نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2015: الرياضيات 2 - شعبة MP لولوج مدارس المهندسين
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باختصار
هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين لدى المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) (2015)، منشور على وظيفة إنفو للاطلاع والتحميل المجاني بصيغة PDF مع تصحيح مقترح.
- الجهة المنظمة
- المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية)
- الدرجة
- مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين
- التخصص
- الرياضيات 2
- الدورة
- 2015
- عدد الصفحات
- 5
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
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ROYAUME DU MAROC
Ministère de l'Enseignement Supérieur,
de la Formation des Cadres et de la Recherche Scientifique
Présidence du Concours National Commun 2015
École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique
2
ENSEM
CONCOURS NATIONAL COMMUN
d’Admission dans les Établissements de Formation
d'Ingénieurs et Établissements Assimilés
Édition 2015
ÉPREUVE DES MATHÉMATIQUES II
Filière MP
Durée 4 heures
cette épreuve comporte 4 pages au format A4, en plus de cette page de garde
L'usage de la calculatrice est interdit
Page de garde
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Concours National Commun - Session 2015 - MP
L'énoncé de cette épreuve, particulière aux candidats de la filière MP,
comporte 4 pages.
L'usage de tout matériel électronique, y compris la calculatrice, est interdit.
Les candidats sont informés que la qualité d,e la rédaction et de la présentation, la clarté et la précision des
raisonnements constitueront des éléments importants pour l'appréciation des copies. Il convient en particulier de
rappeler avec précision les des questions abordées.
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale sur sa copie et
poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.
Quelques propriétés du groupe spécial orthogonal
Application à la non continuité de la diagonalisation
On sait que toute matrice M, carrée réelle d'ordre n › 2, dont le polynôme caractéristique est scindé sur R, à
racines simples, est diagonalisable ; c’est à dire que M est conjuguée à une matrice diagonale. On se demande ici si l’on
peut réaliser cette diagonalisation de manière continue ; autrement dit :
Peut-on choisir la matrice réelle coniuguant M à une matrice diagonale de façon à ce qu'elle dépende continûment
de M ?
Le but de ce problème est de démontrer que cela n’est pas possible sur tout l’ensemble des matrices
carrées réelles d'ordre n ayant n valeurs propres réelles deux à deux distinctes.
Notations et rappels
Soit n un entier › 2; si م € N*, on note ,(R) l'espace vectoriel des matrices à coefficients réels, à n
lignes et p colonnes. Si م = n, Æn,p(R) est noté simplement .#,(R), c'est l'algèbre des matrices carrées réelles
d’ordre n ; 1, désignera la matrice identité de .#,(R) et GL,, (R) le groupe des matrices inversibles (groupe
linéaire).
Si A € ,(R), on note Tr(A) sa trace, det(A) son déterminant et x 4 son polynôme caractéristique ; il est
défini par :
VA EeR, لطاب = det(AI, — A).
Sip € N° et M € Æ,(R), ‘M désigne la matrice transposée de M. Une matrice de ,(R) est dite
symétrique si elle coïncide avec sa transposée. L'ensemble des matrices symétriques de #,(l) se notera
Fn(R), c'est un sous-espace vectoriel de #n(R).
Le produit scalaire canonique de .#,,1(R) se notera › , › et la norme associée sera noté ||.|» ; il est défini
On note %, la partie de ,(R) formée des matrices ayant n valeurs propres réelles deux à deux
distinctes.
Dans ce problème, l'espace vectoriel , (IR) est muni de l’une de ses normes.
196 Partie
Résultats préliminaires
1.1. Étude de l’ensemble و
1.1.2. Montrer que les applications A + Tr(A) et A + det A, définies sur #2(IR) et à valeurs réelles, sont
continues.
1.1.3. Montrer que % est un ouvert non vide de #(R).
1.1.4. Dans le plan R*, dessiner le graphe de la fonction = + 7 puis préciser, en l’'hachurant sur le
même graphique, la partie de R? correspondant à l’ensemble {(Tr(A), det A) ; A € %}-.
Épreuve de Mathématiques II 1/4 Tournez la page S.V.P.
