P.C. Corrigé du DEVOIR N 23 (Centrale
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P.C. Corrig´e du DEVOIR N◦ 23 (Centrale-Supelec 2013 PC Math 2) 2015 I Le groupe orthogonal en dimension 2 I.A – Les rotations planes 1. Cette question a ´et´e trait´eeen cours : il suffit d’´ecrire et de r´esoudre un syst`eme traduisant a2 + c 2 = 1 2 b + d2 = 1 que A ∈ SO(2), ce qui donne . Puisque a2 + c2 = 1, il existe un r´eel t tel que ab + cd = 0 ad − bc = +1 a = cos t et c = sin t. La r´esolution du syst`eme donne ensuite b = − sin t et d = cos t, donc A = Rt . cos t − sin t R´eciproquement, Rt = appartient bien `a SO(2), pour tout r´eel t. sin t cos t 2. La surjectivit´e tient a` la question pr´ec´edente : a` toute matrice A de SO(2), on peut associer au moins un r´eel t tel que A = Rt = ϕ(t). ∀(t, t0 ) ∈ R 2 , ϕ(t + t0 ) = Rt+t0 = Rt × Rt0 = ϕ(t) × ϕ(t0 ) (le calcul a ´et´e fait en cours ; il utilise les formules d’addition) Cette application n’est pas bijective : deux r´eels qui diff`erent d’un multiple de 2π ont la mˆeme image par ϕ qui n’est donc pas injective. cos t − sin t x x cos t − y sin t 2 3. ∀ t ∈ R , ∀ u = (x, y) non nul de R , ρt (u) = = . sin t cos t y x sin t + y cos t x2 sin t + y 2 sin t x2 cos t + y 2 cos t \ = cos t et sin( u, ρ (u)) = = sin t : t est cos(u,\ ρt (u)) = t x2 + y 2 x2 + y 2 une mesure de l’angle orient´e (u,\ ρt (u)), o` u ρt est l’endomorphisme (la rotation d’angle t) fRt canoniquement associ´e a` Rt . Pour tout k ∈ R ∗+ et tout t ∈ R , l’endomorphisme kρt est appel´e similitude directe de rapport k et d’angle t. I.B - Matrices semblables et sous-espaces propres Soit A, B ∈ Mn (R ) et P ∈ GLn (R ) telles que B = P −1 AP . 1. A et B sont semblables, donc, d’apr`es le cours, ont le mˆeme polynˆome caract´eristique, donc les mˆemes valeurs propres avec les mˆemes ordres de multiplicit´e. Le spectre de fM ´etant celui de M , fA et fB ont les mˆemes valeurs propres. 2. Si λ est une valeur propre de A, alors, si X ∈ R n : X ∈ Eλ (fA ) ⇔ AX T = λ X T ⇔ P BP −1 X T = λ X T ⇔ BP −1 X T = λ P −1 X T ⇔ P −1 X T ∈ Eλ (B) ⇔ ∃ Y T ∈ Eλ (B), X T = P Y T ⇔ ∃ Y ∈ Eλ (fB ), X = fP (Y ) ⇔ X ∈ fP (Eλ (fB )), d’o` u l’´egalit´e attendue : Eλ (fA ) = fP (Eλ (fB )). I.C – Les r´ eflexions planes 1 0 1. On note K2 = . 0 −1 On a K22 = I2 : σ0 = fK2 est bien une sym´etrie vectorielle. x=x (x, y) ∈ E1 (σ0 ) ⇔ , donc E1 (σ0 ) = Vect (1, 0) . −y = y x = −x (x, y) ∈ E−1 (σ0 ) ⇔ , donc E−1 (σ0 ) = Vect (0, 1) . −y = −y L’endomorphisme σ0 = fK2 est une sym´etrie orthogonale puisque ses deux sous-espaces propres sont orthogonaux. E1 (σ0 ) et E−1 (σ0 ) ´etant des droites vectorielles, σ0 est la r´eflexion d’axe E1 (σ0 ) = Vect (1, 0) . 1 2. D’apr`es la question I.B.2., la matrice canoniquement associ´ee a` σt est semblable a` K2 , donc : – σt et σ0 ont les mˆemes valeurs propres : 1 et −1 ; – E1 (σ0 ) et E−1 (σ0 ) sont les images respectives de E1 (σt ) et E−1 (σt ) par fRt ; Une rotation vectorielle plane conservant l’orthogonalit´e et la dimension, E1 (σt ) et E−1 (σt ) sont, comme E1 (σ0 ) et E−1 (σ0 ) , des droites vectorielles orthogonales, donc σt est la r´eflexion d’axe Rt−1 (E1 (σt )) ou R−t (Vect (1, 0)). 