Cours en ligne Maths en Maths Spé
Chapitres Maths en MP, PSI, PC, TSI, PT
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Exercices Matrices en Maths Spé
Résumé de cours Exercices et corrigés
Ces exercices sur les matrices en prepa maths spé reprennent certaines notions déjà vues en maths sup. Ces exercices sont classiques et pour certains incontournables pour la réussite sur la partie algèbre linéaire aux concours. Pour travailler de manière plus ciblée, n’hésitez pas à demander une mise en contact pour un cours de maths à domicile avec un des professeurs de la plateforme Groupe Réussite.
Matrices en MP, PC, MPI, PSI et PT (inverse d’une matrice, noyau & image)
1. Calcul d’une matrice en prepa maths spé
Exercice 1
Soit .
Exprimer en fonction de et .
En déduire la valeur de si
Corrigé de l’exercice 1 :
Soit
Par le théorème de division euclidienne, il existe et deux réels et tels que
.
En prenant la valeur en 1 et en 4, on obtient :
et
et
Donc
.
Exercice 2
Vérifier que si
En déduire la valeur de si .
Corrigé de l’exercice 2 :
Vous avez vérifié par calcul que et remarqué que
.
Il existe tel que où est de degré inférieur ou égal à 2.
Il existe tel que .
On écrit que est divisible par
et
On obtient un système de trois équations à trois inconnues permettant de déterminer , , :
Puis
Exercice 3
Si , calculer pour
Corrigé de l’exercice 3 :
avec et ,
,
et .
Par le binôme de Newton :
,
(on vous laisse finir le calcul).
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2. Calcul de l’inverse d’une matrice maths spé
Exercice 1
Calculer l’inverse de la matrice
en introduisant une matrice nilpotente.
Corrigé de l’exercice 1 :
où
.
et
Comme , .
.
Exercice 2
On rappelle que si ,
.
Montrer que est inversible et calculer .
Corrigé sur l’exercice 2 :
donc
.
est inversible et
.
Exercice 3
Montrer que
est une matrice inversible et calculer son inverse en l’interprétant comme une matrice de changement de bases.
Corrigé de l’exercice 3 :
est inversible puisque
Si est la matrice de passage de la base à la base
, et ,
donc , et
est la matrice de passage de la base à la base donc
.
3. Noyau et image de défini par sa matrice en MP, MPI, PC, PSI, PT
Exercice 1
Déterminer simultanément le rang de , une base de et de si la matrice de dans les bases de et de est égale à .
Corrigé de l’exercice 1 :
Soit de matrice dans les bases de et de .
.
On effectue les opérations
pour obtenir :
puis avec
puis ,
on obtient :
On a donc obtenu avec les opérations ci-dessus :
.
où
.
Les vecteurs et forment une famille libre de espace vectoriel de dimension 2 , ils forment donc une base de .
Les vecteurs , sont dans Ker et ne sont pas colinéaires.
Ils forment donc une base de Ker puisque, par le théorème du rang,
Exercice 2
Déterminer une base de Ker si la matrice de dans les bases de et de est égale à
Corrigé de l’exercice 2 :
C’est la même matrice que dans l’exercice précédent mais on cherche seulement le noyau.
Donc
Soit et .
.
et ne sont pas colinéaires et , donc est une base de Ker .
Exercice 3
Déterminer une base de Im si la matrice de dans les bases de et de est égale à
Corrigé de l’exercice 3 :
On utilise toujours la matrice des deux exercices précédents mais on ne cherche que l’image dans cet exercice.
En effectuant les opérations
,
.
car les deux premières colonnes de forment une famille libre et les deux dernières colonnes sont nulles.
Les vecteurs et , soit et , forment une base de Im .
Les matrices sont un chapitre important en Maths Spé, un cours déjà vu en Maths Sup qui est davantage complexifié en Maths Spé. De nombreux cours de Maths Spé suivent cette même logique. C’est pourquoi des cours en ligne de Maths en MP, mais aussi des cours en ligne de Maths en PC et également des cours en ligne de Maths en PSI sont mis à disposition des étudiants pour les aider à réussir leur dernière année de prépa.
