Calcul matriciel
Ensemble \(M_{n,p}(\mathbb K)\), matrices particulières ; addition, produit par un scalaire, produit matriciel et ses pièges ; matrice identité, puissances, binôme de Newton ; inverse (définition, formule \(2\times2\), propriétés) ; matrices triangulaires et diagonales, transposée, trace, matrices symétriques.
1. Résumé de cours détaillé
\(\mathbb K\) désigne \(\mathbb R\) ou \(\mathbb C\) ; \(n,p,q\in\mathbb N^*\).
1.1 Ensemble des matrices
1.2 Addition et produit par un scalaire
1.3 Produit matriciel
1.4 Identité, puissances, binôme
1.5 Inverse d'une matrice
1.6 Triangulaires, diagonales
1.7 Transposée, trace, symétrie
2. Exercices d'entraînement (créés)
Ici \(A\) est triangulaire. Écrivons \(A=D+N\) avec \(D=\operatorname{diag}(2,3)\) et \(N=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}\) — mais \(DN\neq ND\), le binôme ne s'applique pas. On procède par récurrence : \(A^n=\begin{pmatrix}2^n&c_n\\0&3^n\end{pmatrix}\). De \(A^{n+1}=A^n A\) : \(c_{n+1}=2^n\cdot1+c_n\cdot3=2^n+3c_n\), \(c_1=1\).
Résolvons \(c_{n+1}=3c_n+2^n\) : solution \(c_n=3^n-2^n\) (on vérifie \(c_1=3-2=1\), et \(3(3^n-2^n)+2^n=3^{n+1}-2^{n+1}\) ✓).
\(N^2=\begin{pmatrix}0&0&3\\0&0&0\\0&0&0\end{pmatrix}\), \(N^3=0\) : \(N\) est nilpotente d'indice \(3\).
Comme \(I\) et \(N\) commutent, binôme : \((I+N)^n=I+nN+\binom n2N^2\) (les termes \(N^k=0\) pour \(k\geqslant3\)).
\(\operatorname{tr}A=5\), \(\det A=6-2=4\). Toute matrice \(2\times2\) vérifie \(A^2-(\operatorname{tr}A)A+(\det A)I=0\) (Cayley-Hamilton) :
\[ A^2-5A+4I=0. \]D'où \(A(A-5I)=-4I\), soit \(A^{-1}=\dfrac{5I-A}4=\dfrac14\begin{pmatrix}2&-1\\-2&3\end{pmatrix}\).
3. Correction intégrale du TD — Matrices
Feuille sans corrigé officiel : les 17 exercices sont résolus intégralement.
1) \(A=(a\ b\ c)\in M_{1,3}\), \(B=\begin{pmatrix}d\\e\\f\end{pmatrix}\in M_{3,1}\)
\(AB\) : \(1\times1\) ; \(BA\) : \(3\times3\)
2) \(A\in M_{n,p}\), \(B\in M_{p,q}\), \(C\in M_{q,n}\)
\(AB\) : \(n\times q\) ; \(BC\) : \(p\times n\) ; \(CA\) : \(q\times p\) ; \(ABC\) : \(n\times n\)
\(A+B\)
\(\begin{pmatrix}1&1\\5&2\end{pmatrix}\)
\(3A-B\)
\(\begin{pmatrix}7&3\\7&18\end{pmatrix}\)
\(A^2\)
\(\begin{pmatrix}7&7\\21&28\end{pmatrix}\)
\(B^2\)
\(\begin{pmatrix}1&0\\-8&9\end{pmatrix}\)
a) \(\begin{pmatrix}2&3\\1&-4\end{pmatrix}\begin{pmatrix}-5&7\\-3&4\end{pmatrix}\)
\(\begin{pmatrix}-19&26\\7&-9\end{pmatrix}\)
b) \(\begin{pmatrix}3&4&0\\-2&6&-3\\7&-4&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2\\5\\-1\end{pmatrix}\)
\(\begin{pmatrix}26\\29\\-7\end{pmatrix}\)
c) \(\begin{pmatrix}3&4&0\\-2&6&-3\\7&-4&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2&-5\\5&-6\\-1&-7\end{pmatrix}\)
\(\begin{pmatrix}26&-39\\29&-5\\-7&-18\end{pmatrix}\)
d) \((2\ \ 2\ \ -1)\begin{pmatrix}2&-5\\5&-6\\-1&-7\end{pmatrix}\)
\((15\ \ -15)\)
\(AB\) (\(2\times2\))
\(\begin{pmatrix}1&2\\14&7\end{pmatrix}\)
\(BA\) (\(3\times3\))
\(\begin{pmatrix}6&0&3\\-2&-1&0\\10&2&3\end{pmatrix}\)
\(AA^T\) (\(2\times2\))
\(\begin{pmatrix}5&7\\7&26\end{pmatrix}\)
\(BB^T\) (\(3\times3\))
\(\begin{pmatrix}2&-1&4\\-1&1&-3\\4&-3&10\end{pmatrix}\)
Comparaison : \(AB\neq BA\) (tailles différentes) ; \(AA^T\) et \(BB^T\) ont des tailles différentes. \(AA^T\) et \(BB^T\) sont symétriques.
