Chapitre 18 I Matrice et applications linéaires Bien commencer Exercices On note u ∈ L(Rn [X]) l’endomorphisme associée dans la base canonique de Rn [X]. Exercice 1 On munit R3 d’une base B = (e1 , e2 , e3 ) et f on considère l’endomorphisme 1 −2 −1 2 . de R3 dont la matrice en base B est A = 2 0 0 1 1 a) Déterminer une base de Ker (f ) et une base de Im (f ). Sont-ce deux souse.v. de E supplémentaires ? b) Soit u = e1 + e2 − e3 . Montrer que (u, f (e1 ), f (e2 )) est une base de R3 et donner la matrice de f dans cette base. c) Montrer que (u, e1 , e2 ) est une base de R3 et donner la matrice de f dans cette base. Exercice 4 Soit A ∈ Mn (K) vérifiant Ak = In (où k ∈ N∗ ). On pose B = In + A + · · · + Ak−1 et on note u et v les endomorphismes de E = Kn canoniquement associés à A et B. Exercice 2 On munit R3 d’une base B = (e1 , e2 , e3 ) et f on considère l’endomorphisme 3 −3 6 de R3 dont la matrice en base B est A = 1 −1 2 . −1 1 −2 Exercice5 a) Déterminer u. b) En déduire que M est inversible et calculer M −1 . Donner M p pour tout p ∈ Z. a) Montrer que Ker v = Im (u − idE ), Im v = Ker (u − idE ) et que les espaces Ker v et Im v sont supplémentaires dans E. b) Donner la matrice de v dans une base adaptée. Montrer qu’alors la somme des coefficients diagonaux de cette matrice est krg (B). 0 Soit A = 3 −2 2 −2 2 −1 0 et u l’endomorphisme de E = R3 associé. 1 a) Déterminer f 2 . En déduire que Im (f ) ⊂ Ker (f ). a) Montrer que Ker (u − idE ), Ker (u − 2idE ) et Ker (u + 4idE ) sont de b) Donner rg f et dim (Ker f ) puis déterminer une base du noyau et de dimension 1 et en donner des bases. l’image de f . b) On se donne e1 , e2 et e3 des vecteurs non nuls de chacun des noyaux c) Déterminer une base de R3 dans laquelle la matrice de f est précédents. Montrer que (e1 , e2 , e3 ) est une base de E. 0 0 0 c) Donner la matrice D de u dans cette base. Justifier qu’il existe 1 0 0 . P ∈ GL3 (R) (que l’on explicitera) telle que ∀n ∈ N, An = P Dn P −1 . 0 0 0 Exercice 3 0 1 ... 0 0 1 0 ... 1 Soit n ∈ N, on considère la matrice M = .. .. . . 0 0 ... n 0 n 1 .. . n n Exercice 6 Soit E un K-espace vectoriel de dimension finie n et (ϕ1 , . . . , ϕp ) ∈ (E ∗ )p une famille libre. On se donne B une base de E et on note A ∈ Mp,n (K) la matrice dont la i-ème ligne est Mat B (ϕi ). . a) Déterminer le rang de A. b) Montrer que Ker A a même dimension que H = Ker ϕ1 ∩ · · · ∩ Ker ϕp . c) En déduire que dim H = n − p. 1/3 Chapitre 18 II Matrice et applications linéaires Exercices Aller plus loin Exercice 10 0 ... ... 0 1 .. . 1 0 Exercice 7 . .. . En considérant l’endomorphisme de Rn . Soit (e1 , . . . , en ) une famille génératrice de vecteurs de E, un K-espace de Soit A = . .. . . dimension p. On note M la matrice de (e1 , . . . , en ) dans une base de B dans .. 0 1 E. . 1 0 ... ... 0 a) Quel est le rang de M ? En déduire que l’échelonnée réduite par lignes de canoniquement associé, montrer que A est inversible et calculer Ap pour tout M à p pivots. p ∈ Z. b) On note i1 < · · · < ip les indices des colonnes de pivot de M (lorsqu’on lui applique l’algorithme de Gauss-Jordan). Montrer que (ei1 , . . . , eip ) est Exercice 11 Soient E un K-espace vectoriel de dimension finie n et f ∈ L(E) tel que une base de E. f n = 0 et f n−1 6= une base B de E dans laquelle la 0. Montrer qu’il existe Exercice 8 0 1 0 ...0 Soit M ∈ Mn,p (K), E et F des K espaces vectoriels de dimensions respec .. .. 0 0 . . 