Suites et matrices : chaînes de Markov

Exercices types : 11ère partie - Exercice 1

35 min
55
COMPETENCES  :  1°)  Communiquer.{\color{red}\underline{COMPETENCES}\;:\;1°)\;Communiquer.}     \;\; 2°)  Modeˊliser.{\color{red}2°)\;Modéliser.}     \;\; 3°)  Raisonner.{\color{red}3°)\;Raisonner.}     \;\; 4°)  Calculer.{\color{red}4°)\;Calculer.}
Question 1
Dans une ville, une enseigne de banque nationale possède deux agences, appelées XX et YY.
D’une année sur l’autre, une partie des fonds de l’agence XX est transférée à l’agence YY, et réciproquement.
De plus, chaque année, le siège de la banque transfère une certaine somme à chaque agence.
Soit nn un entier naturel. On note xnx_{n} la quantité de fonds détenue par l’agence XX, et yny_{n} la quantité de
fonds détenue par l’agence YY au 11er janvier de l’année 2014+n2014+n, exprimées en millions d’euros.
On note UnU_n la matrice (xnyn){\left(\begin{array}{c} {x_{n} } \\ {y_{n} }\end{array}\right)} et on note I=(1001).I=\left(\begin{array}{cc} {1} & {0} \\ {0} & {1} \end{array}\right).
On suppose que le 11er janvier de l’année 20142014, l’agence XX possède 5050 millions d’euros et l’agence YY possède 1010 millions d’euros.
L’évolution de la quantité de fonds est régie par la relation suivante :
                                                                            \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;Un+1=AUn+BU_{n+1} =AU_{n} +BA=(0,60,150,20,4)A=\left(\begin{array}{cc} {0,6} & {0,15} \\ {0,2} & {0,4} \end{array}\right) et B=(13)B=\left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \end{array}\right)

Ecrire la relation matricielle Un+1=AUn+BU_{n+1} =AU_{n} +B sous une forme d'un système linéaire.

Correction
Un+1=AUn+BU_{n+1} =AU_{n} +BA=(0,60,150,20,4)A=\left(\begin{array}{cc} {0,6} & {0,15} \\ {0,2} & {0,4} \end{array}\right) et B=(13)B=\left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \end{array}\right)
Un+1=AUn+BU_{n+1} =AU_{n} +B équivaut successivement à :
(xn+1yn+1)=(0,60,150,20,4)×(xnyn)+(13)\left(\begin{array}{c} {x_{n+1} } \\ {y_{n+1} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} {0,6} & {0,15} \\ {0,2} & {0,4} \end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c} {x_{n} } \\ {y_{n} } \end{array}\right)+\left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \end{array}\right)
Il vient alors que : {xn+1=0,6xn+0,15yn+1yn+1=0,2xn+0,4yn+3\left\{\begin{array}{ccc} {x_{n+1} } & {=} & {0,6x_{n} +0,15y_{n} +1} \\ {y_{n+1} } & {=} & {0,2x_{n} +0,4y_{n} +3} \end{array}\right.
Question 2

Interpréter dans le contexte de l’exercice le coefficient 0,60,6 de la matrice AA et le coefficient 33 de la matrice BB.

Correction
  • Le coefficient 0,60,6 de la matrice AA correspond au pourcentage de la somme qui reste d’une année sur l’autre à l’agence XX.
  • Le coefficient 33 de la matrice BB correspond à la somme (en millions d’euros) qui est rajoutée chaque année à l’agence YY.
  • Question 3

    Donner la matrice U0U_{0} puis calculer la quantité de fonds détenue par chacune des agences XX et YY en 20152015, exprimée en millions d’euros.

