Calcul matriciel

Exercices types : 22ème partie - Exercice 2

10 min
25
Question 1
On considère les matrices A=(011121112)A=\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right) et I3=(100010001)I_{3}=\left(\begin{array}{ccc} {1} & {0} & {0} \\ {0} & {1} & {0} \\ {0} & {0} & {1} \end{array}\right)

Pour tout entier n2n\ge2 , démontrer que : An=(2n1)A+(22n)I3A^{n} =\left(2^{n} -1\right)A+\left(2-2^{n} \right)I_{3}

Correction
Pour tout entier naturel n2n\ge2 , posons la propriété Pn:An=(2n1)A+(22n)I3P_{n} : A^{n} =\left(2^{n} -1\right)A+\left(2-2^{n} \right)I_{3}
Etape d’initialisation :\red{\text{Etape d'initialisation :}}
Il va falloir calculer A2A^{2}
D’une part :\purple{\text{D'une part :}} Calculons A2A^{2}
A2=A×A=(011121112)(011121112)(011121112)A^{2} =A\times A=\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right){\mathop{\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right)}\limits^{\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right)}}
A2=A×A=(011121112)(0×0+1×(1)+(1)×10×1+1×2+(1)×(1)0×(1)+1×(1)+(1)×2(1)×0+2×(1)+(1)×1(1)×1+2×2+(1)×(1)(1)×(1)+2×(1)+(1)×21×0+(1)×(1)+2×11×1+(1)×2+2×(1)1×(1)+(1)×(1)+2×2)(011121112)A^{2} =A\times A=\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right){\mathop{\left(\begin{array}{ccc} {0\times 0+1\times \left(-1\right)+\left(-1\right)\times 1} & {0\times 1+1\times 2+\left(-1\right)\times \left(-1\right)} & {0\times \left(-1\right)+1\times \left(-1\right)+\left(-1\right)\times 2} \\ {\left(-1\right)\times 0+2\times \left(-1\right)+\left(-1\right)\times 1} & {\left(-1\right)\times 1+2\times 2+\left(-1\right)\times \left(-1\right)} & {\left(-1\right)\times \left(-1\right)+2\times \left(-1\right)+\left(-1\right)\times 2} \\ {1\times 0+\left(-1\right)\times \left(-1\right)+2\times 1} & {1\times 1+\left(-1\right)\times 2+2\times \left(-1\right)} & {1\times \left(-1\right)+\left(-1\right)\times \left(-1\right)+2\times 2} \end{array}\right)}\limits^{\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right)}}
A2=A×A=(011121112)(233343334)(011121112)A^{2} =A\times A=\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right){\mathop{\left(\begin{array}{ccc} {-2} & {3} & {-3} \\ {-3} & {4} & {-3} \\ {3} & {-3} & {4} \end{array}\right)}\limits^{\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right)}}
D’autre part :\purple{\text{D'autre part :}} Calculons (221)A+(222)I3\left(2^{2} -1\right)A+\left(2-2^{2} \right)I_{3}
(221)A+(222)I3=3A2I3\left(2^{2} -1\right)A+\left(2-2^{2} \right)I_{3} =3A-2I_{3}
(221)A+(222)I3=3(011121112)2(100010001)\left(2^{2} -1\right)A+\left(2-2^{2} \right)I_{3} =3\left(\begin{array}{ccc} {0} & {1} & {-1} \\ {-1} & {2} & {-1} \\ {1} & {-1} & {2} \end{array}\right)-2\left(\begin{array}{ccc} {1} & {0} & {0} \\ {0} & {1} & {0} \\ {0} & {0} & {1} \end{array}\right)
