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Suite matrice

Posté par
rzgrx
20-04-22 à 00:42

Bonjour à tous,

J'espère que vous allez bien.

Je rencontre quelques difficultés sur des exercices de matrice de maths expertes. Voici l'énoncé :

A=\begin{pmatrix} 1 &0 &0 \\ 1& -1 &-1 \\ -1&4 &3 \end{pmatrix}

1. Déterminer la matrice carrée J d'ordre 3, telle que A=I3+J
2.Démontrer que pour tout entier naturel n\geq3, J^n=0
3. Démontrer que pour tout entier n, A^n=I3 +nJ + n(n+1)/2 *J²
4. En déduire la matrice A^n en fonction de l'entier naturel n
5. Justifier que pour tout entier naturel n, A^n-I3 n'est pas inversible

On considère la suite (Un) de matrices colonnes d'ordre 3 définie par :
U0=\begin{pmatrix} 3\\ 1\\ 3 \end{pmatrix} et pour tout entier n Un+1=AUn+B avec B=\begin{pmatrix} 0\\ 1\\ -3 \end{pmatrix}

6. Déterminer une matrice colonne C d'ordre 3 telle que C=AC+B
7. Démontrer que pour tout entier naturel n, Un=A^n(U0-C)+C
8. Déterminer l'expression de Un en fonction de l'entier naturel n.

Voilà où j'en suis :

1.  Aucun soucis, je trouve J=\begin{pmatrix} 0 &0 &0 \\ 1& -2 &-1 \\ -1 &4 &2 \end{pmatrix}

2. Pareil, je calcule jusqu'à les puissances de J et je trouve J^3=O3 donc pour tout entier naturel n supérieur ou égal à 3, J^n=03

3. J'ai utilisé un binôme de Newton et je retrouve la formule.

4. A l'aide de l'expression de A^n, j'exprime la matrice en fonction de n je trouve A^n=\begin{pmatrix} 1 &0 &0 \\ n-\frac{n(n-1)}{2}&1-2n &-n \\ n(n-1)-n& 4n &3 \end{pmatrix}

5.Je calcule A^n-I3, je trouve que la matrice correspondante à la première ligne avec des tous ses coefficients nuls, il n'existe donc aucune matrice tel que son produit avec la matrice A^n-I3 donne l'identité.

6. Je n'arrive pas à partir de cette question. En effet, lorsque je factorise par C, j'ai une matrice qui est non inversible donc je n'arrive pas à l'isoler. J'obtiens : (I3-A)C=B Or I3-A est une matrice non inversible, je ne vois donc pas comment on peut trouver une matrice C

7.
8.  Sans la matrice C, je ne peux pas faire la fin de l'exercice.

Pouvez-vous m'aider svp ? N'hésitez pas à me reprendre si la partie que j'ai faite n'est pas claire !

Merci d'avance.

Posté par
alfpfeu
re : Suite matrice 20-04-22 à 05:52

Bonjour,

Et si on essayait une méthode naive, la matrice colonne C peut s'écrire (a b c) en colonne avec a, b et c réels.
Que doivent vérifier a, b et c pour que C=AC+B ?

Merci

Posté par
lake
re : Suite matrice 20-04-22 à 10:58

Bonjour,

Juste une correction :

en 4) le dernier coefficient de ta matrice A^n n'est pas 3 mais plutôt 1+2n.

Posté par
rzgrx
re : Suite matrice 20-04-22 à 16:47

lake @ 20-04-2022 à 10:58

Bonjour,

Juste une correction :

en 4) le dernier coefficient de ta matrice A^n n'est pas 3 mais plutôt 1+2n.


Merci pour la correction, je n'ai pas fait attention.

Posté par
lake
re : Suite matrice 20-04-22 à 17:48

Pour la suite, la suggestion de alfpfeu est tout à fait judicieuse

Posté par
rzgrx
re : Suite matrice 20-04-22 à 17:54

alfpfeu @ 20-04-2022 à 05:52

Bonjour,

Et si on essayait une méthode naive, la matrice colonne C peut s'écrire (a b c) en colonne avec a, b et c réels.
Que doivent vérifier a, b et c pour que C=AC+B ?