1 tives p et n, B une base de E, C une base de F et u ∈ L(E, F ) tel que . .. .. Mat C,B (u) = M . matrice de f est .. . . . 0 . a) Soit H un supplémentaire de Ker u dans E. Montrer que u induit un . . . 1 .. isomorphisme de H sur Im u. 0 ... ... ... 0 0 0 b) En déduire qu’il existe une base B de E etune base C de E telles que Exercice 12 Ir 0r,p−r , avec r = rg (u). Mat C 0 ,B 0 (u) = Jn,p,r = Soit A = 0n−r,r 0n−r,pr X(ai,j )1≤i,j≤n ∈ Mn (K). On suppose que pour tout i ∈ J1, nK, |aj,i |. Montrer que A est inversible. (On pourra raisonner par c) Montrer qu’on a (P, Q) ∈ GLn (K) × GLp (K) tel que M = P Jn,p,r Q. En |ai,i | > j6=i déduire une nouvelle preuve de rg (M ) = rg (t M ). l’absurde et considérer X ∈ Mn,1 (K) − {0} tel que M X = 0). Exercice 9 ∗ Exercice 13 Soit a1 , .. . , a n des réels non tous nuls (n ∈ N ). On considère la matrice Soit u : Rn [X] → Rn [X], P 7→ P + (X − 1)P 0 . a1 colonne ... a) Montrer que u est un endomorphisme de Rn [X] et donner sa matrice A en base canonique de Rn [X]. an a) Calculer C t C et montrer que C t C 6= 0. b) Montrer que u est un automorphisme de Rn [X], déterminer u−1 et A−1 . b) Soit f l’endomorphisme de Rn dont la matrice en base canonique est C t C. Déterminer Ker (f ) et Im (f ). Sont-ce deux sous-e.v. de E supplémentaires ? c) Montrer que B = (u−1 (X k ))0≤k≤n est une base de Rn [X]. Si g a une matrice diagonale en base B, quelle est sa matrice dans la base canonique de Rn [X] ? 2/3 Chapitre 18 Matrice et applications linéaires d) En déduire les puissances p-ièmes de 1 1 0 2 .. . ··· ··· .. . 1 1 .. . 0 ··· n+1 0 Exercices 3) Soit x ∈ E. . a) Montrer que pour i ∈ J1, nK, Li (u)(x) ∈ Ei . b) En déduire que tout élément de E peut s’écrire sous la forme x1 + · · · + xp , avec (x1 , . . . , xp ) ∈ E1 × · · · × Ep . 4) Pour i ∈ J1, pK, on note Bi une base de Ei . Soit B la famille obtenue en Exercice 14 concaténant les base B1 , . . . , Bp . Montrer que B est une base de E. Soit M ∈ Mn (K) triangulaire supérieure n’ayant que des zéros sur sa diagonale. Montrer que M n = 0. Il pourra être commode d’introduire l’endomor- 5) En déduire le résultat attendu. phisme u de K n canoniquement associé. Exercice 15 Soit M ∈ Mn,p (K). On appelle sous-matrice de M toute matrice obtenue en supprimant un certain nombre de lignes et de colonnes de M . Montrer que le rang de M est la taille de la plus grande sous-matrice inversible de M . Exercice 16 Soit A ∈ Mn (K). On suppose avoir P ∈ K[X] scindé à racines simples tel n n X X k que P (A) = 0 (on rappelle que si P = ak X , P (A) = ak Ak ). Le but k=0 k=0 de ce problème est de montrer qu’il existe Q ∈ GLn (K) telle que Q−1 AQ soit diagonale. On note E = Kn , u l’endomorphisme canoniquement associé à A, λ1 , . . . , λp les racines de P (supposées simples, donc p = dřP ) et pour i ∈ J1, pK, Ei = Ker (u − λi idE ). 1) Dans cette question, on se donne (x1 , . . . , xp ) ∈ E1 × · · · × Ep tel que x1 + · · · + xp = 0. a) Montrer que pour tout i ∈ J1, nK et tout k ∈ N, uk (xi ) = λki xi . b) En déduire que pour tout k ∈ N, λk1 x1 + · · · + λkp xp = 0 puis que pour tout U ∈ K[X], U (λ1 )x1 + · · · + U (λp )xp = 0. c) En choisissant bien les polynômes U dans la question précédente, montrer que ∀i ∈ J1, pK, xi = 0. 2) a) Justifier l’existence de polynômes L1 , . . . , Lp ∈ Kp−1 [X] tels que Li (λj ) = δi,j pour tout (i, j) ∈ J1, pK2 . b) Montrer que L1 + · · · + Lp = 1. 3/3
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