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Concours National Commun - Session 2015 - MP
Justifier que toute matrice de % est diagonalisable dans .#2(R) et construire une application
1 : K4 + Æ2(R) continue, à valeurs dans GLz(R) et telle que, pour tout M € #(R), la matrice
f(M)-*M f (M) soit diagonale.
1.2. Commutant d’une matrice diagonale
Soient a1,…, مه des réels deux à deux distincts et soit A € .#,(R) la matrice diagonale de coefficients
diagonaux égaux à ممه ,… بره respectivement : À = diag(ay, …, An):
1.2.1. On pose @(A) = {M € Æ,(R) : MA = AM}. Montrer que @(A) est l’ensemble des matrices
diagonales de #7 (R).
1.2.2. Soient U,V € GL,(R). Montrer que UAU-! = VAV! si, et seulement si, la matrice V-!U est
diagonale.
1.3. Une CNS de conjugaison à une matrice diagonale
Soit (M, P) € #,,(R) x GL,, (R) et soit D € .#,,(R) une matrice diagonale. Montrer que P-1MP = D si,
et seulement si, les coefficients diagonaux de D sont les valeurs propres de M et les vecteurs colonnes
de P sont des vecteurs propres de M.
Que Partie
Quelques propriétés du groupe spécial orthogonal SO, (R)
2.1. Montrer que 6,(R) est un sous-groupe du groupe linéaire GL2(R) et que SO, (R) est un sous-groupe
du groupe 6(R).
2.3. Le groupe SO, (R) est connexe par arcs
On définit l'application © : R + .#(R) par : ®(0) = ( 4050 0 ,0 61
080 sin0
2.3.1. Montrer que l'application © est continue.
2.3.2. Montrer que ®(R) = SO2(R).
2.3.3. Justifier que SOz7(R) est une partie connexe par arcs de #2(R).
2.4. Le groupe SO. (R) est connexe par arcs pour n › 3
2.4.1. 5117 € 67 (R) ; on rappelle qu'il existe une matrice P € 6, (R), des entiers naturels .م q et r vérifiant
و + وز + 27 =n,et, sir # 0, des réels 6,,…, 0 éléments de ]0, 2x[\{r}, tels que la matrice P-!UP
soit diagonale par blocs de la forme
1
—sinôk مقو
sinô, 080
Montrer alors que U € SO, (R) si, et seulement si, q est paire.
(i) Montrer qu’il existe P € 6,(R), des entiers naturels م et s vérifiant p + 2s = n, et des réels
6,,., 0, éléments de ]0, 2x|, tels que la matrice 17-177 soit diagonale par blocs de la forme
P'UP = 1 Ré MAS cos 0 sin 04 15
(0) sin0, cosô,
Épreuve de Mathématiques II 2/4 Tournez la page S.V.P.
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Concours National Commun - Session 2015 - MP
(ii) Les notations étant celles de la question (i), on définit l'application 1 : [0,1] + #,(R) par :
1
Montrer que 1: est continue, à valeurs dans SO, (R) puis que (0) = I, et (1) = U.
2.43. En utilisant ce qui précède, montrer soigneusement que SO, (IR) est une partie connexe par arcs de
Ad, (R). Pour connecter deux matrices رن et Us dans SO, (R), on pourra d’abord commencer par
connecter chacune d'elles à la matrice /,,,
2.6. Soit A € ,,(R) une matrice quelconque.
2.5.1. Montrer que l'application M +‘ M, définie sur #, (R), est continue.
2.5.2. Justifier que l'application U + U7!, définie sur SO, (IR), est continue.
2.5.3. En déduire que {VU AU! ; U € SO, (R)} est une partie connexe par arcs de #,,(R).
3ème partie
Non continuité de la diagonalisation dans tout l’ouvert %
On suppose qu'il existe une application fa : % — 2(R) continue, à valeurs dans GL»(R) et telle que,
pour tout M € %, la matrice f2(M)-! M fa(M) soit diagonale.
3.1. On considère M € % MN .72(R) et on note C, (M) (resp. C2(M)) la première (resp. la deuxième) colonne
de la matrice f2(M).
3.1.1. Montrer que C,(M) et C,(M) sont des vecteurs propres de M associés à des valeurs propres
distinctes et prouver qu'ils sont orthogonaux dans (.#,1(R), ‹, ›).