1) \(M^2\), \(M^3\)
\(M^2=\begin{pmatrix}m^2&m+1\\0&1\end{pmatrix}\), \(M^3=\begin{pmatrix}m^3&m^2+m+1\\0&1\end{pmatrix}\)
2) Conjecture et preuve
On conjecture \(M^k=\begin{pmatrix}m^k&1+m+\cdots+m^{k-1}\\0&1\end{pmatrix}\). Récurrence : \(M^{k+1}=M^kM\) donne le coin haut-droit \(m^k\cdot1+(1+\cdots+m^{k-1})\cdot1=1+m+\cdots+m^k\).
\(B^2=\begin{pmatrix}0&0&1\\0&0&0\\0&0&0\end{pmatrix}\), \(B^3=0\) (nilpotente). Donc \(B^n=0\) pour \(n\geqslant3\).
\(A=I+B\), et \(I,B\) commutent : \(A^n=\sum_{k=0}^n\binom nk B^k=I+nB+\binom n2B^2\).
\(A^2=\begin{pmatrix}2&-2\\-2&2\end{pmatrix}=2A\), donc \(A^3=2A^2=4A\), et par récurrence \(A^n=2^{n-1}A\).
\(B^2=\begin{pmatrix}1&3\\0&4\end{pmatrix}\), \(B^3=\begin{pmatrix}1&7\\0&8\end{pmatrix}\). Conjecture \(B^n=\begin{pmatrix}1&2^n-1\\0&2^n\end{pmatrix}\), coin haut-droit \(1\cdot1+(2^n-1)\cdot2=2^{n+1}-1\) ✓.
Chaque ligne de \(A\) vaut \((1,2,3)\), et \((1,2,3)\cdot A=(1+2+3)(1,2,3)=6(1,2,3)\). Donc \(A^2=6A\).
1) \(A^2-5A+6I_2=0\)
\(A^2=\begin{pmatrix}14&-5\\10&-1\end{pmatrix}\), \(5A=\begin{pmatrix}20&-5\\10&5\end{pmatrix}\), \(6I=\begin{pmatrix}6&0\\0&6\end{pmatrix}\) : la somme donne \(0\) ✓.
2) Inverse
\(A(A-5I)=-6I\Rightarrow A^{-1}=\dfrac{5I-A}6=\dfrac16\begin{pmatrix}1&1\\-2&4\end{pmatrix}\).
1) Polynôme du 2ⁿᵈ degré annulateur
\(\operatorname{tr}A=5\), \(\det A=4\) : \(A^2-5A+4I=0\) (vérifié : \(A^2=\begin{pmatrix}6&-5\\-10&11\end{pmatrix}\)). Polynôme \(X^2-5X+4\).
2) Inverse
\(A(A-5I)=-4I\Rightarrow A^{-1}=\dfrac{5I-A}4=\dfrac14\begin{pmatrix}3&1\\2&2\end{pmatrix}\).