    Correction
    On suppose que le 11er janvier de l’année 20142014, l’agence XX possède 5050 millions d’euros et l’agence YY possède 1010 millions d’euros.
    Cette phrase se traduit par la matrice U0=(5010)U_{0}=\left(\begin{array}{c} {50} \\ {10} \end{array}\right)
    Dans ce cas, la quantité de fonds détenue par chacune des agences XX et YY en 20152015 correspond à la matrice U1U_{1}.
    Comme Un+1=AUn+BU_{n+1} =AU_{n} +B on peut alors écrire que : U1=AU0+BU_{1} =AU_{0} +B
    Il vient alors que :
    U1=AU0+BU_{1} =AU_{0} +B équivaut successivement à :
    (x1y1)=(0,60,150,20,4)×(5010)+(13)\left(\begin{array}{c} {x_{1} } \\ {y_{1} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc} {0,6} & {0,15} \\ {0,2} & {0,4} \end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c} {50} \\ {10} \end{array}\right)+\left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \end{array}\right)
    (x1y1)=(0,6×50+0,15×100,2×50+0,4×10)+(13)\left(\begin{array}{c} {x_{1} } \\ {y_{1} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} {0,6\times 50+0,15\times 10} \\ {0,2\times 50+0,4\times 10} \end{array}\right)+\left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \end{array}\right)
    (x1y1)=(31,514)+(13)\left(\begin{array}{c} {x_{1} } \\ {y_{1} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} {31,5} \\ {14} \end{array}\right)+\left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \end{array}\right)
    Ainsi :
    (x1y1)=(32,517)\left(\begin{array}{c} {x_{1} } \\ {y_{1} } \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} {32,5} \\ {17} \end{array}\right)

    En 20152015, il y a donc 32,532,5 millions d’euros dans l’agence XX et 1717 millions d’euros dans l’agence YY.
    Question 4
    On note D=(0,3000,7),P=(1322)D=\left(\begin{array}{cc} {0,3} & {0} \\ {0} & {0,7} \end{array}\right), P=\left(\begin{array}{cc} {1} & {3} \\ {-2} & {2} \end{array}\right) et Q=(0,250,3750,250,125).Q=\left(\begin{array}{cc} {0,25} & {-0,375} \\ {0,25} & {0,125} \end{array}\right).

    A l'aide de la calculatrice donner le résultat de la matrice PDQPDQ.

    Correction
    Avec la calculatrice, on obtient PDQ=APDQ=A
    Question 5

    Expliciter le calcul du coefficient de la première ligne et de la deuxième colonne du produit matriciel QPQP. Dans la suite, on admettra que QP=IQP = I .

    Correction
    On a :
    QP=(0,250,3750,250,125)×(1322)QP=\left(\begin{array}{cc} {\red{0,25}} & {\red{-0,375}} \\ {0,25} & {0,125} \end{array}\right)\times \left(\begin{array}{cc} {{\color{blue}{1}}} & {3} \\ {{\color{blue}{-2}}} & {2} \end{array}\right)
    Le coefficient situé sur la première ligne et la deuxième colonne de la matrice QPQP est donc :
    0,25×1+(0,375)×(2)=1\red{0,25}\times{\color{blue}{1}}+\left(\red{-0,375}\right)\times\left({\color{blue}{-2}}\right)=1
    Dans la suite, on admettra que QP=IQP = I ce qui signifie que : QP=(1001)QP = \left(\begin{array}{cc} {1} & {0} \\ {0} & {1} \end{array}\right)
    Question 6
    On admettra dans la suite de cet exercice que pour tout entier naturel non nul nn, An=PDnQ.A^{n} = PD^{n}Q.
    On pose pour tout entier naturel nn, Vn=Un(5203)V_{n} =U_{n}-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right) .

    Démontrer que pour tout entier naturel nn, Vn+1=AVnV_{n+1} = AV_{n}.