3.1.2. Justifier que la matrice dont la première (resp. la deuxième) colonne est dr ( resp.
1 \4H 2
Ca(M)
حت ) est orthogonale.
[CDs 5
On note a(M) le déterminant de la matrice décrite ci-dessus et g2(M) € #2(R) la matrice dont pre-
mière(resp. la deuxième) colonne est a( M) نت ( resp. تحبا )
7 000001: TOADTE
3.1.3. Vérifier que g2(M) € و50 )(
On dispose ainsi d’une application ول : وو ١ لاك + Æ2(R) à valeurs dans SO2(R).
3.14. Montrer que وو est continue et que, pour tout M € % 0 (R), la matrice go(M)-! Mg2(M) est
diagonale.
a 0
0 8
3.2.1. Montrer que l’ensemble #5 = {VU AU”! ; U € SOs(R)} est une partie de % N 72(R).
Dans la suite de cette partie, on note ho la restriction de وو à وك = (UBU—* ; U € SO2(R)}.
3.2. On considère une matrice diagonale B = ( ) € Æ(R), avec a # 8.
3.2.2. Montrer que, pour tout M € روك la matrice h,(M)-! Mha(M) est diagonale et est semblable à B.
Quelles en sont les valeurs possibles ?
3.2.3. En déduire que l'application M + ha(M)7*Mha(M) est constante sur .وى
3.2.4. Montrer que l’on peut se ramener au cas où ha(M)-! Mha(M) = B, pour tout M € .وى
3.3. On reprend les notations de la questions 3.2. précédente et on suppose désormais que, pour toute
matrice M € روك ha(M)7}Mha(M) = B.
3.3.1. Montrer que, pour tout U € SO,(R), la matrice h,(U BU-!)-'U est diagonale puis justifier qu’elle
est égale à +1.
3.3.2. Soient وم : SO2(R) + ول x {—12, Ia} et ba : ولك x {—1», I2} ج SOz(R) les applications définies
Montrer que وم et t'a sont des bijections réciproques l’une de l’autre.
Épreuve de Mathématiques II 3/4 Tournez la page S.V.P.
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Concours National Commun - Session 2015 - MP
3.3.3. Montrer que l'application U + Tr(h,(U BU-!)"'U), définie sur SO2(R) et à valeurs réelles, est
continue et a pour ensemble image la paire {—2, 2}.
3.3.4. Trouver une contradiction et conclure qu’une telle application fa n'existe pas.
4ème Partie
Non continuité de la diagonalisation dans tout l’ouvert %, pour n › 3
Dans cette partie, on admet que % est un ouvert de .#(R) et on suppose qu’il existe une appli-
cation fn : % › Æa(R) continue, à valeurs dans GL,(R) et telle que, pour tout M € %, la matrice
fo(M)-"Mf(M) soit diagonale.
4.1 On considère M € 7 N 7n(R) et on note C, (M) la k-ième colonne de la matrice f.(M), pour tout
Tél 1000 117 170) est une base orthonormée de l'espace eucli-
71 2 ال 2
4.1.1. Montrer que la famille (
Dans la suite de cette partie, on note (M) le déterminant, dans la base canonique, de la famille
————....,—— | et on désigne par gn(M) € #n(R) la matrice dont la k-ième colonne vaut
( 160 TON) 0" A parmi € Alt
(M وصور بو et vaut pp اج زرو
AOTE ON لعجا #4 رنيج
4.1.2. Justifier que gn(M) € SO (R).
On dispose ainsi d’une application :و Up À ج لماك , (R) à valeurs dans SO, (R).
4.1.3. Montrer que مو est continue et que, pour tout M € %, N S,(R), la matrice g9,(M)-'Ug,(M) est
diagonale.
4.2. On considère des réels ييه an deux à deux distincts et on note A € #(R) la matrice diagonale de
coefficients diagonaux égaux à ay , …, Op respectivement : À = diag(ay , …, Œn)-
4.2.1. Montrer que l’ensemble 74 = {U AUT ! : U€ SO. (R) } est une partie de 76 N #7 (R).
Dans la suite de cette partie, on note h, la restriction de g, à Ja = (U AU! ; U € SO, (R)}.
4.2.2. Montrer que l'application M + h,(M)-*Mh,(M), définie sur 74, ne prend qu’un nombre fini de
valeurs. Combien exactement ?