3. A de O(2) est telle que det(A) = −1 si et seulement si AK2 ∈ SO(2) donc si et seulement si cos t − sin t il existe un r´eel t tel que AK2 = donc si et seulement si sin t cos t cos t − sin t cos t sin t A= × K2 = . sin t cos t sin t − cos t II Matrices directement orthogonalement semblables Pour A, B dans Mn (R ), on dit que A est orthogonalement semblable a` B (ce que l’on pourra abr´eger en : A os B) s’il existe une matrice P de O(n) telle que B = P −1 AP et on dit que A est directement orthogonalement semblable a` B (en abr´eg´e : A dos B) s’il existe une matrice P de SO(n) telle que B = P −1 AP . II.A – Propri´ et´ es fondamentales de la similitude 1. Pour toute matrice A de Mn (R ), A = In A In . Comme In ∈ SO(2), A dos A. Pour tout (A, B) de Mn (R )2 , si A dos B, alors il existe P de SO(n) telle que B = P −1 AP , donc A = (P −1 )−1 BP −1 . Puisque P −1 ∈ SO(2), B dos A. Pour tout (A, B, C) deMn (R )3 , si A dos B et B dos C, alors il existe P et Q de SO(n) telles que B = P −1 AP et C = Q−1 BQ, d’o` u C = (P Q)−1 A(P Q). SO(n) ´etant stable par multiplication, P Q ∈ SO(n) et A dos C. La relation dos est une relation d’´equivalence sur Mn (R ). On dira donc indiff´eremment que A est directement orthogonalement semblable a` B ou que A et B sont directement orthogonalement semblables. On a les mˆemes propri´et´es pour la relation de similitude orthogonale entre deux matrices carr´ees de mˆeme taille et on ne demande pas de refaire ici les v´erifications. 2. Comme P −1 (α In )P = α In , la seule matrice directement orthogonalement semblables a` αIn pour α r´eel est αIn elle-mˆeme. 3. Les matrices de SO(2) commutent. Si B est directement orthogonalement semblables `a A, alors il existe P ∈ SO(2) telle que B = P −1 AP = AP −1 P = A. Si A appartient a` SO(2), la seule matrice directement orthogonalement semblables `a A est A. 4. Si A est directement orthogonalement semblables a` K2 , alors il existe P ∈ SO(2) telle que A = P −1 K2 P . cos t − sin t cos t sin t −1 T Comme il existe t ∈ R tel que P = ,P =P = et sin t cost − sin t cos t cos 2t − sin 2t cos θ sin θ A= = . − sin 2t − cos 2t sin θ − cos θ Les matrices directement orthogonalement semblables a` K2 sont celles de O(2)\ SO(2), donc celles des r´eflesions planes (d’apr`es I.C.3.). II.B – Comparaison des relations de similitude. Avec SO(n) ⊂ O(n) ⊂ GLn (R ), si deux matrices sont directement orthogonalement semblables alors elles sont orthogonalement semblables et si deux matrices sont orthogonalement semblables alors elles sont semblables. 1 1 1. 2 est valeur propre de A = (la somme de chaque ligne vaut 2) associ´ee au vecteur 1 1 1 −1 propre et 0 est l’autre valeur propre (la trace vaut 2) associ´ee au vecteur : la matrice 1 1 2 √ √ 2 2 − T √2 P = √2 ∈ SO(2) et P AP = B : 2 2 2 2 0 0 1 1 et sont directement orthogonalement semblables. 0 2 1 1 2. Si ces deux matrices ont directement orthogonalement semblables, alors, d’apr`es I.B.2., les sous-espaces propres de l’une sont les images respectives des sous-espaces propres de l’autre par une isom´etrie vectorielle plane. Les sous-espaces propres de la premi`ere sont E1 = Vect (1, 0) et E2 = Vect (0, 1), qui sont orthogonaux, les sous-espaces propres de l’autre sont F1 = Vect (1, −1) et F2 = Vect (−2, 1) qui ne sont pas orthogonaux : les seconds ne peuvent ˆetre les images respectives des par puisque celle-ci conserve l’orthogonalit´e. premiers une isom´etrie vectorielle plane 1 0 3 2 1 −2 et sont semblables (P = donne P −1 BP = A), mais ne sont pas 0 2 −1 0 −1 1 orthogonalement semblables. cos t −ε sin t 3. Cherchons une matrice orthogonale P = , o` u ε = ±1 telle que B = P T B T P , sin t ε cos t 3 cos t + ε sin t = 3 cos t − sin t 2 cos t = −3ε sin t − ε cos t ce qui est ´equivalent a` P B = B T P , donc au syst`eme : . 