Ce contrôle de maths spé porte sur le thème suivant : théorème spectral et matrices positives.
Ce devoir surveillé de maths spé porte sur les endomorphismes autoadjoints et le théorème spectral. La question de cours demande l’énoncé du théorème et la caractérisation des matrices symétriques positives par leur spectre, avec démonstration.
Vous diagonaliserez ensuite une matrice symétrique d’ordre 3 dans une base orthonormée, puis vous étudierez les matrices de Gram et le quotient de Rayleigh. Le problème final, dans l’esprit des concours, construit la racine carrée d’une matrice positive et la décomposition polaire d’une matrice inversible. Durée : 3 heures, sans calculatrice. Soignez la vérification des hypothèses avant chaque théorème.
- Niveau : maths spé (MP)
- Chapitre : Endomorphismes autoadjoints et théorème spectral
- Durée conseillée : 3 heures
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 3 points ; exercice 4 : 3 points ; exercice 5 : 6 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : démontrer la caractérisation spectrale des matrices symétriques positives et définies positives
- Calculer : diagonaliser une matrice symétrique dans une base orthonormée
- Chercher : construire une racine carrée positive et en prouver l’unicité
- Communiquer : citer le théorème spectral et en vérifier les hypothèses
Exercice 1 : Question de cours (4 points)
Calculatrice interdite.
Dans tout le sujet, \(n \geq\, 1\) est un entier, \(\mathbb{R}^n\) est muni de son produit scalaire canonique \(\langle x, y \rangle = {^t x\, y\) et de la norme associée. On note \(\mathcal{S}_n(\mathbb{R})\) l’ensemble des matrices symétriques réelles, \(\mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\) celui des matrices symétriques positives (\(\langle Sx, x \rangle \geq\, 0\) pour tout \(x\)) et \(\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\) celui des matrices symétriques définies positives (\(\langle Sx, x \rangle > 0\) pour tout \(x \neq 0\)).
- Énoncez le théorème spectral, d’abord pour un endomorphisme autoadjoint d’un espace euclidien, puis sous forme matricielle. (1 point)
- Soit \(S \in \mathcal{S}_n(\mathbb{R})\). Démontrez que \(S \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\) si et seulement si \(\operatorname{Sp}(S) \subset \mathbb{R}_+\). (2 points)
- Énoncez et démontrez la caractérisation spectrale analogue de \(\mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\). (1 point)
Exercice 2 : Diagonalisation orthogonale d’une matrice symétrique (4 points)
On considère la matrice
\[A = \begin{pmatrix} 2 -2 0 \\ -2 1 -2 \\ 0 -2 0 \end{pmatrix}.\]
- Justifiez, sans aucun calcul, que \(A\) est diagonalisable dans une base orthonormée de \(\mathbb{R}^3\). (0,5 point)
- Calculez le polynôme caractéristique de \(A\) et déterminez ses valeurs propres. (1 point)
- Déterminez une matrice orthogonale \(P\) et une matrice diagonale \(D\) telles que \(A = P D\, {^t P\). (1,5 point)
- La matrice \(A\) est-elle positive ? Déterminez l’ensemble des réels \(c\) tels que \(A + c I_3 \in \mathcal{S}_3^{++}(\mathbb{R})\). (1 point)
Exercice 3 : Matrices de Gram (3 points)
Soit \(A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) et \(S = {^t A A\).
- Montrez que \(S \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\). (1 point)
- Montrez que \(\ker S = \ker A\). Déduisez-en que \(S \in \mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\) si et seulement si \(A\) est inversible. (1 point)
- Réciproquement, montrez que toute matrice de \(\mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\) s’écrit \({^t B B\) avec \(B \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R})\). (1 point)
Exercice 4 : Quotient de Rayleigh (3 points)
Soit \(S \in \mathcal{S}_n(\mathbb{R})\), de valeurs propres \(\lambda_1 \leq\, \lambda_2 \leq\, \cdots \leq\, \lambda_n\) comptées avec multiplicité.
- Démontrez que, pour tout \(x \in \mathbb{R}^n\), \(\lambda_1 \|x\|^2 \leq\, \langle Sx, x \rangle \leq\, \lambda_n \|x\|^2\). (1,5 point)
- Montrez que \(\lambda_n = \max\limits_{\|x\| = 1} \langle Sx, x \rangle\) et précisez en quels vecteurs ce maximum est atteint. (0,5 point)
- Application : déterminez le maximum et le minimum de \(q(x, y, z) = 2x^2 + y^2 – 4xy – 4yz\) sur la sphère unité \(x^2 + y^2 + z^2 = 1\), ainsi que des points où ils sont atteints. On pourra utiliser l’exercice 2. (1 point)
Exercice 5 : Problème : racine carrée et décomposition polaire (6 points)
Ce problème construit la racine carrée d’une matrice symétrique positive, puis la décomposition polaire d’une matrice inversible. On note \(\mathcal{O}_n(\mathbb{R})\) le groupe orthogonal.
- Soit \(S \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\). À l’aide du théorème spectral, construisez une matrice \(R \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\) telle que \(R^2 = S\). (1 point)
- Soit \(R^{\prime} \in \mathcal{S}_n^+(\mathbb{R})\) telle que \(R^{\prime 2} = S\). Montrez que \(R^{\prime}\) commute avec \(S\), puis que \(R^{\prime}\) laisse stable chaque sous-espace propre \(E_\lambda(S)\). En étudiant l’endomorphisme induit sur \(E_\lambda(S)\), montrez que \(R^{\prime} = R\). (1,5 point)
- Soit \(M \in GL_n(\mathbb{R})\). Montrez qu’il existe un unique couple \((O, R) \in \mathcal{O}_n(\mathbb{R}) \times \mathcal{S}_n^{++}(\mathbb{R})\) tel que \(M = OR\). (1,5 point)
- Déterminez la décomposition polaire de \(M = \begin{pmatrix} 1 2 \\ -2 -1 \end{pmatrix}\) et donnez la nature géométrique de \(O\). (1 point)
- Pour la matrice \(M\) de la question d, déterminez \(\max\limits_{\|x\| = 1} \|Mx\|\) et \(\min\limits_{\|x\| = 1} \|Mx\|\) ; décrivez l’image par \(M\) du cercle unité. (1 point)
Réviser avant le contrôle : théorème spectral et matrices positives
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Théorème spectral » en maths spé puis entraînez-vous avec les exercices corrigés théorème spectral.
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