4.2.3. Justifier alors que l'application M + hn(M)7*Mhn (M), définie sur ررك est constante.
4.2.4. Montrer qu’on peut se ramener au cas où h,(M)-! Mh,(M) = À, pour tout M € بيك
4.3. On reprend les notations de la questions 4.2. précédente et on suppose désormais que, pour toute
matrice M € ررك hn(M)*Mh, (M) = A.
4.3.1. Montrer que, pour tout U € 6,(R), h, (U AU-!)‘U est une matrice diagonale de SO, (R).
4.3.2. On note م2 l'ensemble des matrices diagonales de SO, (R). Montrer que 2 est fini et déterminer
son cardinal.
4.3.3. Soient :مم SO,(R) ج Ja X م2 et Vo : Ja x 2. — SO,(R) les applications définies par :
Montrer que وص et ون sont des bijections réciproques l’une de l'autre.
43.4. Montrer que l'application U جر Tr(h, (UAU)-!)"'U) définie sur SO, (R) et à valeurs réelles, est
continue et a pour ensemble image Tr(9,).
4.3.5. Trouver une contradiction et conclure qu’une telle application fn n'existe pas.
FIN DE L'ÉPREUVE
Épreuve de Mathématiques II 4/4 FIN
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✅ التصحيح المقترح
هذا تصحيح مقترح من إعداد فريق wadifa-info لمساعدتك على فهم منهجية الإجابة — وليس تصحيحاً رسمياً صادراً عن الإدارة المنظِّمة. أسئلة هذا الامتحان محررة بالفرنسية، لذلك التصحيح محرر بالفرنسية أيضاً.
Cette épreuve est la Mathématiques II du Concours National Commun (CNC) 2015, filière MP, organisé par la présidence du CNC (ENSEM) pour l'admission dans les écoles d'ingénieurs marocaines. Durée : 4 heures, calculatrice interdite, 4 pages. C'est un problème d'algèbre linéaire et de topologie en quatre parties : « Quelques propriétés du groupe spécial orthogonal — Application à la non continuité de la diagonalisation ». On montre que SOn(ℝ) est connexe par arcs, puis qu'il est impossible de choisir continûment une matrice de passage diagonalisant toutes les matrices de 𝒰n (matrices réelles à n valeurs propres réelles distinctes). Voici une correction méthodologique proposée.
💡 Avant de commencer : le fil conducteur est simple : une application continue sur un connexe par arcs (SOn(ℝ)) et à valeurs dans un ensemble fini est constante. Toute la partie 2 prépare cette connexité, les parties 3 et 4 construisent une fonction continue à valeurs dans un ensemble fini qui prend au moins deux valeurs. Le sujet contient plusieurs coquilles (signalées ci-dessous) : signalez-les sur la copie comme le demande l'énoncé et continuez.
1re partie — Résultats préliminaires
1.1.1. Description de 𝒰2
Pour A ∈ ℳ2(ℝ), χA(λ) = λ2 − Tr(A)λ + det A. A a deux valeurs propres réelles distinctes si et seulement si ce trinôme a deux racines réelles distinctes, c'est-à-dire si son discriminant est strictement positif : 𝒰2 = {A ; (Tr A)2 − 4 det A > 0}.
1.1.2. Continuité de Tr et det
Tr est linéaire sur un espace de dimension finie, donc continue. Les applications coordonnées A ↦ aij sont linéaires, donc continues. Comme det A = a11a22 − a12a21 est un polynôme en ces coordonnées, det est continue.
1.1.3. 𝒰2 est un ouvert non vide
φ : A ↦ (Tr A)2 − 4 det A est continue, et 𝒰2 = φ−1(]0, +∞[) est l'image réciproque d'un ouvert par une application continue, donc c'est un ouvert. Il est non vide puisque diag(0, 1) ∈ 𝒰2 (φ = 1 > 0).
1.1.4. Dessin
Le graphe de x ↦ x2/4 est une parabole de sommet O, tournée vers le haut. L'ensemble {(Tr A, det A) ; A ∈ 𝒰2} est la région strictement au-dessous de la parabole : {(t, d) ; d < t2/4}, parabole exclue. On a l'inclusion par 1.1.1. Réciproquement, si d < t2/4, la matrice compagnon (0, −d ; 1, t) a pour trace t et pour déterminant d, donc chaque point est atteint. C'est cette zone qu'il faut hachurer.
