Dans une ville, une enseigne de banque nationale possède deux agences, appelées X et Y. D’une année sur l’autre, une partie des fonds de l’agence X est transférée à l’agence Y, et réciproquement. De plus, chaque année, le siège de la banque transfère une certaine somme à chaque agence. Soit n un entier naturel. On note xn la quantité de fonds détenue par l’agence X, et yn la quantité de fonds détenue par l’agence Y au 1er janvier de l’année 2014+n, exprimées en millions d’euros. On note Un la matrice (xnyn) et on note I=(1001). On suppose que le 1er janvier de l’année 2014, l’agence X possède 50 millions d’euros et l’agence Y possède 10 millions d’euros. L’évolution de la quantité de fonds est régie par la relation suivante : Un+1=AUn+B où A=(0,60,20,150,4) et B=(13)
Ecrire la relation matricielle Un+1=AUn+B sous une forme d'un système linéaire.
Correction
Un+1=AUn+B où A=(0,60,20,150,4) et B=(13) Un+1=AUn+B équivaut successivement à : (xn+1yn+1)=(0,60,20,150,4)×(xnyn)+(13) Il vient alors que : {xn+1yn+1==0,6xn+0,15yn+10,2xn+0,4yn+3
Question 2
Interpréter dans le contexte de l’exercice le coefficient 0,6 de la matrice A et le coefficient 3 de la matrice B.
Correction
Le coefficient 0,6 de la matrice A correspond au pourcentage de la somme qui reste d’une année sur l’autre à l’agence X.
Le coefficient 3 de la matrice B correspond à la somme (en millions d’euros) qui est rajoutée chaque année à l’agence Y.
Question 3
Donner la matrice U0 puis calculer la quantité de fonds détenue par chacune des agences X et Y en 2015, exprimée en millions d’euros.
Correction
On suppose que le 1er janvier de l’année 2014, l’agence X possède 50 millions d’euros et l’agence Y possède 10 millions d’euros. Cette phrase se traduit par la matrice U0=(5010) Dans ce cas, la quantité de fonds détenue par chacune des agences X et Y en 2015 correspond à la matrice U1. Comme Un+1=AUn+B on peut alors écrire que : U1=AU0+B Il vient alors que : U1=AU0+B équivaut successivement à : (x1y1)=(0,60,20,150,4)×(5010)+(13) (x1y1)=(0,6×50+0,15×100,2×50+0,4×10)+(13) (x1y1)=(31,514)+(13) Ainsi :
(x1y1)=(32,517)
En 2015, il y a donc 32,5 millions d’euros dans l’agence X et 17 millions d’euros dans l’agence Y.
Question 4
On note D=(0,3000,7),P=(1−232) et Q=(0,250,25−0,3750,125).
A l'aide de la calculatrice donner le résultat de la matrice PDQ.
Correction
Avec la calculatrice, on obtient PDQ=A
Question 5
Expliciter le calcul du coefficient de la première ligne et de la deuxième colonne du produit matriciel QP. Dans la suite, on admettra que QP=I .
Correction
On a : QP=(0,250,25−0,3750,125)×(1−232) Le coefficient situé sur la première ligne et la deuxième colonne de la matrice QP est donc : 0,25×1+(−0,375)×(−2)=1 Dans la suite, on admettra que QP=I ce qui signifie que : QP=(1001)
Question 6
On admettra dans la suite de cet exercice que pour tout entier naturel non nul n, An=PDnQ. On pose pour tout entier naturel n, Vn=Un−(5320) .
Démontrer que pour tout entier naturel n, Vn+1=AVn.
Correction
Pour tout entier naturel n, on a : Vn=Un−(5320) Vn+1=Un+1−(5320) . Or Un+1=AUn+B Vn+1=AUn+B−(5320) . De plus, comme Vn=Un−(5320) alors Un=Vn+(5320) Cela nous donne : Vn+1=A(Vn+(5320))+B−(5320) Vn+1=A×Vn+A×(5320)+B−(5320) Vn+1=A×Vn+(0,60,20,150,4)×(5320)+(13)−(5320) Vn+1=A×Vn+(0,60,20,150,4)×(5320)+(−4−311) Vn+1=A×Vn+(0,6×5+0,15×3200,2×5+0,4×320)+(−4−311) Vn+1=A×Vn+(4311)+(−4−311) Finalement :
Vn+1=A×Vn
Question 7
Déterminer V0 puis pour tout entier naturel n, donner l’expression de Vn en fonction de A,n et V0.
Correction
Pour tout entier naturel n, Vn=Un−(5320) . Ce qui nous permet d'écrire : V0=U0−(5320) . U0=(5010) V0=(5010)−(5320) Ainsi : V0=(45310) et pour tout entier naturel n, on a : Vn+1=A×Vn
Soient A une matrice carrée d'ordre p (p entier naturel) et (Un) une suite de matrice colonnes à p lignes telles que pour tout entier naturel n, on a : Un+1=AUn Alors pour tout entier naturel n, on a : Un=AnU0
D'après le rappel, il en résulte, que pour tout entier naturel n, on a : Vn=AnV0
Question 8
Soit n un entier naturel. On admet que : An=(0,25×0,3n+0,75×0,7n0,5(−0,3n+0,7n)0,375(−0,3n+0,7n)0,75×0,3n+0,25×0,7n)
Déterminer le coefficient de la première ligne de la matrice Vn en détaillant les calculs.
Correction
D'après la question précédente, nous savons que : Vn=AnV0 Ainsi : Vn=AnV0 Vn=(0,25×0,3n+0,75×0,7n0,5(−0,3n+0,7n)0,375(−0,3n+0,7n)0,75×0,3n+0,25×0,7n)×(45310) Le coefficient de la première ligne de Vn est alors : (0,25×0,3n+0,75×0,7n)×45+(0,375(−0,3n+0,7n))×310 Notons ce coefficient β et simplifions le. β=(0,25×0,3n+0,75×0,7n)×45+(0,375(−0,3n+0,7n))×310 β=0,25×0,3n×45+0,75×0,7n×45+0,375×310×(−0,3n)+0,375×310×0,7n β=11,25×0,3n+33,75×0,7n−1,25×0,3n+1,25×0,7n Ainsi :
β=10×0,3n+35×0,7n
Question 9
En déduire l’expression de xn en fonction de n.
Correction
Nous savons que Un=Vn+(5320) Ainsi : (xnyn)=Vn+(5320) Ainsi xn est donc la somme du coefficient de la première ligne de la matrice Vn que l'on a appelé β et nous allons rajouter ensuite le coefficient de la première ligne de la matrice (5320) On a alors : xn=β+5 Finalement :
xn=10×0,3n+35×0,7n+5
Question 10
Déterminer la limite de xn quand n tend vers +∞ et interpréter ce résultat dans le cadre du problème.
Correction
n→+∞limxn=n→+∞lim10×0,3n+35×0,7n+5
Si −1<q<1 alors n→+∞limqn=0.
Si q>1 alors n→+∞limqn=+∞.
Comme −1<0,3<1 alors : n→+∞lim0,3n=0 n→+∞lim10×0,3n=0 Comme −1<0,7<1 alors : n→+∞lim0,7n=0 n→+∞lim35×0,7n=0 D'où : n→+∞lim10×0,3n+35×0,7n+5=5 Ainsi :
n→+∞limxn=5
Cela signifie que la quantité de fonds disponibles dans l’agence X va tendre vers 5 millions d’euros.
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