3 sin t − ε cos t = 2 cos t 2 sin t = −2ε sin t La derni`ere ´egalit´e donne soit ε = −1, soit sin t = 0. sin t = 0 est impossible puisque cette hypoth`ese conduirait a` cos t = 0, donc `a l’inexistence de P . Penons donc ε = −1 ; le syst`eme√est alors ´equivalent √ a` cos t = 3 sin t, ce qui, coupl´e avec 3 10 10 et cos t = η , o` u η = ±1. cos2 t + sin2 t = 1, donne sin t = η 10 10 √ √ 10 3 1 10 3 1 T T Il y a donc deux matrices orthogonales P v´erifiant B = P B P : et − . 1 −3 1 −3 10 10 3 2 Aucune des deux n’´etant dans SO(2), et sa transpos´ee sont orthogonalement sem−1 0 blables mais ne sont pas directement orthogonalement semblables. III Cercle propre d’une matrice III.A – Cercle propre a b Pour A = de M2 (R ) et (x, y) de R2 , on note ϕA (x, y) le d´eterminant de la matrice c d a−x b−y A(x, y) = et on consid`ere CP A la courbe de R 2 d´efinie par l’´equation : c+y d−x ϕA (x, y) = 0. 1. ϕA (x, y) = 0 ⇔ (a − x)(d − x) − (b − y)(c + y) = 0 ⇔ x2 + y 2 − (a + d)x − (b − c)y + ad − bc = 0 2 2 a+d (a + d)2 b−c (b − c)2 ⇔ x− − + y− − + ad − bc = 0 2 4 2 4 2 2 a+d b−c (a − d)2 + (b + c)2 ⇔ x− + y− = 2 2 4 a+d b−c CP A est le cercle (´eventuellement r´eduit a` un point) de centre CA , et de rayon 2 2 p (a − d)2 + (b + c)2 rA = . 2 2. M (x, y) ∈ CP A ∩ R × {0} ⇔ x2 − (a + d)x + ad − bc = 0 et y = 0. Le discriminant de cette ´equation du second degr´e est ´egal a` (a − d)2 + 4bc. 1. si (a − d)2 + 4bc > 0, CP A a 2 points d’intersection avec l’axe des abscisses ; 3 2. si (a − d)2 + 4bc = 0, CP A a 1 point d’intersection avec l’axe des abscisses ; 3. si (a − d)2 + 4bc < 0, CP A n’a aucun point d’intersection avec l’axe des abscisses. a − x b = χA (x) est le polynˆome caract´eristique de A : les solutions de 3. ϕA (x, 0) = c d − x l’´equation ϕA (x, 0) = 0 sont les valeurs propres de A. 1. si (a − d)2 + 4bc > 0, A a 2 valeurs propres r´eelles distinctes ; 2. si (a − d)2 + 4bc = 0, A a une seule valeur propre r´eelle double ; 3. si (a − d)2 + 4bc < 0, A n’a aucune valeur propre r´eelle. III.B – Deux cas particuliers Soit A ∈ M2 (R ). 1. En reproduisant le calcul p du III.A.1., on trouve que le cercle proprede la transpos´ee de A a (a − d)2 + (b + c)2 a+d b−c , mais pour centre CAT ,− (mˆeme mˆeme rayon rA = rAT = 2 2 2 abscisse, mais ordonn´ee oppos´ee). 2. A est sym´etrique si, et seulement si, b = c, donc si, et seulement si, le centre de son cercle propre est sur l’axe des abscisses. a −c 3. a) Les matrices dont le cercle propre est de rayon nul sont les matrices , (a, c) ∈ R 2 . c a √ 1 a −c a2 + c 2 √ 0 a −c × Puisque, si (a, c) 6= (0, 0), = √ est le c a 0 a2 + c 2 a2 + c 2 c a produit d’une matrice de SO(2) par une matrice scalaire, l’endomorphisme canoniquement associ´e a`√A est la compos´ee commutative d’une rotation vectorielle et d’une homoth´etie de rapport a2 + c2 (si (a, c) = (0, 0), c’est l’endomorphisme nul). b) Si le cercle propre de A est r´eduit a` son centre, alors celui-ci a pour coordonn´ees (a, c). • Le