1.1.5. Diagonalisation continue sur 𝒱2
Si M ∈ 𝒰2, χM est scindé à racines simples, donc M est diagonalisable (deux sous-espaces propres de dimension 1 en dimension 2). Pour M = (a, b ; c, d) ∈ 𝒱2, on pose Δ(M) = (a+d)2 − 4(ad − bc) = (a − d)2 + 4bc > 0 et λ± = (a + d ± √Δ)/2. La première ligne de (M − λI2)X = 0 donne (a − λ)x + by = 0, donc Xλ = (b, λ − a) est un vecteur propre non nul (b ≠ 0). On pose :
f(M) = ( b b ; λ+ − a λ− − a ), avec det f(M) = b(λ− − λ+) = −b√Δ ≠ 0.
f est continue (√ est continue sur ]0, +∞[ et Δ est polynomiale), à valeurs dans GL2(ℝ), et f(M)−1Mf(M) = diag(λ+, λ−) d'après 1.3. Coquille : il faut lire « pour tout M ∈ 𝒱2 » et non « M ∈ ℳ2(ℝ) ». Le problème montrera qu'on ne peut pas étendre cela à tout 𝒰2.
1.2.1. Commutant de A = diag(α1, …, αn)
(MA)ij = mijαj et (AM)ij = αimij. Donc MA = AM ⇔ mij(αi − αj) = 0 pour tous i, j ⇔ mij = 0 pour i ≠ j, car les αi sont distincts. 𝒞(A) est l'ensemble des matrices diagonales.
1.2.2.
UAU−1 = VAV−1 ⇔ V−1UA = AV−1U (on multiplie à gauche par V−1 et à droite par U) ⇔ V−1U ∈ 𝒞(A) ⇔ V−1U est diagonale.
1.3. CNS de conjugaison
On note D = diag(d1, …, dn) et Cj les colonnes de P. Alors P−1MP = D ⇔ MP = PD ⇔ MCj = djCj pour tout j. Comme P est inversible, Cj ≠ 0 : Cj est un vecteur propre associé à dj (correspondance colonne par colonne), et dj est une valeur propre. Réciproquement, si chaque Cj est un vecteur propre associé à dj, on obtient MP = PD.
2e partie — Propriétés de SOn(ℝ)
2.1. Sous-groupes
Si tAA = In, alors (det A)2 = 1, donc 𝒪n(ℝ) ⊂ GLn(ℝ) (l'énoncé écrit GL2, coquille). In ∈ 𝒪n. Si A, B ∈ 𝒪n, alors B−1 = tB et t(AB−1)(AB−1) = B tA A tB = BtB = In. 𝒪n(ℝ) est un sous-groupe de GLn(ℝ). Ensuite, det : 𝒪n → {−1, 1} est un morphisme de groupes, et SOn = Ker(det) est un sous-groupe de 𝒪n.
2.2. SO2(ℝ)
Soit A = (a, c ; b, d) ∈ 𝒪2. Ses colonnes sont orthonormées : a2 + b2 = 1, c2 + d2 = 1 et ac + bd = 0. Donc (c, d) est unitaire et orthogonal à (a, b), d'où (c, d) = ε(−b, a) avec ε = ±1. Alors det A = ε(a2 + b2) = ε, et det A = 1 impose ε = 1. Réciproquement, (a, −b ; b, a) avec a2 + b2 = 1 vérifie tAA = I2 et det = 1. SO2 = {(a, −b ; b, a) ; a2 + b2 = 1}.
2.3. SO2(ℝ) est connexe par arcs
Coquille : la seconde ligne de Φ(θ) est imprimée « cos θ, sin θ ». Il faut lire Φ(θ) = (cos θ, −sin θ ; sin θ, cos θ), comme en 2.4.1.
- 2.3.1. Les coefficients de Φ sont cos et sin, qui sont continues, donc Φ est continue.
- 2.3.2. Φ(θ) ∈ SO2 par 2.2 (a = cos θ, b = sin θ). Réciproquement, si a2 + b2 = 1, il existe θ tel que a = cos θ et b = sin θ. Donc Φ(ℝ) = SO2(ℝ).
