TD — Matrices
Chapitre 01
ECT2 (2e année) — TD du Chapitre 01. Matrices carrées, inversibilité, puissances, formule du binôme, écriture matricielle des systèmes linéaires.
Exercice 1
Soient A = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 3 & 0 \end{pmatrix} et B = \begin{pmatrix} -1 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}.
- Calculer AB, BA, A^2, B^2.
- Vérifier que AB \neq BA.
- Calculer (A+B)^2 et vérifier que (A+B)^2 \neq A^2 + 2AB + B^2.
Exercice 2
Calculer les puissances A^2, A^3 puis A^n pour tout n \in \mathbb{N} des matrices suivantes :
- A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
- B = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}
- C = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}
Indication : Pour A, écrire A = I_2 + N avec N^2 = 0. Pour C, écrire C = I_3 + N avec N^3 = 0.
Exercice 3
Pour quelles valeurs de a les matrices suivantes sont-elles inversibles ? Calculer leur inverse le cas échéant.
- A = \begin{pmatrix} a & 1 \\ 1 & a \end{pmatrix}
- B = \begin{pmatrix} a & 1 \\ 0 & a \end{pmatrix}
- C = \begin{pmatrix} a & 0 & 1 \\ 0 & a & 0 \\ 1 & 0 & a \end{pmatrix}
Exercice 4
Résoudre les systèmes linéaires suivants par la méthode matricielle :
- \begin{cases} 3x + y = 7 \\ x - y = 2 \end{cases}
- \begin{cases} x + y + z = 6 \\ x - y + z = 2 \\ x + y - z = 2 \end{cases}
- \begin{cases} x + y + z = 1 \\ 2x + 2y + 2z = 2 \\ 3x + 3y + 3z = 3 \end{cases}
Que peut-on dire du nombre de solutions dans chaque cas ?
Exercice 5
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \end{pmatrix}.
- Calculer A^2.
- En déduire A^n pour tout n \in \mathbb{N}^*.
Exercice 6
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} et B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}.
- Calculer AB et BA.
- A et B sont-elles inversibles ? Calculer leurs inverses.
- Calculer (AB)^{-1} et vérifier que (AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}.
Exercice 7
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}.
- Écrire A = I_3 + N et calculer N^2, N^3.
- En utilisant la formule du binôme, calculer A^n pour tout n \in \mathbb{N}.
Exercice 8
Résoudre les systèmes suivants et discuter selon le paramètre a :
- \begin{cases} x + y = 1 \\ ax + y = 2 \end{cases}
- \begin{cases} x + y + z = 1 \\ x + ay + z = 2 \\ x + y + az = 3 \end{cases}
Exercice 9
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}.
- Calculer A^2, A^3, A^4.
- Établir une relation entre A^{n+2}, A^{n+1} et A^n.
- En déduire que A^n = F_n A + F_{n-1} I_2 où (F_n) est la suite de Fibonacci définie par F_0 = 0, F_1 = 1, F_{n+2} = F_{n+1} + F_n.
Exercice 10
Soit A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}.
- Vérifier que A est inversible et calculer A^{-1}.
- Calculer \operatorname{tr}(A) et \det(A).
- Vérifier que A^2 - 4A + 3I_2 = 0 (théorème de Cayley-Hamilton pour n=2).
- En déduire A^{-1} en fonction de A et I_2.
Exercice 11
Résoudre le système suivant par la méthode de Cramer : \begin{cases} x + 2y + z = 4 \\ x - y + z = 2 \\ x + y - z = 1 \end{cases}
On vérifie d’abord que le déterminant de la matrice du système est non nul.
Exercice 12
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & j & j^2 \\ 1 & j^2 & j \end{pmatrix} où j = e^{2i\pi/3}.
- Calculer A^2.
- En déduire que A est inversible et calculer A^{-1}.