centre appartient au cercle trigonom´etrique si, et seulement si, a2 + c2 = 1. Dans ce cas, A ∈ SO(2) et fA est une rotation vectorielle plane. a 0 • Le centre appartient l’axe des abscisses si, et seulement si, c = 0. Dans ce cas, A = 0 a et fA est l’homoth´etie de rapport a. c) Lorsque son cercle propre est de rayon nul et de centre appartenant `a l’axe des or CP A 0 −1 donn´ees {0} × R , alors A = c et fA est la compos´ee de la rotation vectoreille d’angle 1 0 π + et de l’homoth´etie de rapport c (ou l’endomorphisme nul si c = 0, bien sˆ ur). 2 III.C – Cercle propre et matrices directement orthogonalement semblables Si deux matrices A et B de M2 (R ) sont directement orthogonalement semblables, alors il existe T P ∈ SO(2) telle que A = P BP . a b e f 4 Posons A = , (a, b, c, d) ∈ R et B = , (a, b, c, d) ∈ R 3 . c d g h x y p −p −p −x −y x2 + y 2 x2 + y 2 Comme = x2 + y 2 , c’est le produit d’une matrice x y y −x p −p x2 + y 2 x2 + y 2 d’homoth´etie et de rotation vectorielle. ces endomorphismes commutent avec les matrices de SO(2), donc: −x −y −x −y −x −y T T T T (x, y) = A+ = P BP + P P = P BP +P P = P T B(x, y)P . y −x y −x y −x 4 Deux matrices semblables ayant le mˆeme d´eterminant, A et B ont mˆeme mˆeme cercle propre. III.D – Rectangle propre a b Pour A = dans M2 (R ) on consid`ere les quatre points (´eventuellement confondus) c d E = (d, −c), F = (a, b),G = (d, b) et H = (a, −c). 1 7 1. Dans le cas o` uA= , E = (3, 1), F = (1, 7), G = (3, 7) et H = (1, 1), donc C(2, 4) −1 3 8 F 7 G 6 5 4 C 3 2 1 H E 0 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 6 −1 √ et R = 10. −−→ −−→ −−→ −−→ 2. EG(0, b + c), HF (0, b + c) : EG = HF , donc EGHF est un parall´elogramme. −−→ −−→ −−→ EH(a − d, 0), donc EG⊥EH et EGHF est un rectangle appel´e rectangle propre de A. 3. Le rectangle est aplati lorsque F = H et G = E ou lorsque E = H et G = F , donc lorsque b = −c ou a = d. III.E – D´ orthogonale d’un endomorphisme ecomposition a b Soit A = dans M2 (R ). c d 1. D’apr`es III.C ; , deux matrices sont dos si et seulement si, elles ont le mˆeme cercle propre. ......(fin du corrig´e) 2 + Montrer qu’il existe un unique triplet (α, β, γ) de R × R que l’on pr´ecisera, tel que A soit α + γ −β directement orthogonalement semblable a` . β α−γ 2. Suivant les valeurs de (α, β, γ), pr´eciser le nombre de valeurs propres r´eelles de A. 3. Montrer que pour tout endomorphisme f de R 2 , il existe des r´eels positifs ou nuls k et l, une rotation plane ρt et une r´eflexion σt0 tels que f = kρt + lσt0 . ´ 4. Ecrire une fonction dans le langage Python qui prend enentr´e e un quadruplet (a, b, c, d) de a b r´eels et qui renvoie un quadruplet (k, l, t, t0 ) tel que si A = , on ait fA = kρt + lσt0 . c d IV Cercle propre et r´ eduction 5 IV.A – Cercle propre s´ ecant avec l’axe des abscisses Dans cette section on consid`ere un cercle C(Ω, r) de centre Ω et de rayon r non nul, s´ecant avec l’axe des abscisses. On note L1 et L2 , de coordonn´ees respectives (λ1 , 0) et (λ2 , 0), avec λ1 < λ2 , les deux points d’intersection de C(Ω, r) avec l’axe des abscisses. a b Soit A = une matrice de cercle propre ´egal a` C(Ω, r). On conserve les notations E, F , c d G, H du III.D. 1. Montrer que A est diagonalisable. −−→ −−→ 2. Montrer que si c 6= 0, alors L1 E, L2 E est une base de R 2 constitu´ee de vecteurs propres pour fA . 