Chapitres Maths en MPSI, PCSI, MP2I, PTSI
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Les Matrices, cours de Maths Sup MPSI, MP2I, PCSI, PTSI
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A. Matrices de type à coefficients dans .
On suppose que et sont deux éléments de .
1. Définitions des matrices en Maths Sup
Soient et ,
avec
et .
est définie par
où si et ,.
Si , est définie par
où si et ,
.
Lorsque , l’ensemble est noté .
2. Propriétés de matrices en Maths Sup
P1 : est un –espace vectoriel.
P2 : Si ,
on définit
par
i.e. tous les éléments de sont nuls sauf celui situé en ligne et colonne qui est égal à 1.
On note .
La famille est une base de , appelée base canonique de .
.
P3 : Décomposition de :
.
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B. Produit matriciel en Maths Sup
1. Définition du produit matriciel en Maths Sup
Si et ,
où
et ,
on définit
par
où si et ,
.
2. Produit d’une matrice de type par une matrice colonne
,
,
alors ,
si , .
3. Propriétés d’un prpduit matriciel
Si les produits et sommes sont définis, et si ,
- .
C. Cas des matrices carrées d’ordre en Maths Sup
1. Définitions des matrices carrées d’ordre
Si ,
a) les éléments forment la diagonale de . On dit que ce sont les éléments diagonaux de .
b) est dite diagonale lorsque
.
c) est dite triangulaire supérieure lorsque tels que .
d) est dite triangulaire inférieure lorsque tels que .
e) est dite triangulaire si elle est triangulaire supérieure ou inférieure.
2. Propriétés du produit matriciel en Maths Sup
Le produit matriciel dans s’écrit :
si et ,
est défini et .
Si et ,
où ,
.
D : On définit la matrice unité d’ordre par .
Rappel :
P1 : est un anneau.
Si ,
- associativité de la multiplication
- distributivité de la multiplication
- la matrice est élément neutre pour la multiplication :
- .
P2 : Si , .
Si , .
3. Puissance -ième d’une matrice carrée
D : Si , on définit par récurrence :
et si .
(si , on démontre que est le produit de matrices .)
Formule du binôme de Newton.
Si vérifie , pour tout ,
.
4. Base canonique de
D : Si , on définit
par
i.e. tous les éléments de sont nuls sauf celui situé en ligne et colonne qui est égal à 1.
P1 : On note .
La famille est une base, dite base canonique, de .
.
P2 : Décomposition de :
.
P3 : Produit de deux éléments de la base canonique.
Si ,
.
5. Sous-espaces vectoriels particuliers en Maths Sup
P1 : L’ensemble des matrices carrées d’ordre diagonales à coefficients dans est un s.e.v de de dimension . Il est stable par produit.
P2 : L’ensemble des matrices carrées d’ordre triangulaires supérieures à coefficients dans est un s.e.v de de dimension . Il est stable par produit.
P3 : Il en est de même de l’ensemble des matrices carrées d’ordre triangulaires inférieures à coefficients dans .
6. Matrices inversibles en Maths Sup
P : On note l’ensemble des matrices carrées d’ordre à coefficients dans inversibles.
est un groupe appelé groupe linéaire d’ordre à coefficients dans .
- et son inverse est .
- Si , et .
- Si , et son inverse est égal à .
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D. Matrices et applications linéaires
1. Matrice d’une famille de vecteurs
Soit un -espace vectoriel de base .
Soit une famille de .
La matrice de la famille dans la base est la matrice de type telle que pour tout , la -ème colonne de est formée des coordonnées de dans la base .
2. Matrice de
D1 : La matrice de dans les bases de et de est une matrice notée
ou
de type
où
, .
Pour retenir : Les coordonnées de dans la base forment la -ème colonne de .
P1 : L’application
,
est un isomorphisme d’espaces vectoriels.
.
3. Matrice d’un endomorphisme
D2 : La matrice de dans la base de est une matrice carrée d’ordre où que l’on note ou .
avec
, .
Pour retenir : Les coordonnées de dans la base forment la -ème colonne de .
P2 : L’application
,
est un isomorphisme d’espaces vectoriels.
4. Application linéaire canonique- ment associée à
D3 : C’est l’unique application linéaire dont la matrice dans les bases canoniques
de et de est égale à ,
soit , .
5. Endomorphisme canoniquement associé à
D4 : C’est l’unique endomorphisme dont la matrice dans la base canonique
de est égale à ,
soit , .
6. Produit matriciel et applications linéaires
Soient , et trois -espaces vectoriels de bases respectives , , .
P4 : Si et ,
soit .
P5 : Si et si ,
soit .
P6 : Si et ,
.
P7 : Si ,
.
7. Noyau, image et rang d’une matrice
D5 : Soient et l’application linéaire canoniquement associée à .
- On appelle noyau de la matrice le noyau de , c’est donc un sev de . On le note .
- On appelle image de l’image de . C’est donc un sev de .
On le note .
D6 : Soient et l’application linéaire canoniquement associée à .
On appelle rang de le rang de .
C’est le nombre maximal de vecteurs colonnes de formant une famille libre. On le note .
P8 : Soit .
si ,
si ,
si , .
P9 : Soit un -ev de base
Le rang de la famille de est le rang de la matrice de dans la base .
P10 : Soient et sa matrice dans les bases et , .
8. Compléments sur les matrices inversibles
T1 : Soit .
Il y a équivalence entre
1. est inversible.
2.
3. L’endomorphisme canoniquement associé à est un automorphisme
4. Pour tout de matrice dans des bases et , est un isomorphisme de sur .
5.
6. telle que
7. telle que
Dans ce cas .
P11 : Soit une matrice triangulaire.
est inversible ssi le produit des termes diagonaux de est non nul.
L’inverse d’une matrice triangulaire supérieure (resp. inférieure) est triangulaire supérieure (resp. inférieure).
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