    Correction
    Pour tout entier naturel nn, on a :
    Vn=Un(5203)V_{n} =U_{n}-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Vn+1=Un+1(5203)V_{n+1} =U_{n+1}-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right) . Or Un+1=AUn+B\red{U_{n+1} =AU_{n} +B}
    Vn+1=AUn+B(5203)V_{n+1} =\red{AU_{n} +B}-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right) . De plus, comme Vn=Un(5203)V_{n} =U_{n}-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right) alors Un=Vn+(5203)U_{n} =V_{n}+\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Cela nous donne :
    Vn+1=A(Vn+(5203))+B(5203)V_{n+1} =A\left(V_{n} +\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3} } \end{array}\right)\right)+B-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Vn+1=A×Vn+A×(5203)+B(5203)V_{n+1} =A\times V_{n} +A\times \left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3} } \end{array}\right) +B-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Vn+1=A×Vn+(0,60,150,20,4)×(5203)+(13)(5203)V_{n+1} =A\times V_{n} +\left(\begin{array}{cc} {0,6} & {0,15} \\ {0,2} & {0,4} \end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3} } \end{array}\right) +\left(\begin{array}{c} {1} \\ {3} \end{array}\right)-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Vn+1=A×Vn+(0,60,150,20,4)×(5203)+(4113)V_{n+1} =A\times V_{n} +\left(\begin{array}{cc} {0,6} & {0,15} \\ {0,2} & {0,4} \end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3} } \end{array}\right) +\left(\begin{array}{c} {-4} \\ {-\frac{11}{3}} \end{array}\right)
    Vn+1=A×Vn+(0,6×5+0,15×2030,2×5+0,4×203)+(4113)V_{n+1} =A\times V_{n} +\left(\begin{array}{c} {0,6\times 5+0,15\times \frac{20}{3} } \\ {0,2\times 5+0,4\times \frac{20}{3} } \end{array}\right)+\left(\begin{array}{c} {-4} \\ {-\frac{11}{3}} \end{array}\right)
    Vn+1=A×Vn+(4113)+(4113)V_{n+1} =A\times V_{n} +\left(\begin{array}{c} {4 } \\ { \frac{11}{3} } \end{array}\right)+\left(\begin{array}{c} {-4} \\ {-\frac{11}{3}} \end{array}\right)
    Finalement :
    Vn+1=A×VnV_{n+1} =A\times V_{n}
    Question 7

    Déterminer V0V_{0} puis pour tout entier naturel nn, donner l’expression de VnV_{n} en fonction de A,nA, n et V0.V_{0}.

    Correction
    Pour tout entier naturel nn, Vn=Un(5203)V_{n} =U_{n}-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right) .
    Ce qui nous permet d'écrire :
    V0=U0(5203)V_{0} =U_{0}-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right) . U0=(5010)U_{0}=\left(\begin{array}{c} {50} \\ {10} \end{array}\right)
    V0=(5010)(5203)V_{0} =\left(\begin{array}{c} {50} \\ {10} \end{array}\right)-\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Ainsi :
    V0=(45103)V_{0} =\left(\begin{array}{c} {45} \\ {\frac{10}{3}} \end{array}\right) et pour tout entier naturel nn, on a : Vn+1=A×VnV_{n+1} =A\times V_{n}
    Soient AA une matrice carrée d'ordre pp (pp entier naturel) et (Un)\left(U_{n}\right) une suite de matrice colonnes à pp lignes telles que pour tout entier naturel nn, on a : Un+1=AUnU_{n+1} =AU_{n}
    Alors pour tout entier naturel nn, on a : Un=AnU0U_{n} =A^{n}U_{0}
    D'après le rappel, il en résulte, que pour tout entier naturel nn, on a : Vn=AnV0V_{n} =A^{n}V_{0}
    Question 8
    Soit nn un entier naturel. On admet que :
                                                            \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;An=(0,25×0,3n+0,75×0,7n0,375(0,3n+0,7n)0,5(0,3n+0,7n)0,75×0,3n+0,25×0,7n)A^{n}=\left(\begin{array}{cc} {0,25\times0,3^{n}+0,75\times 0,7^{n}} & {0,375(-0,3^{n}+0,7^{n})} \\ {0,5(-0,3^{n}+0,7^{n})} & {0,75\times0,3^{n}+0,25\times 0,7^{n}} \end{array}\right)

    Déterminer le coefficient de la première ligne de la matrice VnV_{n} en détaillant les calculs.

