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Exercice corrigé : Une algèbre de matrices (type CCINP)

Calculer des puissances par le binômeÉtudier l'inversibilité d'une famille de matricesUtiliser rang et trace d'un projecteurRédiger une copie de concours

Soit $n\ge2$ et $J\in\mathcal M_n(\mathbb R)$ la matrice dont tous les coefficients valent $1$. Pour $(a,b)\in\mathbb R^2$, on pose $M(a,b)=aI_n+bJ$ et $\mathcal E=\{M(a,b)\mid(a,b)\in\mathbb R^2\}$. On note $U\in\mathcal M_{n,1}(\mathbb R)$ la colonne dont tous les coefficients valent $1$.

  1. Calculer $J^2$, puis $J^k$ pour $k\ge1$. Donner le rang et la trace de $J$.
  2. Montrer que $\mathcal E$ est un sous-espace vectoriel de $\mathcal M_n(\mathbb R)$ de dimension $2$, stable par produit, et que deux éléments de $\mathcal E$ commutent.
  3. Pour $k\in\mathbb N$, montrer que $M(a,b)^k=a^kI_n+\dfrac{(a+nb)^k-a^k}{n}J$.
  4. Calculer $M(a,b)U$. Montrer que $M(a,b)$ est inversible si et seulement si $a\neq0$ et $a+nb\neq0$, et que son inverse est alors $M\Big(\dfrac1a,\,-\dfrac{b}{a(a+nb)}\Big)$.
  5. Application ($n=3$) : donner l'inverse et les puissances de $\begin{pmatrix}3&1&1\\1&3&1\\1&1&3\end{pmatrix}$.
  6. Déterminer les matrices $P\in\mathcal E$ telles que $P^2=P$, et donner le rang de chacune.

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Matrices

Notions à revoir

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