Édition de feuilles d'exercices

[oraux/ex8222] polytechnique, ens cachan PSI 2016

1. Soit \(D=\mathop{\mathchoice{\hbox{diag}}{\hbox{diag}}{\mathrm{diag}}{\mathrm{diag}}}\nolimits(d_1,\ldots,d_n)\). Étudier l’image de \(f:X\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\mapsto DX-XD\).

2. Soit \((u,v,w)\in\mathbf{R}^3\). Montrer qu’il existe \(x\in\mathbf{R}\) tel que : \[u\mathop{\mathchoice{\hbox{cos}}{\hbox{cos}}{\mathrm{cos}}{\mathrm{cos}}}\nolimits^2(x)+v\mathop{\mathchoice{\hbox{sin}}{\hbox{sin}}{\mathrm{sin}}{\mathrm{sin}}}\nolimits^2(x)+w\mathop{\mathchoice{\hbox{sin}}{\hbox{sin}}{\mathrm{sin}}{\mathrm{sin}}}\nolimits(x)\mathop{\mathchoice{\hbox{cos}}{\hbox{cos}}{\mathrm{cos}}{\mathrm{cos}}}\nolimits(x)={u+v\over2}.\]

3. Soit \((x,y,z)\in\mathbf{R}^3\). Montrer que : \(\left|z-\displaystyle{x+y\over2}\right|\leqslant\mathop{\mathchoice{\hbox{max}}{\hbox{max}}{\mathrm{max}}{\mathrm{max}}}\limits(|z-x|,|z-y|)\).

4. On admet la propriété : pour toute \(A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\), il existe \(P\) orthogonale telle que \(PAP^{-1}\) ait tous ses coefficients diagonaux égaux. Démontrer l’équivalence entre :

   1. il existe \(X\), \(Y\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) telles que \(A=XY-YX\) ;

   2. \(\mathop{\mathchoice{\hbox{tr}}{\hbox{tr}}{\mathrm{tr}}{\mathrm{tr}}}\nolimits(A)=0\).

5. On se propose de démontrer la propriété admise plus haut.

   1. Examiner le cas \(n=2\).

   2. Soit \(\delta:M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\mapsto\mathop{\mathchoice{\hbox{max}}{\hbox{max}}{\mathrm{max}}{\mathrm{max}}}\limits_{1\leqslant i,j\leqslant n}(|m_{i,i}-m_{i,j}|)\). Montrer que \(P\in\mathscr{O}_n(\mathbf{R})\mapsto\delta(PAP^{-1})\) possède un maximum.

   3. Supposons que \(\delta(A)>0\). Montrer qu’il existe \(P\in\mathscr{O}_n(\mathbf{R})\) telle que \(\delta(PAP^{-1})<\delta(A)\). Conclure.

[examen/ex1083] ens paris, ens lyon, ens saclay, ens rennes MP 2024

1. Soit \(A\in\mathscr{S}_n(\mathbf{R})\) à coefficients strictement positifs. Montrer qu’il existe un vecteur propre de \(A\) dont tous les coefficients sont \(>0\).

2. Soit \(A\in\mathscr{M}_2(\mathbf{R})\) à coefficients \(>0\). Montrer que \(A\) possède un vecteur propre à coefficients \(>0\).

3. Soient \(a_1\), … , \(a_n\in\mathbf{N}^*\), \(M_i=\pmatrix{a_i& 1\cr1&0}\) pour \(1\leqslant i\leqslant n\). Montrer que \(M_1\times \cdots\times M_n\) est à spectre inclus dans \(\mathbf{R}\setminus \mathbf{Q}\).

[examen/ex1088] ens lyon MP 2024 Soient \(X\) un ensemble et \(K:X\times X\to \mathbb{R}\). On suppose que, pour tous \(n\geqslant 1\) et \(x_1\), … , \(x_n\in X\), \((K(x_i,x_j))_{1\leqslant i,j\leqslant n}\in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\). Pour \(x\in X\), on note \(K_x:y\mapsto K(x,y)\). Soit \(E\) le sous-espace de \(\mathbb{R}^{X}\) engendré par les fonctions \((K_x)_{x\in X}\).

Soit \(a\), \(b\in E\). Par définition de \(E\), il existe \((\lambda_x)_{x\in X}\) et \((\mu_x)_{x\in X}\) dans \(\mathbb{R}^X\) n’admettant qu’un nombre fini de coefficients non nuls tels que \(a=\displaystyle\sum\limits_{x\in X}^{}\lambda_xK_x\) et \(b=\displaystyle\sum\limits_{x\in X}^{}\mu_xK_x,\) et on pose \[\langle a,b\rangle=\sum\limits_{x,y\in X}^{}\lambda_x\mu_yK(x,y).\]

1. Montrer que cela définit bien un produit scalaire sur \(E\).

2. Montrer qu’il existe \(f:X\to E\) telle que \(\forall x\), \(y\in X\), \(K(x,y)=\langle f(x), f(y) \rangle\).

[examen/ex2720] ens paris MP 2025 Soit \(H=(H_{i,j})_{1\leqslant i,j\leqslant n}\in\mathscr{S}_n^{++}(\mathbf{R})\). On suppose que, pour tous \(i\neq j\), \(H_{i,j}\leqslant 0\). Si \((i,j)\in[\![1,n]\!]^2\), on dit que \(i\) et \(j\) sont connectés s’il existe \(m\in\mathbf{N}^*\), \(k_1,\ldots,k_m\in[\![1,n]\!]\) tels que \(k_1=i\), \(k_m=j\) et, pour tout \(\ell\in[\![1,m-1]\!]\), \(H_{k_\ell,k_{\ell+1}}\neq0\).