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4. Utilisation de la base canonique
Exercice 1
Déterminer l’ensemble des matrices telles que pour tout de ,
Corrigé de l’exercice 1 :
On raisonne par analyse-synthèse.
Analyse : on suppose que est telle que pour tout de ,
Si , en refaisant les calculs du §4 des méthodes , on démontre que pour tout ,
et
On sait que .
Si en comparant les coefficients de , on obtient ,
et en comparant ceux de , on obtient .
On a donc démontré qu’il existe tel que .
Synthèse : S’il existe tel que , il est évident que pour tout de ,
Conclusion : L’ensemble des matrices qui permutent avec tout de est égal à Vect
Exercice 2
Démontrer que pour toute application linéaire de dans il existe une unique matrice telle que
, .
Corrigé de l’exercice 2 :
On raisonne par analyse-synthèse.
Soit une application linéaire de dans
Analyse : On suppose qu’il existe telle que
,
On note . En refaisant les calculs du § 4 des méthodes, on démontre que pour tout ,
donc
Le problème a donc au plus une solution telle que
si ,
Synthèse :
On définit la matrice par
où
Grâce au calcul de la partie analyse,
,
On démontre facilement que l’application est linéaire.
Les applications linéaires et sont égales sur la base canonique de elles sont donc égales.
Conclusion : pour toute application linéaire de dans , il existe une unique matrice telle que
,
5. Détermination de suites
Déterminer les suites , , définies par les termes initiaux et et les relations
,
et .
Corrigé de l’exercice :
Si , et , en posant
et ,
, donc
avec .
On a vu dans l’exercice 1 du que
,
donc .
En effectuant les calculs, on obtient pour tout ,
6. Matrices semblables
Exercice 1
Que pouvez vous dire d’une matrice semblable à ?
Corrigé de l’exercice 1 :
Si est semblable à , il existe telle que
donc .
La réciproque est évidente, car toute matrice est semblable à elle-même.
Exercice 2
Soient et deux matrices carrées d’ordre telles que et . Si et ont même trace ?
Corrigé de l’exercice 2 :
L’affirmation est vraie, mais doit être justifiée.
L’endomorphisme canoniquement associé à vérifie , donc est un projecteur.
En notant et en utilisant une base adaptée à la somme directe , la matrice est semblable à
et
Comme vérifie les mêmes conditions que , est aussi semblable à et alors et sont semblables, puisque la relation « être semblable » est une relation d’équivalence sur l’ensemble
Exercice 4
Si est carrée d’ordre 3, non nulle et vérifie , comment démontrer que est semblable à ?
Corrigé de l’exercice 3 :
On note et l’endomorphisme canoniquement associé à ,
vérifie et
Pour tout , il existe tel que , donc soit , on a donc prouvé que .
D’autre part car .
On en déduit que
et par le théorème du rang,
,
donc et
On cherche donc dans la suite une base de telle que
et .
Soit une base de , il existe donc tel que , puis
est un vecteur non nul de Ker , espace vectoriel de dimension 2, il existe donc une base de Ker
, alors est une base de dans laquelle la matrice de est la matrice
et sont semblables.
Les concours de Maths Spé sont réputés pour leur difficulté, notamment car, il est fondamental pour tous les étudiants de connaître parfaitement l’ensemble des cours au programme de Maths Spé. Alors, pour s’assurer d’avoir un bon niveau, voici quelques chapitres à réviser :
- les espaces vectoriels normés
- les suites et séries de fonctions
- l’intégration sur un intervalle quelconque
- les séries entières
- le dénombrement
Pour avoir les corrigés de tous ces exercices et accéder à tous les exercices et annales corrigés, n’hésitez pas à télécharger l’application mobile PrepApp.