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Université Paul Sabatier
Examen "Algèbre bilinéaire"
Durée: 2 heures
Documents, calculatrices et téléphones interdits. Justifiez toutes vos réponses.I - Forme quadratique sur les matrices2×2
On noteEl"espace vectoriel des matrices réelles de taille2×2. Pour toute matriceA?Eon pose q(A) = tr(A2).1. Montrer queqest une forme quadratique surE, et déterminer sa forme polaire (en cherchant à
minimiser les calculs...).Solution. (1.5 points)
qest une forme quadratique carq(A) =b(A,A)oùb: (A,B)?→tr(AB)est bilinéaire. Soit on justifie quebest symétrique en rappellant que même siAB?=BA, on a toujourstr(AB) = tr(BA), soit on trouve une expression plus symétrique à l"aide de la relationb(A,B) =14 (q(A+B)-q(A-B)), pour obtenir
b(A,B) =12 tr(AB) +12 tr(BA).2. Exprimerqdans la base canonique deE, donner une décomposition de Gauss deq, et en déduire
sa signature.Solution. (1.5 points)
Si on écritA=?a b
c d? on aA2=?a2+bc ... ... cb+d2? doncq(A) =a2+ 2bc+d2.Une décomposition de Gauss est
q(A) =a2+12 (b+c)2-12 (b-c)2+d2.La signature deqest(3,1).
3. À l"aide de la formule de Cayley-Hamilton, pour toutA?EexprimerA2en fonction deA,
tr(A)etdet(A).Solution. (1 point)
Le polynôme caractéristique deA=?a b
c d? est PA(X) =X2-(a+d)X+ad-bc=X2-tr(A)X-det(A).
En appliquant la formule de Cayley-HamiltonPA(A) = 0, on trouve A2= (trA)A-(detA)I2
On considère maintenant le sous-espaceF?Edes matrices de trace nulle.4. Montrer que pour toutA?Fon aq(A) =-2det(A).
Solution. (1 point)
Par la question précédente pourA?Fon aA2=-(detA)I2, et doncq(A) = tr(A2) = -2det(A).5. Donner la signature et déterminer une base orthogonale pour la restrictionq|F.
Solution. (2 points)
Si on écritA=?a b
c-a? on obtientdetA=-a2-bc, doncq(A) =-2det(A) = 2a2+ 2bc=2a2+12
(b+c)2-12 (b-c)2etqest de signature(2,1).Une base orthogonale (obtenue en prenant la base duale des formes linéaires de la décomposition)
est ?1 0 0-1? ,?0 1 -1 0? ,?0 1 1 0?II - Prolongement d"isométrie
SoitEun espace vectoriel,qune forme quadratique surE, etF?Eun sous-espace vectoriel. Pourles deux premières questions on attend que vous rappeliez sans justification le résultat du cours qui
donne une condition suffisante, et que vous justifiez en une phrase pourquoi elle est nécessaire.1. Donner une condition nécessaire et suffisante sur(E,q)pour quedimF+dimF?= dimE, pour
tout choix de sous-espaceF.Solution. (1.5 points)
La CNS est queqsoit non dégénérée.
Siqest non dégénérée, alors on a vu en cours quedimF+ dimF?= dimE. Siqest dégénérée, on peut prendreF=E, alorsF?= kerq){0}.2. Sans hypothèse particulière sur(E,q), donner une condition nécessaire et suffisante surFpour
queE=F?F?.Solution. (1.5 points)
La CNS est queFsoit régulier.
SiFest régulier, c"est-à-direq|Fnon dégénérée, alors on a vu en cours queE=F?F?. SiFest singulier, on aF∩F?){0}, et doncFetF?ne peuvent pas être en somme directe. On considère maintenantR3muni de la forme quadratique standardqde signature(2,1), c"est-à-dire q(x1,x2,x3) =x21+x22-x23.3. Donner un exemple de sous-espaceF?R3tel queR3ne soit pas la somme directe deFetF?.
Solution. (1 point)
On prendFune droite engendrée par un vecteur isotropev, par exemplev= (1,0,1). Alors F?F?, ce qui interdit queFetF?soient en somme directe. On rappelle queP?R3est unplan hyperboliquesiPest un sous-espace de dimension 2 tel que la formeq|Psoit de signature(1,1).quotesdbs_dbs2.pdfusesText_2[PDF] algèbre exercices
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