow D_n\) définie par : \(\forall k\), \(f(k)=\mathop{\mathchoice{\hbox{pgcd}}{\hbox{pgcd}}{\mathrm{pgcd}}{\mathrm{pgcd}}}\nolimits(n,k)\). Montrer que tout \(d\in D_n\) admet exactement \(\varphi(n/d)\) antécédents par \(f\). En déduire que \(\sum\limits_{d\in D_n}\varphi(d)=n\).

2. Définir sous Maple les matrices \(G_n\), \(A_n\), \(F_n\), et vérifier que \(G_n={}^tA_nF_nA_n\).

3. Démontrer l’égalité précédente, et en déduire \(\mathop{\mathchoice{\hbox{det}}{\hbox{det}}{\mathrm{det}}{\mathrm{det}}}\nolimits(G_n)\).

4. Déterminer une matrice \(B_n\) triangulaire supérieure à coefficients diagonaux positifs telle que \(G_n={}^tB_nB_n\). Qu’en conclure ?

[planches/ex2019] mines MP 2017 Soit \(n\in\mathbf{N}^*\).

1. Déterminer \(\mathop{\mathchoice{\hbox{min}}{\hbox{min}}{\mathrm{min}}{\mathrm{min}}}\limits\{\lambda\in\mathbf{R},\ \forall A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R}),\ (\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits A)^2\leqslant\lambda\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits{}^tAA\}\).

2. Déterminer \(\mathop{\mathchoice{\hbox{min}}{\hbox{min}}{\mathrm{min}}{\mathrm{min}}}\limits\{\lambda\in\mathbf{R},\ \forall A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R}),\ |\mathop{\mathchoice{\hbox{det}}{\hbox{det}}{\mathrm{det}}{\mathrm{det}}}\nolimits A|^{2/n}\leqslant\lambda\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits{}^tAA\}\).

[planches/ex1458] ens paris MP 2017

1. Un endomorphisme diagonalisable d’un espace euclidien \(E\) est-il diagonalisable en base orthonormée ?

2. Même question pour un endomorphisme trigonalisable.

[oraux/ex3853] mines MP 2011 Montrer que si \(u\) est un endomorphisme trigonalisable d’un espace euclidien alors il existe une base orthonormée trigonalisant \(u\).

[ev.bilin/ex0075] Vrai ou faux ?

Toute matrice \(A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) dont le polynôme caractéristique est scindé dans \(\mathbf{R}[X]\) est orthogonalement semblable à une matrice triangulaire.

[planches/ex5394] centrale PSI 2019

1. Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu’une matrice de \(\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) soit diagonalisable dans une base orthonormale.

2. Une matrice de \(\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) dont le polynôme caractéristique est scindé sur \(\mathbf{R}\) est-elle trigonalisable dans une base orthonormale ?

[planches/ex2028] mines MP 2017 Soit \(n\) dans \(\mathbf{N}^*\). Quel est le minimum de la fonction \(M\in\mathop{\mathchoice{\hbox{SL}}{\hbox{SL}}{\mathrm{SL}}{\mathrm{SL}}}\nolimits_n(\mathbf{R})\longmapsto\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits({}^tMM)\) ?

[planches/ex3926] centrale PSI 2018 Une matrice \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) est orthotrigonalisable s’il existe \(P\in\mathscr{O}(n)\) et \(T\) triangulaire telles que \(M={}^tPDP\). On veut déterminer l’ensemble des matrices orthotrigonalisables.

1. Déterminer les matrices orthotrigonalisables de la forme \(\pmatrix{\mathop{\mathchoice{\hbox{cos}}{\hbox{cos}}{\mathrm{cos}}{\mathrm{cos}}}\nolimits\theta&-\mathop{\mathchoice{\hbox{sin}}{\hbox{sin}}{\mathrm{sin}}{\mathrm{sin}}}\nolimits\theta\cr\mathop{\mathchoice{\hbox{sin}}{\hbox{sin}}{\mathrm{sin}}{\mathrm{sin}}}\nolimits\theta&\mathop{\mathchoice{\hbox{cos}}{\hbox{cos}}{\mathrm{cos}}{\mathrm{cos}}}\nolimits\theta}\).

2. Soit \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\). Montrer que si le polynôme caractéristique de \(M\) est scindé dans \(\mathbf{R}\), alors \(M\) est orthotrigonalisable. Conclure.

[oraux/ex0779] mines MP 2009 Soient \((E,\langle\ ,\ \rangle)\) un espace euclidien et \(f\in\mathscr{L}(E)\). Donner une condition nécessaire et suffisante pour qu’il existe une base orthonormée de \(E\) dans laquelle la matrice de \(f\) est triangulaire supérieure.