Merci


Merci alfpfeu pour votre aide ! C'est bon, j'ai trouvé
Je ne sais pas si ma rédaction est correcte ou s'il y a une méthode plus simple, pouvez-vous jeter un coup d'oeil svp ?

6. On pose C=\begin{pmatrix} a\\ b\\ c \end{pmatrix} avec (a;b;c)\in R^{3}
S'il existe une matrice C tel que C=AC+B, alors les réels a, b et c vérifient :
\begin{cases} a = a \\ & b = a-b-c+1 \\ &c =-a+4b+3c-3 \end{cases}
J'ai posé b=t avec t un paramètre réel
après plusieurs implications, j'obtiens le système suivant :
\begin{cases} & \text{ } a=1 \\ & \text{ } b= t \\ & \text{ } c= 2-2t \end{cases}

Ainsi s'il existe une matrice C tel que C=AC+B alors les réels a,b et c vérifient le système \begin{cases} & \text{ } a=1 \\ & \text{ } b= t \\ & \text{ } c= 2-2t \end{cases}

On choisit t=0, on obtient le triplet (1;0;2) et donc la matrice C=\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 2 \end{pmatrix}

(j'aimerais être rigoureux, étant donné que j'ai raisonné par implication pour trouver le système, je vais vérifier que la matrice C vérifie l'égalité C=AC+B, est-ce utile ?)

Vérifions que si C=\begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 2 \end{pmatrix}, alors C vérifie C=AC+B

[j'ai calculé AC+B et je retrouve C donc l'égalité est vérifiée]


7. Ma méthode est longue, je ne sais pas s'il y a une méthode plus simple :

Pour tout entier naturel n, on pose Vn=Un-C
soit Vn+1=Un+1-C
=A*Un+B-C
=A*Un+B-(AC+B)
=A*Un+B-AC-B
=AUn-AC
A(Un-C)
=AVn
Ainsi pour tout entier naturel n, on a Vn+1=A*Vn

Démontrons pour tout entier n par récurrence la proposition  Pn : " Vn=A^n*V0"
[j'ai fait la récurrence, assez triviale]

D'après l'axiome de récurrence, pour tout entier n, Vn=A^n*V0.

Or Vn-Un=C<=>Un=Vn+C
d'où Un=A^n*V0+C (or V0=U0-C)
Un=A^n*(U0-C)+C

8. J'ai calculé d'après l'égalité que j'ai trouvé, et j'obtiens :
Un=\begin{pmatrix} 2\\ 1-n²\\ n²+(n+1)² \end{pmatrix}

Et voilà, c'était laborieux !
Merci encore alfpfeu et lake pour votre aide !

Posté par
lake
re : Suite matrice 20-04-22 à 19:12

En l'absence de alfpfeu, je me permets de répondre :

C=\begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix}

est correct.

Je passe sur l'initialisation de la récurrence et je m'occupe de l'hérédité :

Si U_n=A^n(U_0-C)+C (hypothèse de récurrence), alors :

  U_{n+1}=A.U_n+B=A[A^n(U_0-C)+C]+B=A^{n+1}(U_0-C)+\underbrace{AC+B}_{C}

U_{n+1}=A^{n+1}(U_0-C)+C

  et l'hérédité est prouvée.

On sait donc maintenant que U_n=\underbrace{A^n}_{\text{connu en fonction de }n}(U_0-C)+C
Je pense qu'il y a des erreurs dans 8). De mon côté, j'ai obtenu :

  U_n=\begin{pmatrix}3\\1-n^2\\2n^2+2n+3\end{pmatrix}

Posté par
rzgrx
re : Suite matrice 20-04-22 à 20:30

En effet, j'ai oublié d'additionner la matrice C, je retrouve la même matrice que vous.

Merci encore !

Posté par
lake
re : Suite matrice 20-04-22 à 21:24

De rien pour ma toute petite part rzgrx



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