Montrer que \(i\) et \(j\) sont connectés si et seulement si \(H^{-1}_{i,j}>0\), où \(H^{-1}_{i,j}\) est le coefficient d’indice \((i,j)\) de \(H^{-1}\).

[oraux/ex7878] mines MP 2013 Soit \(M\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\) qui commute avec sa transposée. Montrer que \(M\) est orthogonalement semblable à une matrice diagonale par blocs, dont les blocs diagonaux sont de taille 1, ou de taille 2 de la forme \(\pmatrix{\alpha&\beta\cr-\beta&\alpha}\).

[examen/ex2719] ens paris MP 2025 Déterminer l’ensemble des symétries linéaires sur \(\mathscr{S}_n(\mathbf{R})\) qui fixent un hyperplan et stabilisent l’ensemble \(\mathscr{S}_n^{++}(\mathbf{R})\).

[oraux/ex8025] polytechnique MP 2014 On munit \(\mathbf{C}^n\) de sa norme hermitienne canonique. Soit \(A\in\mathscr{M}_n(\mathbf{R})\).Montrer que : \[\mathop{\mathchoice{\hbox{sup}}{\hbox{sup}}{\mathrm{sup}}{\mathrm{sup}}}\limits_{X\in\mathbf{R}^n\setminus\{0\}}{\|AX\|\over\|X\|}=\mathop{\mathchoice{\hbox{sup}}{\hbox{sup}}{\mathrm{sup}}{\mathrm{sup}}}\limits_{X\in\mathbf{C}^n\setminus\{0\}}{\|AX\|\over\|X\|}.\]

[planches/ex9445] polytechnique MP 2023 On considère dans \(\mathscr{M}_{2n}(\mathbf{R})\) les matrices \(J=\pmatrix{0 & -I_n \cr I_n & 0}\) et \(I=\pmatrix{I_n & 0 \cr0 & I_n}\).

1. Soit \(K\in\mathscr{M}_{2n}(\mathbf{R})\) tel que \(K^2=-I\). Montrer que \(K^TJ\in\mathscr{S}_{2n}(\mathbf{R})\) si et seulement si \(J=K^TJK\).

2. On note \(\mathscr{C}\) l’ensemble des \(K\in\mathscr{M}_{2n}(\mathbf{R})\) telles que \(K^2=-I\) et \(K^TJ\in\mathscr{S}_n^{++}(\mathbf{R})\).

   Soit \(K\in\mathscr{C}\). Montrer que \(K+J\) est inversible et que \((K+J)^{-1}(K-J)\) est symétrique.

3. Soit \(K\in\mathscr{C}\). On pose \(S=(K+J)^{-1}(K-J)\). Montrer que \(SJ+JS=0\).

[concours/ex3317] centrale M 1993 Soit \(E\) un espace euclidien de dimension \(n\). On considère \(n\) vecteurs \(u_1\), … , \(u_n\) de \(E\) et on note \(G\) la matrice \(\left((u_i\mid u_j)\right)\). Montrer l’équivalence des deux conditions suivantes :

1. il existe un projecteur orthogonal \(p\) et une base orthonormale \((e_i)\) tels que \(p(e_i)=u_i\) pour tout \(i\) de \(\{1,\ldots,n\}\) ;

2. \(\mathop{\mathchoice{\hbox{Sp}}{\hbox{Sp}}{\mathrm{Sp}}{\mathrm{Sp}}}\nolimits G\subset\{0,1\}\).

[planches/ex7574] ens saclay, ens rennes MP 2022 Soit \(A\in\mathscr{M}_{n,p}(\mathbf{R})\).

1. Justifier que \(AA^T\) est diagonalisable à valeurs propres positives.

   On note \(\sigma_1\geqslant\cdots\geqslant\sigma_r>0\) ses valeurs propres non nulles (avec multiplicité), et \(S(A)=(\sqrt{\sigma_1},\ldots,\sqrt{\sigma_r})\).

2. Comparer \(S(A)\) à \(S(A^T)\).

3. Montrer qu’il existe \(U\) dans \(\mathscr{O}_n(\mathbf{R})\) et \(V\) dans \(\mathscr{O}_p(\mathbf{R})\) telles que \(U^TAV=R=\pmatrix{D&0\cr0&0}\), avec \(D=\mathop{\mathchoice{\hbox{diag}}{\hbox{diag}}{\mathrm{diag}}{\mathrm{diag}}}\nolimits(\sigma_1,\ldots,\sigma_r)\), où \(S(A)=(\sigma_1,\ldots,\sigma_r)\).

4. On considère \(A^*=VR^*U^T\), avec \(R^*=\pmatrix{D^{-1}&0\cr0&0}\in\mathscr{M}_{p,n}(\mathbf{R})\). Interpréter géométriquement les matrices \(AA^*\) et \(A^*A\), en commençant par examiner le cas particulier où \(A\) est inversible.