[planches/ex9785] mines MP 2023 Soit \(A=(a_{i,j})\in\mathscr{S}_n(\mathbf{R})\). On suppose que \(a_{1,1}\), … , \(a_{n,n}\) sont les valeurs propres de \(A\) prises avec multiplicité. Montrer que \(A\) est diagonale.

[examen/ex4305] centrale MP 2025 (avec Python)

On considère que deux matrices sont égales si leurs coefficients diffèrent de moins de \(\varepsilon=10^{-12}\).

1. 1. Écrire une fonction Python test_orthogonal(A) qui vérifie si la matrice \(A\) est orthogonale. La tester pour \(M=\frac{1}{9}\pmatrix{7&-4&4\cr4&8&1\cr4&-1&-8}\).

      Un endomorphisme d’un espace euclidien est normal s’il commute avec son adjoint.

   2. Écrire une fonction Python test_normal(A) qui vérifie si une matrice \(A\) est normale. Vérifier que \(M\) est normale.

   3. Écrire une fonction Python genere_ mat_normale(n) qui génère aléatoirement une matrice normale de \(\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) à coefficients dans \([\![-9,9]\!]\), qui ne soit ni symétrique ni antisymétrique. Afficher le nombre de tours de boucle.

2. Soient \(E\) un espace euclidien et \(u\in\mathscr{L}(E)\).

   1. Montrer que, si un sous-espace vectoriel \(F\) de \(E\) est stable par \(u\), son orthogonal est stable par \(u^*\).

   2. On suppose que \(u\) est normal. Montrer que, pour \(\lambda\in\mathop{\mathchoice{\hbox{Sp}}{\hbox{Sp}}{\mathrm{Sp}}{\mathrm{Sp}}}\nolimits(u)\), l’orthogonal de l’espace propre \(E_\lambda(u)\) est stable par \(u\).

   On veut montrer que si \(u\) est normal, il existe une base \(B\) orthogonale dans laquelle \(u\) a une matrice diagonale par blocs de taille 1 ou 2, les blocs de taille 2 étant de la forme \(\pmatrix{a&b\cr-b&a}\) avec \(b\neq0\).

   On procède par récurrence sur la dimension de l’espace \(E\), et on remarque que c’est vrai en dimension 1.

   Supposons le résultat acquis jusqu’en dimension \(n\) et soit \(u\) un endomorphisme normal d’un espace euclidien \(E\) de dimension \(n+1\).

3. Supposons que \(u\) a une valeur propre réelle. Conclure en utilisant l’hypothèse de récurrence sur un endomorphisme d’un espace de dimension strictement inférieure.

4. On suppose maintenant que \(u\) n’a aucune valeur propre réelle.

   1. Soit \(Q\) un facteur irréductible de \(\pi_u\). Quel est le degré de \(Q\) ?

   2. Montrer que \(\mathop{\mathchoice{\hbox{ker}}{\hbox{ker}}{\mathrm{ker}}{\mathrm{ker}}}\nolimits Q(u)\neq\{0\}\).

   3. Soit \(M\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\) une matrice normale sans valeur propre réelle.

      Montrer l’existence de \(a\), \(b\in\mathbf{R}\) avec \(b\neq0\) tels que \(M=\pmatrix{a&b\cr-b&a}\).

   4. Montrer que \(\mathop{\mathchoice{\hbox{ker}}{\hbox{ker}}{\mathrm{ker}}{\mathrm{ker}}}\nolimits Q(u)\) est stable par \(u\) et \(u^*\).

   5. Conclure.

[planches/ex3206] polytechnique MP 2018 Soit \(A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{C})\). On pose \(A^*={}^t\overline A\). Montrer l’équivalence entre les conditions suivantes :

• \(AA^*=A^*A\) ;

• il existe \(U\in\mathscr{M}_n(\mathbf{C})\) telle que \(UU^*=I_n\) et \(UAU^*\) diagonale ;

• \(A^*\) est un polynôme en \(A\).

[oraux/ex8167] centrale MP 2015 Soit \(n\in\mathbf{N}^*\).

1. Soit \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\).

   1. Montrer qu’il existe un unique couple \((A,S)\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})^2\) tel que : \(M=A+S\), \({}^tA=-A\), \({}^tS=S\).