- 2.3.3. Si U1 = Φ(θ1) et U2 = Φ(θ2), le chemin t ↦ Φ((1 − t)θ1 + tθ2), t ∈ [0, 1], est continu et reste dans SO2. SO2(ℝ) est connexe par arcs (image continue du connexe ℝ).
2.4.1. U ∈ SOn ⇔ q pair
det U = det(P−1UP) = 1p · (−1)q · Π det Φ(θk) = (−1)q, car det Φ(θk) = cos2 + sin2 = 1. Comme U ∈ 𝒪n, U ∈ SOn ⇔ (−1)q = 1 ⇔ q pair.
2.4.2. (i) Réduction de U ∈ SOn
q est pair, q = 2m. Comme −I2 = Φ(π), le bloc −Iq se découpe en m blocs Φ(π). On obtient la forme demandée avec s = r + m, p inchangé, p + 2s = p + q + 2r = n, et des angles dans ]0, 2π[ (π est désormais permis). Les indices vont de 1 à s (l'énoncé écrit θr, coquille).
(ii) Le chemin Γ
Coquille importante : telle qu'imprimée, Γ(t) ne dépend pas de t. Il faut lire Γ(t) = P diag(Ip, Φ(tθ1), …, Φ(tθs)) P−1.
- Continuité : les coefficients de la matrice centrale sont des fonctions continues (cos(tθk), sin(tθk), 0, 1), et M ↦ PMP−1 est linéaire, donc continue.
- La matrice centrale est orthogonale (blocs orthogonaux) de déterminant 1, et P ∈ 𝒪n. Γ(t) est donc un produit d'éléments de 𝒪n de déterminant 1 : Γ(t) ∈ SOn.
- Γ(0) = P In P−1 = In et Γ(1) = P(P−1UP)P−1 = U.
2.4.3. SOn est connexe par arcs
Tout U ∈ SOn est relié à In par un chemin γU continu dans SOn avec γU(0) = In et γU(1) = U (le chemin constant si U = In, Γ sinon). Pour U1, U2, on pose γ(t) = γU1(1 − 2t) pour t ∈ [0, 1/2] et γ(t) = γU2(2t − 1) pour t ∈ [1/2, 1]. Les deux formules valent In en t = 1/2, donc γ est continue, à valeurs dans SOn, et relie U1 à U2. SOn(ℝ) est connexe par arcs.
2.5 (numérotée 2.6 dans le sujet). Orbite UAU−1
- 2.5.1. M ↦ tM est linéaire en dimension finie, donc continue.
- 2.5.2. Sur SOn, U−1 = tU : l'inversion est la restriction d'une application continue, donc elle est continue.
- 2.5.3. U ↦ UAtU est continue (le produit matriciel est bilinéaire en dimension finie, donc continu). L'image continue d'un connexe par arcs est connexe par arcs. Si γ relie U1 à U2, alors t ↦ γ(t)Atγ(t) relie U1AU1−1 à U2AU2−1. {UAU−1 ; U ∈ SOn} est connexe par arcs.
3e partie — Non continuité sur 𝒰2
3.1.1.
f2(M)−1Mf2(M) = diag(λ1, λ2). D'après 1.3, MCi = λiCi avec Ci ≠ 0. Cette diagonale est formée des valeurs propres de M, qui sont distinctes puisque M ∈ 𝒰2, donc λ1 ≠ λ2. M est symétrique, donc λ1<C1, C2> = t(MC1)C2 = tC1MC2 = λ2<C1, C2>, d'où <C1, C2> = 0.
3.1.2.
Les colonnes normalisées forment une famille orthonormée de ℳ2,1(ℝ), donc la matrice Q(M) correspondante vérifie tQQ = I2 : elle est orthogonale.
3.1.3.
α(M) = det Q(M) ∈ {−1, 1} et g2(M) = Q(M) diag(α(M), 1). C'est un produit de deux matrices orthogonales, de déterminant α(M)2 = 1 : g2(M) ∈ SO2(ℝ).
3.1.4.
