Pour vérifier sa maîtrise des connaissances fondamentales.
Question 1
On considère l'application linéaire f∈L(R3) dont la représentation matricielle, dans la base B, est donnée par : M=MatB(f)=⎝⎛−1111−1111−1⎠⎞ On désignera par {λ} les valeurs propres associées à cet endomorphisme f.
Expliquer la signification d'un vecteur propre associé à un endomorphisme.
Correction
Un vecteur propre reste colinéaire, après l'action de l'endomorphisme étudié, à lui même. Le facteur de colinéarité est la valeur propre associée.
Question 2
Écrire l'équation caractéristique associée à f.
Correction
Soit λ un nombre réel. Le polynôme caractéristique associé à f est : det(M−λI3)=∣∣−1−λ111−1−λ111−1−λ∣∣ Effectuons C1⟵C1+C2+C3. On obtient : det(M−λI3)=∣∣1−λ1−λ1−λ1−1−λ111−1−λ∣∣ En factorisant par le terme 1−λ de la première colonne on obtient : det(M−λI3)=(1−λ)∣∣1111−1−λ111−1−λ∣∣ Effectuons les deux transformations suivantes : L2⟵L2−L1 et L3⟵L3−L1. On a alors : det(M−λI3)=(1−λ)∣∣1001−2−λ010−2−λ∣∣ En développant selon la première colonne, on a : det(M−λI3)=(1−λ)×(−1)1+1×1×∣∣−2−λ00−2−λ∣∣=(1−λ)∣∣−2−λ00−2−λ∣∣ D'où : det(M−λI3)=(1−λ)×(−1)1+1×1×∣∣−2−λ00−2−λ∣∣=(1−λ)(λ+2)2. L'équation caractéristique associée à f est donc : (1−λ)(λ+2)2=0
Question 3
En déduire le spectre SpR3(f).
Correction
On a : (1−λ)(λ+2)2=0 Ce qui implique que 1−λ=0 ou (λ+2)2=0. Soit 1−λ=0 ou λ+2=0. Ce qui nous donne λ=1 ou λ=−2 On a donc le spectre suivant : SpR3(f)={1;−2;−2}.
Question 4
Pour chacune des valeurs propres λ, déterminer le sous espace propre associé E(λ).
Correction
Soit a, b et c trois nombres réels. On désigne par vp(λ)=⎝⎛abc⎠⎞ un vecteur propre associé à la valeur propre λ. ∙ Si λ=1 (valeur propre de multiplicité 1) alors on a l'équation matricielle aux valeurs propres suivante : Mvp(1)=1vp(1)⟺MatB(f)vp(1)=1vp(1)⟺⎝⎛−1111−1111−1⎠⎞⎝⎛abc⎠⎞=⎝⎛abc⎠⎞ Soit : ⎩⎨⎧−a+b+ca−b+ca+b−c===abc⟺⎩⎨⎧−2a+b+ca−2b+ca+b−2c===000⟺⎩⎨⎧abc===111⟹vp(1)=⎝⎛111⎠⎞ ∙∙ Si λ=−2 (valeur propre de multiplicité 2) alors on a l'équation matricielle aux valeurs propres suivante : Mvp(−2)=−2vp(−2)⟺MatB(f)vp(−2)=−2vp(−2)⟺⎝⎛−1111−1111−1⎠⎞⎝⎛abc⎠⎞=−2⎝⎛abc⎠⎞ Soit : ⎩⎨⎧−a+b+ca−b+ca+b−c===−2a−2b−2c⟺⎩⎨⎧a+b+ca+b+ca+b+c===000⟺a+b+c=0 Donc il est possible de choisir : vp1(−2)=⎝⎛10−1⎠⎞etvp2(−2)=⎝⎛01−1⎠⎞ On vérifient que ces deux vecteurs sont non colinéaires : vp1(−2)∧vp2(−2)=⎝⎛10−1⎠⎞∧⎝⎛01−1⎠⎞=⎝⎛111⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞ Les vecteurs propres peuvent donc être : vp(1)=⎝⎛111⎠⎞;vp1(−2)=⎝⎛10−1⎠⎞;vp2(−2)=⎝⎛01−1⎠⎞
Question 5
Donner la dimension de chacun des sous espaces propres associés E(λ).
Correction
La dimension de chacun des sous espaces propres est : dimE(1)=1etdimE(−2)=2
Question 6
Justifier que l'endomorphisme f soit diagonalisable.
Correction
On constate que : {dimE(1)d(1)==11et{dimE(−2)d(−2)==22 Ainsi f est donc diagonalisable.
Question 7
Donner l'expression matricielle de M′=MatBp(f). Dans cette écriture Bp représente la base propre associée à f.
Correction
On a, par exemple, : M′=MatBp(f)=⎝⎛1000−2000−2⎠⎞
Question 8
Donner l'expression de la matrice de passage PB⟶Bp.
Correction
En respectant l'ordre des valeurs propres de M′=MatBp(f), la matrice de passage PB⟶Bp peut s'écrire : PB⟶Bp=⎝⎛11110−101−1⎠⎞