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!CI-SST81E6_TD2.pdf

Exercice 1:

A=\pmatrix{-1&0&1\\1&0&-1\\0&0&0}

1)

X_A(x)=\det{(x\times I - A)}=\matrix{+\\-\\+}\begin{vmatrix}x+1&0&-1\\-1&x&1\\0&0&x\end{vmatrix}=x^3+x^x=x^2(x+1)

2)

On veut calculer A\times (A+I) A+I=\pmatrix{0&0&1\\1&1&-1\\0&0&1} A\times (A+I)=\pmatrix{0&0&1\\1&1&-1\\0&0&1}\pmatrix{-1&0&1\\1&0&-1\\0&0&0}=\pmatrix{0&0&0\\0&0&0\\0&0&0} p:x\rightarrow x(x+1). p est le polynome minimal de A.

3)

Pour toute valeur propre \lambda_i, on associe un espace propre E_i et un projecteur P_i.

\color{red}\boxed{\color{white}\forall n \in\mathbb{N},\, \sum_i\lambda_i^nP_i=A^n} \forall n\in\mathbb{N},\, O^nP_1+(-1)^nP_0=A^n. Si n=0, P_0+P_1=I Si n=1, -P_0=A

On a notre système a deux inconnues: \cases{P_0+P_1=I \\ -P_0=A}\implies\cases{P_0=-A \\ P_1=I-P_0=A+I} A^n=(-1P_0+0P_1)^n=\sum_{k=0}^n\pmatrix{n\\k}(-P_0)^k(0P_1)^{n-k} A^n=(-1P_0)^n+(0P_1)^n A^n=\cases{I\text{ si } n=0 \\ (-1)^nP_0=(-1)^{n+1}A\text{ si }n>0}

4)

Soit t\in\mathbb{R} e^{tA}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(tA)^k}{k!} =\sum_{k=0}^{\infty}(\frac{t^k}{k!}(-1)^{k+1})A+I =-A(\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-t)^k}{k!}-1)+I =-Ae^{-t}+A+I =P_0e^{\lambda_0t}+P_1e^{\lambda_1t}

P_0=-A=\pmatrix{1&0&-1\\-1&0&1\\0&0&0} P_1=A+I=\pmatrix{0&0&1\\1&1&-1\\0&0&1} Vecteur propre dans P_0: \pmatrix{1\\-1\\0} Vecteurs propres dans P_1: \pmatrix{0\\1\\0} \text{ et } \pmatrix{1\\-1\\1}

Exercice 2:

1.

B=\pmatrix{a&b&c\\a&b&c\\a&b&c}\,(a,b,c)\in\mathbb{R}^3.

\mathcal{X}_B(x)=\det{(xI-B)}=\begin{vmatrix}x-a&-b&-c\\-a&x-b&-c\\-a&-b&x-c\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}x-(a+b+c)&-b&-c\\x-(a+b+c)&x-b&-c\\x-(a+b+c)&-b&x-c\end{vmatrix}

\mathcal{X}_B(x)=(x-(a+b+c))\begin{vmatrix}1&-b&-c\\1&x-b&-c\\1&-b&x-c\end{vmatrix}\matrix{\\L_2-L_1\\L_3-L_1}

\mathcal{X}_B(x)=(x-(a+b+c))\begin{vmatrix}1&-b&-c\\0&x&0\\0&0&x\end{vmatrix}=x^2(x-(a+b+c))

On pose p:x\rightarrow x(x-(a+b+c))

  • Divise \mathcal{X}_B
  • Mêmes racines que \mathcal{X}_B
  • Unitaire
  • De + bas degré possible

p(B)=B(B-(a+b+c)I) p(B)=\pmatrix{a&b&c\\a&b&c\\a&b&c}\pmatrix{-(b+c)&b&c\\a&-(a+c)&c\\a&b&-(a+b)}=0

p est le polynome minimal de B. S_p(B)=\{0,a+b+c\}. p est scindé à racines simples si a+b+c≠0

La matrice B est donc diagonalisable \forall(a,b,c)\in\mathbb{R}^3 tel que a+b+c≠0

2.

Soit \lambda_0=0 et \lambda_1=a+b+c. \cases{\lambda_0;E_0;P_0\\\lambda_1;E_1;P_1} \forall n\in\mathbb{N},\,\lambda_0^nP_0+\lambda_1^nP_1=B^n

\cases{P_0+P_1=I\\(a+b+c)P_1=B}\implies\cases{P_1=\frac{1}{a+b+c}B\\P_0=I-\frac{1}{a+b+c}B=\frac{-1}{a+b+c}(B-(a+b+c)I)}

B^n=\cases{I \text{ si }n=0\\(a+b+c)^nP_1=(a+b+c)^{n-1}B \text{ si }n>0}

e^{tB}=e^{0t}P_0+e^{(a+b+c)t}P_1.

Vecteurs propres de l'espace E_0: \pmatrix{-(b+c)\\a\\a} et \pmatrix{b\\-(a+c)\\b} Vecteur propre de l'espace E_1: \pmatrix{a\\a\\a}

Exercice 3:

C=\pmatrix{3&1&0&1\\1&3&0&1\\0&0&4&0\\0&0&0&2}

\mathcal{X}_C(x)=\begin{vmatrix}x-3&-1&0&-1\\-1&x-3&0&-1\\0&0&x-4&0\\0&0&0&x-2\end{vmatrix}=(x-2)(x-4)((x-3)^2-1)=(x-2)^2(x-4)^2

On pose p: x\rightarrow(x-2)(x-4)

  • Divise \mathcal{X}_B
  • Mêmes racines que \mathcal{X}_B
  • Unitaire
  • De + bas degré possible

p(C)=(C-2I)(C-4I)=0_4.

p est le polynome minimal de C, il est scindé et à racines simples. Donc, C est diagonalisable.

S_p(C)=\{2,4\}.

\forall n\in\mathbb{N},\,\lambda_0^nP_0+\lambda_1^nP_1=C^n \cases{P_0+P_1=I\\2P_0+4P_1=C}\implies\cases{P_0=I-P_1\\2I-2P_1=C} P_1=\frac{C-2I}{2} P_0=I-\frac{C-2I}{2}=-\frac{1}{2}(C-4I).

C^n=2^nP_0+4^nP_1

e^{tC}=e^{2t}P_0+e^{4t}P_1