3. Lorsque c = 0, peut-on donner une base de vecteurs propres pour fA a` l’aide du cercle propre et du rectangle propre ? 4. Montrer que le carr´e du cosinus de l’angle de deux vecteurs propres de A associ´es a` deux valeurs propres distinctes est d´etermin´e par le cercle C(Ω, r), et ne d´epend pas du choix d’une matrice A de cercle propre ´egal C(Ω, r) (on pourra, si on le juge utile, introduire la projection orthogonale de Ω sur l’axe des abscisses). Qu’en est-il si A est sym´etrique ? 5. Caract´eriser g´eom´etriquement fA lorsque Ω = O, avec O = (0, 0), et r = 1. 6. Caract´eriser g´eom´etriquement fA lorsque CP A est le cercle de diam`etre le segment [O, I] avec I = (1, 0). IV.B – Cercle propre tangent ` a l’axe des abscisses Dans cette section on consid`ere un cercle C(Ω, r) de centre Ω et de rayon r > 0, tangent a` l’axe des abscisses. On appelle L, de coordonn´ees (λ, 0), le point de contact de C(Ω, r) avec l’axe des abscisses. Soit A une matrice de cercle propre ´egal a` C(Ω, r). 1. La matrice A est-elle diagonalisable ? Est-elle trigonalisable ? 2. Peut-on donner un vecteur propre `a l’aide des points L, E, F , G et H ? 3. Que peut-on dire des matrices dont le cercle propre est tangent a` l’axe des abscisses et de centre situ´e sur l’axe des ordonn´ees ? 4. Montrer qu’il existe un unique r´eel non nul α tel que A soit directement orthogonalement λ α semblable a` la matrice Tλ,α = . Pr´eciser α a` l’aide des ´el´ements de la matrice A. 0 λ O` u peut-on retrouver ce nombre sur le cercle propre ? 5. Montrer qu’il existe une base orthonorm´ee directe (e1 , e2 ) du plan telle que l’on ait, pour tout u de R2 , fA (u) = λu + α(e2 |u)e1 . IV.C – Cercle propre disjoint de l’axe des abscisses Dans cette section on consid`ere un cercle C(Ω, r) de centre Ω et de rayon r > 0 disjoint de l’axe des abscisses. On note K le projet´e orthogonal de Ω sur l’axe des abscisses. Soit A une matrice de cercle propre ´egal a` C(Ω, r). 1. Existe-t-il une matrice P de GL2 (R ) telle que la matrice P −1 AP soit diagonale ? Existe-t-il une matrice P de GL2 (R ) telle que la matrice P −1 AP soit triangulaire sup´erieure ? 2. D´eterminer les points de C(Ω, r) en lesquels la tangente `a C(Ω, r) contient K. 3. Si U est l’un de ces points, exprimer les valeurs propres de A, consid´er´ee comme ´el´ement de M2 (C ), `a l’aide de l’abscisse de K et de la distance KU de K a` U . IV.D – Deux exemples Danscette section, on consid`ere dans R2 un cercle C(Ω, r) de centre Ω et de rayon r et a b A= une matrice de cercle propre ´egal a` C(Ω, r). c d 6 1. Dans cette question, ω = (α, β) ∈ R × R ∗ , r = |β| et E = (α + |β|, β). Pr´eciser les valeurs propres de A et donner une matrice B dont les termes non diagonaux sont oppos´es et qui soit directement orthogonalement semblable a` A, ainsi qu’une d´ecomposition orthogonale de l’endomorphisme canoniquement associ´e `a B. 2. Dans cette question Ω = (0, α) avec α > 0 et r = α/2. Pr´eciser les valeurs propres A et donner une matrice B dont les ´el´ements non diagonaux sont oppos´es et qui soit directement orthogonalement semblable a` A, ainsi qu’une d´ecomposition orthogonale de l’endomorphisme canoniquement associ´e `a B. Faire un dessin dans le cas o` u α = 6 illustrant les questions IV.C.2 et IV.C.3. 7