Exercice 1 Localisation des valeurs propres 1 Rappeler et démontrer le théorème de Gershgorin 2 Localiser les valeurs propres des matrices suivantes
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Brève communication Localisation de valeurs propres, régions de
larité sur les matrices correspond à un théorème de localisation de valeurs propres Le plus matrice diagonale associée, A est aussi valeur propre de X~ XAX
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43,boulev arddu11novembre1918Spécialité:Mathématiques
69622Villeurbanne cedex,FranceAnalysenumériqueL3- Automne2015
Séried'exercices n
o 4/6Recherchedevaleurspr opres
Résolutionnumériqued'équations nonlinéairesQuelquesrappelssur lesvaleurs propres
1.Lesvaleurs propresdeA!M
n,n (R)sontles!telsqu'il existeun vecteurx!R n qui vérifieAx=!x.Ondit quexestunv ecteurpropreassocié à!.2.Lesvaleur propresdeAsontlesracines dupolynômecaractéristique deA,
P(!)=det(A"!I
n3.Unematrice A!M
n,n (R)possèdenvaleursproprescomplexes. ATTENTION:unematriceréelle peutav oirdesv aleursproprescomple xes.4.DeuxmatricesAetBsontdites semblabless'ilexisteune matriceinv ersiblePtelleque
A=P "1 BP.Deuxmatrices semblablesont lesmêmesv aleurspropres.5.unematriceAestdiagonalisable s'ilexiste unematriceDdiagonale(composéede valeurs
"1DP.SiA!M
n,n (R)possède6.SoitA!M
n,n (R),ile xisteunematrice unitaireUtellequeU "1AUsoittriangulaire.
7.SiA!M
n,n (R)estnormale (i.e.A T A=AA T ),ile xisteunematrice unitaireUtelleque U "1AUsoitdiagonale.
8.SiA!M
n,n (R)estsymétrique( i.e.A=A T ),ile xisteunematrice orthogonaleOtelle queO "1AOsoitdiagonaleet réelle.
9.SiA!M
n,n (R)estorthogonale( i.e.A T A=AA T =I n ),ile xisteunematrice unitaireU tellequeU "1AUsoitdiagonalea vec desvaleurspropresdemodule1.
Exercice1.Localisationdesvaleur spropr es
1.Rappeleretdémontrer lethéorème deGershgorin.
2.Localiserlesv aleurspropresdes matricessuivantes
A= 12"1 270"105 ,B= 1023
"12"1 013 C= 12"1 031
106
,D= 210
131
012 1
Exercice2.Méthodedela puissance
a)Calculerlesv aleurspropreset lesvecteurspropresde A= 100"91 b)Quedonnela méthodedela puissancepourla matriceAenpartantde x 0 =(2,1) T c)Calculerlesv aleurspropreset lesvecteurspropresv 1 etv 2 de A= 1"3 "31 d)Exprimerx 0 =(1,0) T enfonctionde v 1 etv 2 .Endéduire l'expressionde A k x 0 ,puisde A k x 0 /#A k x 0 #econclure.
Exercice3.Pointsfixesattractifset répulsifs
1.SoientI$Runintervalle ouvertetg:I%Iunefonctionde classeC
1 .Soitx !I unpointfix edeg.Pourx 0 !Idonnéonconsidère lasuite définieparrécurrence parla relation x p+1 =g(x p ),pourtout p!N.Danstoutecette partie,pourtout h>0,nousnoterons V
h l'intervallefermé[x "h,x +h]. (a)Onsuppose que|g (x )|<1.Montrerqu'ile xisteh>0avecV
h $Itelquepour toutx 0 !V h ,onait x p !V h ,pour toutp!Netqu'enplus lasuite (x p p$N convergeversx quandptendvers +&.Onditalors quex
estunpoint attractifdeg. (b)Onsuppose maintenant|g (x )|>1.Montrerqu'ile xisteh>0avecV
h $Itelquepour toutx 0 !V h {x }onait |g(x 0 )"x |>|x 0 "xOns'éloignedu pointfix ex
silepoint dedépart n'estpasx .Dansce casondit que lepointfix eest répulsif.2.Soitf:R%Rdonnéepar f(x)=x
3 "4x+1.Onse proposederésoudre numériquement l'équation f(x)=0(E). (a)Montrerquel'équa tion(E)admet3racines réellesnotéesa 1 ,a 2 eta 3 avec "5 2 Montrerqueseul a 2 estunpoint fixe attractifde".Conclure. (c)Montrerque pourx> 1 4 l'équation(E)estéquiv alenteàx=" (x),où (x)= 4" 1 xMontreralorsque a
3 estunpoint fixeattractif de" (d)Montrerque pourx<0l'équation(E)estéquiv alenteàx=" (x),où (x)=" 4" 1 xMontreralors quea
1 estunpoint fixe attractifde" Exercice4.ConvergenceglobalepartielleSoitf:R%Runefonctionde classeC 2 .Onsuppose qu'ile xiste#!Rracinedef(c'està diref(#)=0)tellesque lesfonctions f,f etf ne s'annulentpassur l'intervalle]#,+&[etonttoutes lemêmesigne sur]#,+&[(ellessontsoit touteslestrois strictementpositi ves,soit strictementnégati ves).Onconsidèrela suite(x
k k$N réelledéfiniepar récurrenceparla relation x 0 #donné,etx k+1 =x k f(x k f (x k pourtoutk!N.1.Soitp!Ntelquel'élément x
p soitbiendéfini avec enplus x pMontrerque x
p+1 estbiendéfini etqu'ile xistec p !]#,x p [telque x p+1 (x p 2 f (c p 2f (x pEndéduireque lasuite(x
k k$N estbiendéfinie etquepour toutk!Nonax k2.Montrerque lasuite (x
k k$N estdécroissante.En déduireque lim k%+& x k3.Supposonsenplus quef
(#)'=0etf (#)'=0.Quelest l'ordredecon vergence delasuite (x k k$N4.Application:supposonsque fsoitunpolynôme dedegré n,ayantnracinesréellesdis-
tinctesetsoit #!Rlaplusgrande racinedef. Montrerqueles hypothèses despontsprécédents sontsatisfaites.Quepeut-onen déduire?Exercice5.MéthodedeNe wton.
1.Oncherche àcalculer leszérosde f:R%R,x(%x
2 "2. (a)Montrerquechacun deszérosde fpeutêtreapproché parlaméthode deNewton. (b)Écrireexpl icitementlarelationderécurrencevérifiéeparlessuites desitérés. (c)L'algorithmeest-ilglobalementdéfini ? 32.Ons'intéresse ausystèmeen(x
1 ,x 2 )!R 2 "5x 1 +2sinx 1 +2cosx 2 =0, "5x 2 +2sinx 2 +2cosx 1 =0. (a)Récrirelarecherche desolutionsau systèmeprécédentcomme larecherche dezéros d'unecertainefonction f:R 2 %R 2 (b)Montrerquechacun deszérosév entuelsdefpeutêtre approchéparla méthodedeNewton.
(c)Écrirelarelation derécurrence vérifiéeparla suitedesitérées etjustifierque l'algo-
rithmeestglobalement biendéfini. 4