   2. Montrer que \(M\) et \({}^tM\) commutent si et seulement si \(A\) et \(S\) commutent.

2. Soit \(A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) telle que \({}^tA=-A\). On suppose que \(A\) est inversible. Montrer que \(n\) est pair et qu’il existe \(P\in\mathscr{O}_n(\mathbf{R})\) et \((a_1,\ldots,a_p)\in(\mathbf{R}_+^*)^p\) tels que \(A=PDP^{-1}\) où \(D\) est une matrice diagonale par blocs avec des blocs \(D_1\), … , \(D_p\), où \(D_i=\pmatrix{0&-a_i\cr a_i&0}\).

3. Énoncer et prouver un théorème de réduction pour les matrices normales de \(\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\), c’est-à-dire les matrices \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) telles que \(M{}^tM={}^tMM\).

[planches/ex9769] mines MP 2023 On munit \(E=\mathbf{R}^n\) munit du produit scalaire usuel. Soit \(A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\).

1. Soit \(F\) un sous-espace vectoriel de \(E\) stable par \(A\). Montrer que \(F^\perp\) est stable par \(A^T\).

2. On suppose \(A\in\mathscr{M}_3(\mathbf{R})\) et \(A^TA=AA^T\). Montrer que \(A\) est diagonalisable ou \(A\) est semblable à une matrice de la forme \(\pmatrix{\lambda&0&0\cr0&\alpha&-\beta\cr0&\beta&\alpha}\) avec \(\beta\neq 0\).

[planches/ex2024] mines MP 2017 Soit \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\).

1. Montrer que \(M\) s’écrit de façon unique sous la forme \(S+A\), avec \(S\) symétrique et \(A\) antisymétrique. Montrer que \(M\) et \({}^tM\) commutent si et seulement si \(S\) et \(A\) commutent.

2. On suppose dans cette question que \(A\) est inversible. Montrer que \(n\) est pair et qu’il existe \(\alpha_1\), … , \(\alpha_p\) dans \(\mathbf{R}_+^*\) et \(P\in\mathscr{O}_n(\mathbf{R})\) tels que \(A=P^{-1}BP\) avec \(B=\mathop{\mathchoice{\hbox{diag}}{\hbox{diag}}{\mathrm{diag}}{\mathrm{diag}}}\nolimits(B_1,\ldots,B_p)\) et \(B_i=\pmatrix{0&-\alpha_i\cr\alpha_i&0}\).

3. On suppose que \(M{}^tM={}^tMM\). Montrer qu’existent des réels \(\lambda_1\), … , \(\lambda_r\), \(\alpha_1\), … , \(\alpha_s\), des réels strictement positifs \(\beta_1\), … , \(\beta_s\) et \(P\in\mathscr{O}_n(\mathbf{R})\) tels que \(M=P^{-1}CP\) avec : \[C=\mathop{\mathchoice{\hbox{diag}}{\hbox{diag}}{\mathrm{diag}}{\mathrm{diag}}}\nolimits(C_1,\ldots,C_s,\lambda_1,\ldots,\lambda_r)\quad\hbox{et}\quad C_i=\pmatrix{\alpha_i&-\beta_i\cr\beta_i&\alpha_i}.\]

[oraux/ex0427] polytechnique 2004 Soit \(\mathscr{H}\) l’ensemble des matrices normales, c’est-à-dire des matrices complexes \(M\) telles que \(MM^*=M^*M\).

1. Montrer que \(M\) est dans \(\mathscr{H}\) si et seulement si existent deux matrices hermitiennes \(H\) et \(K\) commutant entre elles et telles que \(M=H+iK\).

2. Montrer qu’une matrice normale est diagonalisable.

3. Montrer que, si \(M\) est normale, il existe \(P\in\mathbf{C}[X]\) tel que \(M^*=P(M)\).

4. Vérifier que \(\sqrt{\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits(A^*A)}\) définit une norme sur \(\mathscr{M}_n(\mathbf{C})\).

5. Soit \(C\) une matrice complexe et \(A\), \(B\) des matrices normales telles que \(AC=CB\). Montrer que \(C^*A=BC^*\).

[planches/ex5347] centrale MP 2019 Soit \((E,(\ |\ ))\) un espace euclidien ; soit \(u\in\mathscr{L}(E)\).

1. Montrer qu’il existe un unique \(v\in\mathscr{L}(E)\) tel que : \(\forall(x,y)\in E^2\), \((u(x)|y)=(x|v(y))\). On le notera \(u^*\).

2. Montrer que tout endomorphisme trigonalisable de \(E\) est trigonalisable en base orthonormée.

3. Trouver une condition nécessaire et suffisante pour que \(u^*\in\mathbf{R}[u]\). Que peut-on dire si \(u^*\not\in\mathbf{R}[u]\) ?