M ↦ f2(M) est continue, l'extraction d'une colonne est linéaire et la norme est continue et ne s'annule pas (Ci ≠ 0). Donc M ↦ Ci/‖Ci‖2 est continue, α = det ∘ Q est continue et g2 est continue. Les colonnes de g2(M) sont des multiples non nuls de C1 et C2, donc restent des vecteurs propres associés à λ1 et λ2. Par 1.3, g2(M)−1Mg2(M) = diag(λ1, λ2).
3.2.1.
Pour U ∈ SO2, t(UBtU) = UBtU, donc UBU−1 est symétrique. Elle est semblable à B, donc ses valeurs propres sont α ≠ β. Ainsi 𝒮B ⊂ 𝒰2 ∩ 𝒮2(ℝ).
3.2.2.
h2(M)−1Mh2(M) est diagonale (3.1.4) et semblable à M, elle-même semblable à B. Une matrice diagonale semblable à B a pour diagonale les valeurs propres α, β dans un certain ordre. Deux valeurs possibles : B = diag(α, β) ou B' = diag(β, α).
3.2.3.
𝒮B est connexe par arcs (2.5.3). La fonction réelle M ↦ [h2(M)−1Mh2(M)]11 est continue (inversion continue sur GL2, produit continu) et à valeurs dans {α, β}. Son image est un connexe de ℝ, c'est-à-dire un intervalle, contenu dans {α, β} : c'est un singleton. L'application est constante sur 𝒮B.
3.2.4.
Si la constante vaut B', on remplace h2 par M ↦ h2(M)R avec R = Φ(π/2) = (0, −1 ; 1, 0) ∈ SO2. On vérifie que R−1B'R = B : Re1 = e2, et R−1B'Re1 = R−1(αe2) = αe1, de même pour e2. La nouvelle application reste continue, à valeurs dans SO2, et h2(M)−1Mh2(M) = B sur 𝒮B.
3.3.1.
Soit M = UBU−1 et h = h2(M). De h−1UBU−1h = B on tire (h−1U)B = B(h−1U). Donc h−1U ∈ 𝒞(B), qui est formé de matrices diagonales (1.2.1, α ≠ β). C'est aussi un élément de SO2 (groupe). Une matrice diagonale diag(a, d) de SO2 vérifie a2 = d2 = 1 et ad = 1, d'où h2(UBU−1)−1U = ±I2.
3.3.2. φ2 et ψ2 réciproques
- ψ2(φ2(U)) = h2(UBU−1) · h2(UBU−1)−1U = U.
- Soit (M, D) ∈ 𝒮B × {±I2} et U = h2(M)D ∈ SO2 (det(−I2) = 1). D commute avec B, donc UBU−1 = h2(M)Bh2(M)−1 = M. Ensuite h2(M)−1U = D, d'où φ2(ψ2(M, D)) = (M, D).
φ2 et ψ2 sont des bijections réciproques.
3.3.3.
T : U ↦ Tr(h2(UBU−1)−1U) est continue comme composée d'applications continues (conjugaison, h2, inversion sur GL2, produit, trace). Ses valeurs sont Tr(±I2) = ±2. La surjectivité de φ2 donne les deux valeurs : T(h2(B)) = 2 et T(−h2(B)) = −2. Image = {−2, 2}.
3.3.4. Conclusion
SO2 est connexe par arcs et T est continue, donc T(SO2) est un intervalle de ℝ. Or {−2, 2} n'est pas un intervalle : c'est une contradiction. Il n'existe pas d'application continue f2 diagonalisant toutes les matrices de 𝒰2, et même pas sur 𝒰2 ∩ 𝒮2(ℝ). Comparez avec 1.1.5, où c'est possible sur 𝒱2.
4e partie — Cas n ≥ 3
4.1.1.
Comme en 3.1.1, Ck est un vecteur propre associé à λk, et les λk sont les n valeurs propres distinctes de M. M est symétrique, donc les Ck sont deux à deux orthogonaux. Normalisés, ils forment une famille orthonormée de n vecteurs en dimension n : c'est une base orthonormée.
4.1.2.
α(M) = ±1 (déterminant d'une base orthonormée dans une base orthonormée) et gn(M) = Q(M) diag(α(M), 1, …, 1) est orthogonale de déterminant α2 = 1. Donc gn(M) ∈ SOn.
4.1.3.
La continuité se démontre exactement comme en 3.1.4. Les colonnes de gn(M) restent des vecteurs propres, donc gn(M)−1Mgn(M) est diagonale (le sujet écrit « U » au lieu de M, coquille).