\(A=\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}\), \(\det=-2\)
\(A^{-1}=\begin{pmatrix}\frac12&\frac12\\\frac12&-\frac12\end{pmatrix}\)
\(B=\begin{pmatrix}1&2\\2&2\end{pmatrix}\), \(\det=-2\)
\(B^{-1}=\begin{pmatrix}-1&1\\1&-\frac12\end{pmatrix}\)
\(C=\begin{pmatrix}2&1\\-1&4\end{pmatrix}\), \(\det=9\)
\(C^{-1}=\frac19\begin{pmatrix}4&-1\\1&2\end{pmatrix}\)
\(D=\begin{pmatrix}1&-2\\-2&4\end{pmatrix}\), \(\det=0\)
Non inversible
\(E=\begin{pmatrix}4&1\\5&9\end{pmatrix}\), \(\det=31\)
\(E^{-1}=\frac1{31}\begin{pmatrix}9&-1\\-5&4\end{pmatrix}\)
1) \(A=\begin{pmatrix}-1&1&1\\1&-1&1\\1&1&-1\end{pmatrix}\)
\(A^2=\begin{pmatrix}3&-1&-1\\-1&3&-1\\-1&-1&3\end{pmatrix}=2I_3-A\). Donc \(A^2+A=2I\Rightarrow A(A+I)=2I\).
\(A^{-1}=\dfrac{A+I}2=\dfrac12\begin{pmatrix}0&1&1\\1&0&1\\1&1&0\end{pmatrix}\)
2) \(A=\begin{pmatrix}1&0&2\\0&-1&1\\1&-2&0\end{pmatrix}\)
\(A^2=\begin{pmatrix}3&-4&2\\1&-1&-1\\1&2&0\end{pmatrix}\), \(A^3=\begin{pmatrix}5&0&2\\0&3&1\\1&-2&4\end{pmatrix}\), d'où \(A^3-A=4I\Rightarrow A(A^2-I)=4I\).
\(A^{-1}=\dfrac{A^2-I}4=\dfrac14\begin{pmatrix}2&-4&2\\1&-2&-1\\1&2&-1\end{pmatrix}\)
1) Condition d'inversibilité
\(\det A=m^2-4\).
Inversible \(\iff m\neq\pm2\)
2) Inverse
\(A^{-1}=\dfrac1{m^2-4}\begin{pmatrix}m&-2\\-2&m\end{pmatrix}\)
Le produit vaut \(\begin{pmatrix}x-6&y-8\\-2x+12&-2y+16\end{pmatrix}\). L'identification donne \(x-6=-5\), \(y-8=-6\), \(-2x+12=10\), \(-2y+16=12\), soit \(x=1\), \(y=2\) (les deux équations restantes sont automatiquement vérifiées).
\(AX=\begin{pmatrix}x-2y\\-4x+8y\end{pmatrix}=0\). La seconde ligne \(=-4(x-2y)\) : une seule équation \(x=2y\). \(\det A=8-8=0\) : infinité de solutions.
1) \(P^{-1}\)
\(\det P=3-1=2\).
\(P^{-1}=\dfrac12\begin{pmatrix}-3&-1\\-1&-1\end{pmatrix}\)
2) \(M=PDP^{-1}\)
\(PD=\begin{pmatrix}-1&3\\1&-9\end{pmatrix}\), puis \((PD)P^{-1}=\dfrac12\begin{pmatrix}0&-2\\6&8\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&-1\\3&4\end{pmatrix}=M\) ✓.
3) \(M^n=PD^nP^{-1}\)
Récurrence : \(M^n=(PDP^{-1})^n=PD^nP^{-1}\) (les \(P^{-1}P=I\) se télescopent).
4) \(M^n\)
\(D^n=\begin{pmatrix}1&0\\0&3^n\end{pmatrix}\), \(PD^n=\begin{pmatrix}-1&3^n\\1&-3^{n+1}\end{pmatrix}\).
On calcule \((AB)(B^{-1}A^{-1})=A(BB^{-1})A^{-1}=A I A^{-1}=AA^{-1}=I\), et de même \((B^{-1}A^{-1})(AB)=B^{-1}(A^{-1}A)B=B^{-1}B=I\).
Donc \(B^{-1}A^{-1}\) est l'inverse de \(AB\) ; par unicité de l'inverse :
Module M02 (S2). Sources : Cours-Matrices-V2026.pdf et TD1-2026 Matrices. Corrigé rédigé intégralement (pas de corrigé officiel fourni).
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