    Correction
    D'après la question précédente, nous savons que : Vn=AnV0V_{n} =A^{n}V_{0}
    Ainsi :
    Vn=AnV0V_{n} =A^{n}V_{0}
    Vn=(0,25×0,3n+0,75×0,7n0,375(0,3n+0,7n)0,5(0,3n+0,7n)0,75×0,3n+0,25×0,7n)×(45103)V_{n} =\left(\begin{array}{cc} {\red{0,25\times0,3^{n}+0,75\times 0,7^{n}}} & {\red{0,375\left(-0,3^{n}+0,7^{n}\right)}} \\ {0,5(-0,3^{n}+0,7^{n})} & {0,75\times0,3^{n}+0,25\times 0,7^{n}} \end{array}\right)\times \left(\begin{array}{c} {{\color{blue}{45}}} \\ {{\color{blue}{\frac{10}{3}}}} \end{array}\right)
    Le coefficient de la première ligne de VnV_{n} est alors :
    (0,25×0,3n+0,75×0,7n)×45+(0,375(0,3n+0,7n))×103\left(\red{0,25\times0,3^{n}+0,75\times 0,7^{n}}\right)\times{\color{blue}{45}}+\left(\red{0,375\left(-0,3^{n}+0,7^{n}\right)}\right)\times{\color{blue}{\frac{10}{3}}}
    Notons ce coefficient β\beta et simplifions le.
    β=(0,25×0,3n+0,75×0,7n)×45+(0,375(0,3n+0,7n))×103\beta=\left(\red{0,25\times0,3^{n}+0,75\times 0,7^{n}}\right)\times{\color{blue}{45}}+\left(\red{0,375\left(-0,3^{n}+0,7^{n}\right)}\right)\times{\color{blue}{\frac{10}{3}}}
    β=0,25×0,3n×45+0,75×0,7n×45+0,375×103×(0,3n)+0,375×103×0,7n\beta =0,25\times 0,3^{n} \times 45+0,75\times 0,7^{n} \times 45+0,375\times \frac{10}{3} \times \left(-0,3^{n} \right)+0,375\times \frac{10}{3} \times 0,7^{n}
    β=11,25×0,3n+33,75×0,7n1,25×0,3n+1,25×0,7n\beta =11,25\times 0,3^{n} +33,75\times 0,7^{n} -1,25\times 0,3^{n} +1,25\times 0,7^{n}
    Ainsi :
    β=10×0,3n+35×0,7n\beta =10\times 0,3^{n} +35\times 0,7^{n}

    Question 9

    En déduire l’expression de xnx_{n} en fonction de nn.

    Correction
    Nous savons que Un=Vn+(5203)U_{n} =V_{n}+\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Ainsi :
    (xnyn)=Vn+(5203)\left(\begin{array}{c} {x_{n} } \\ {y_{n} } \end{array}\right) =V_{n}+\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    Ainsi xnx_{n} est donc la somme du coefficient de la première ligne de la matrice VnV_{n} que l'on a appelé β\beta et nous allons rajouter ensuite le coefficient de la première ligne de la matrice (5203)\left(\begin{array}{c} {5} \\ {\frac{20}{3}} \end{array}\right)
    On a alors :
    xn=β+5x_{n}=\beta+5
    Finalement :
    xn=10×0,3n+35×0,7n+5x_{n}=10\times 0,3^{n} +35\times 0,7^{n} +5

    Question 10

    Déterminer la limite de xnx_{n} quand n tend vers ++\infin et interpréter ce résultat dans le cadre du problème.

    Correction
    limn+xn=limn+10×0,3n+35×0,7n+5\lim\limits_{n\to +\infty }x_{n}=\lim\limits_{n\to +\infty }10\times 0,3^{n} +35\times 0,7^{n} +5
    • Si 1<q<1-1<q<1 alors limn+qn=0\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =0.
    • Si q>1 q >1 alors limn+qn=+\lim\limits_{n\to +\infty } q^{n} =+\infty.
    Comme 1<0,3<1-1<0,3<1 alors :
    limn+0,3n=0\lim\limits_{n\to +\infty } 0,3^{n} =0
    limn+10×0,3n=0\lim\limits_{n\to +\infty } 10\times 0,3^{n} =0
    Comme 1<0,7<1-1<0,7<1 alors :
    limn+0,7n=0\lim\limits_{n\to +\infty } 0,7^{n} =0
    limn+35×0,7n=0\lim\limits_{n\to +\infty } 35\times 0,7^{n} =0
    D'où : limn+10×0,3n+35×0,7n+5=5\lim\limits_{n\to +\infty }10\times 0,3^{n} +35\times 0,7^{n} +5=5
    Ainsi :
    limn+xn=5\lim\limits_{n\to +\infty } x_{n} =5

    Cela signifie que la quantité de fonds disponibles dans l’agence XX va tendre vers 55 millions d’euros.