4.2.1.
UAtU est symétrique et semblable à A, dont les n valeurs propres sont distinctes : 𝒮A ⊂ 𝒰n ∩ 𝒮n(ℝ).
4.2.2.
hn(M)−1Mhn(M) est diagonale et semblable à A. Sa diagonale est donc une permutation de (α1, …, αn) : elle vaut diag(ασ(1), …, ασ(n)) avec σ ∈ 𝔖n. Ces matrices sont deux à deux distinctes (αi distincts). Il y a donc au plus n! valeurs possibles (n! matrices candidates). La question suivante montre qu'une seule est réellement prise.
4.2.3.
𝒮A est connexe par arcs (2.5.3). Chaque coefficient diagonal de hn(M)−1Mhn(M) est une fonction continue à valeurs dans l'ensemble fini {α1, …, αn}, donc constante (théorème des valeurs intermédiaires le long d'un chemin). L'application est constante.
4.2.4.
Si la constante est Δ = diag(ασ(i)), soit Pσ une matrice de permutation telle que Pσ−1ΔPσ = A. Si det Pσ = −1, on la remplace par Q = Pσ diag(−1, 1, …, 1) : les matrices diagonales commutent, donc Q−1ΔQ = A encore, et Q ∈ SOn. On remplace alors hn par hnQ, qui reste continue, à valeurs dans SOn, et vérifie hn(M)−1Mhn(M) = A.
4.3.1.
Comme en 3.3.1, hn(UAU−1)−1U commute avec A, donc elle est diagonale (1.2.1). Elle appartient aussi à SOn si U ∈ SOn. Coquille : l'énoncé écrit U ∈ 𝒪n(ℝ), mais pour det U = −1 le produit aurait un déterminant −1. Il faut lire U ∈ SOn(ℝ).
4.3.2. Cardinal de 𝒟n
Une matrice diagonale orthogonale a ses coefficients dans {±1}, et det = 1 impose un nombre pair de −1. L'application qui change le signe du premier coefficient échange les matrices de déterminant 1 et celles de déterminant −1, parmi les 2n matrices diag(±1). Donc card 𝒟n = 2n−1.
4.3.3.
On reprend le calcul de 3.3.2 : ψn ∘ φn = id, et pour (M, D), U = hn(M)D donne UAU−1 = M (D commute avec A) et hn(M)−1U = D. φn et ψn sont des bijections réciproques (le sujet écrit φ2, ψ2, coquille).
4.3.4.
Tn : U ↦ Tr(hn(UAU−1)−1U) est continue (composée d'applications continues). Ses valeurs sont les Tr(D), D ∈ 𝒟n, et toutes sont atteintes grâce à la surjectivité de φn (U = hn(A)D). Image = Tr(𝒟n) = {n − 2k ; k pair, 0 ≤ k ≤ n}.
4.3.5. Conclusion
Tr(𝒟n) est fini et contient au moins deux valeurs : n (D = In) et n − 4 (deux coefficients −1, possible car n ≥ 3). Or l'image de SOn, connexe par arcs (2.4.3), par Tn continue est un intervalle : un intervalle fini à au moins deux points est impossible. Contradiction : fn n'existe pas. On ne peut pas choisir continûment la matrice de passage sur 𝒰n, même en se limitant aux matrices symétriques.
💡 Ce sujet résume trois réflexes du programme MP à maîtriser : (1) topologie en dimension finie : continuité des applications linéaires, polynomiales (det), de l'inversion sur GLn ; ouverts définis par des inégalités strictes ; image continue d'un connexe par arcs ; une fonction continue sur un connexe à valeurs dans un ensemble fini est constante ; (2) réduction : commutant d'une matrice diagonale à valeurs propres distinctes, lien entre colonnes de P et vecteurs propres, théorème spectral (vecteurs propres orthogonaux pour une matrice symétrique) ; (3) groupe orthogonal : description de SO2, réduction des isométries en blocs de rotation, déterminant ±1. Avant le CNC, entraînez-vous à rédiger proprement les recollements de chemins (2.4.3) et à signaler les coquilles d'énoncé au lieu de bloquer dessus.
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المصدر: مباريات ولوج المدارس والمعاهد العليا
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