(221)A+(222)I3=(033363336)(200020002)\left(2^{2} -1\right)A+\left(2-2^{2} \right)I_{3} =\left(\begin{array}{ccc} {0} & {3} & {-3} \\ {-3} & {6} & {-3} \\ {3} & {-3} & {6} \end{array}\right)-\left(\begin{array}{ccc} {2} & {0} & {0} \\ {0} & {2} & {0} \\ {0} & {0} & {2} \end{array}\right)
(221)A+(222)I3=(023336233362)\left(2^{2} -1\right)A+\left(2-2^{2} \right)I_{3} =\left(\begin{array}{ccc} {0-2} & {3} & {-3} \\ {-3} & {6-2} & {-3} \\ {3} & {-3} & {6-2} \end{array}\right)
(221)A+(222)I3=(233343334)\left(2^{2} -1\right)A+\left(2-2^{2} \right)I_{3} =\left(\begin{array}{ccc} {-2} & {3} & {-3} \\ {-3} & {4} & {-3} \\ {3} & {-3} & {4} \end{array}\right)
(221)A+(222)I3=A2\left(2^{2} -1\right)A+\left(2-2^{2} \right)I_{3} =A^{2}
La propriété P2P_{2} est vraie.
Etape d’heˊreˊditeˊ :\red{\text{Etape d'hérédité :}}
On suppose qu'il existe un entier k2k\ge2 tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire Ak=(2k1)A+(22k)I3A^{k} =\left(2^{k} -1\right)A+\left(2-2^{k} \right)I_{3} et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire Ak+1=(2k+11)A+(22k+1)I3A^{k+1} =\left(2^{k+1} -1\right)A+\left(2-2^{k+1} \right)I_{3}
Ainsi :
Ak+1=Ak×AA^{k+1} =A^{k} \times A
Ak+1=((2k1)A+(22k)I3)×AA^{k+1} =\left(\left(2^{k} -1\right)A+\left(2-2^{k} \right)I_{3} \right)\times A
Ak+1=(2k1)A×A+(22k)I3×AA^{k+1} =\left(2^{k} -1\right)A\times A+\left(2-2^{k} \right)I_{3} \times A
Ak+1=(2k1)A2+(22k)AA^{k+1} =\left(2^{k} -1\right)\red{A^{2}} +\left(2-2^{k} \right)A .         \;\;\;\; Or d'après l'étape initialisation on a :A2=3A2I3\red{A^{2} =3A-2I_{3}}
Ak+1=(2k1)(3A2I3)+(22k)AA^{k+1} =\left(2^{k} -1\right)\left(3A-2I_{3} \right)+\left(2-2^{k} \right)A
Ak+1=2k×3A+2k×(2I3)3A+2I3+2A2kAA^{k+1} =2^{k} \times 3A+2^{k} \times \left(-2I_{3} \right)-3A+2I_{3} +2A-2^{k} A
Ak+1=2k×3A2k×2×I33A+2I3+2A2kAA^{k+1} =2^{k} \times 3A-2^{k} \times 2\times I_{3} -3A+2I_{3} +2A-2^{k} A
Ak+1=2k×3A2k+1×I3A+2I32kAA^{k+1} =2^{k} \times 3A-2^{k+1} \times I_{3} -A+2I_{3} -2^{k} A
Ak+1=2k×2A2k+1×I3A+2I3A^{k+1} =2^{k} \times 2A-2^{k+1} \times I_{3} -A+2I_{3}
Ak+1=2k+1×A2k+1×I3A+2I3A^{k+1} =2^{k+1} \times A-2^{k+1} \times I_{3} -A+2I_{3}
Ak+1=2k+1×AA+2I32k+1×I3A^{k+1} =2^{k+1} \times \blue{A}-\blue{A}+2\purple{I_{3}} -2^{k+1} \times \purple{I_{3}}
Ak+1=(2k+11)A+(22k+1)I3A^{k+1} =\left(2^{k+1} -1\right)\blue{A}+\left(2-2^{k+1} \right)\purple{I_{3}}
Ainsi la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
Conclusion :\red{\text{Conclusion :}}
Puisque la propriété P2P_{2} est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier n2n\ge2 , on a PnP_{n} vraie, c'est à dire que pour tout entier naturel n2n\ge2 , on a bien :
An=(2n1)A+(22n)I3A^{n} =\left(2^{n} -1\right)A+\left(2-2^{n} \right)I_{3}