Sujet 33 - Exercice 1

45 min
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Soient aa et bb deux nombres réels.
Soit nn un nombre entier naturel supérieur ou égal à deux.
On désigne par AA la matrice suivante : A=(a+baa⋯aaa+ba⋯a⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱aaaa⋯a+b)∈Mn(R)A = \begin{pmatrix} a+b & a & a &\cdots & a \\ a & a+b & a & \cdots & a \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & a \\ a & a & a &\cdots & a+b \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R})
Cette matrice possède ses éléments qui font tous aa, sauf sur sa diagonale principale ou ils font tous a+ba+b.
Si on note par ai,ja_{i,j}, avec 1⩽i⩽n1 \leqslant i \leqslant n et 1⩽j⩽n1 \leqslant j \leqslant n, les éléments de la matrice AA, alors ai,j=a+bδi,ja_{i,j} = a + b \delta_{i,j}.
Le symbole δi,j\delta_{i,j} s'appelle le symbole de KroneckerKronecker et il vaut 11 si i=ji=j et 00 si i≠ji \neq j.
Question 1

Déterminer, selon une condition sur les deux paramètres aa et bb, l'expression de la matrice inverse A−1A^{-1}.

Correction
Notons par In\mathbb{I}_n la matrice carrée de taille (n ; n)(n\,;\,n) qui a tous ces éléments égal à 11.
Dans ce cas, on a :
A=aIn+bInA = a\mathbb{I}_n + bI_n
De fait, on a :
A2=A×A=(aIn+bIn)×(aIn+bIn)=a2In2+abInIn+baInIn+b2In2=a2In2+abIn+baIn+b2In2A^2 = A \times A = (a\mathbb{I}_n + bI_n) \times (a\mathbb{I}_n + bI_n) = a^2\mathbb{I}_n^2 + ab\mathbb{I}_n I_n + ba I_n \mathbb{I}_n + b^2I_n^2 = a^2\mathbb{I}_n^2 + ab\mathbb{I}_n + ba\mathbb{I}_n + b^2I_n^2
Donc on obtient :
A2=a2In2+abIn+abIn+b2In2A^2 = a^2\mathbb{I}_n^2 + ab\mathbb{I}_n + ab\mathbb{I}_n + b^2I_n^2
Soit (avec In2=InI_n^2 = I_n) :
A2=A×A=a2In2+2abIn+b2InA^2 = A \times A = a^2\mathbb{I}_n^2 + 2ab \mathbb{I}_n + b^2I_n
De plus, on a :
In2=In×In=(11⋯111⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯1)×(11⋯111⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯1)=(nn⋯nnn⋯n⋮⋮⋱⋮n1⋯n)=n(11⋯111⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯1)\mathbb{I}_n^2 = \mathbb{I}_n \times \mathbb{I}_n = \begin{pmatrix} 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 1 &\cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & \cdots & 1 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 1 &\cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & \cdots & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} n & n &\cdots & n \\ n & n &\cdots & n \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ n & 1 & \cdots & n \end{pmatrix} = n \begin{pmatrix} 1 & 1 &\cdots & 1 \\ 1 & 1 &\cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & \cdots & 1 \end{pmatrix}
Donc :
In2=nIn\mathbb{I}_n^2 = n\mathbb{I}_n
Ainsi :
A2=a2nIn+2abIn+b2In   ⟺   A2=anaIn+2baIn+b2In   ⟺   A2=(an+2b)aIn+b2InA^2 = a^2n\mathbb{I}_n + 2ab \mathbb{I}_n + b^2I_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A^2 = an a\mathbb{I}_n + 2b a\mathbb{I}_n + b^2I_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A^2 = (an + 2b) a\mathbb{I}_n + b^2I_n
De plus, on sait que A=aIn+bInA = a\mathbb{I}_n + bI_n. Donc aIn=A−bIna\mathbb{I}_n = A - bI_n. Ainsi :
A2=(an+2b)(A−bIn)+b2InA^2 = (an + 2b)(A - bI_n) + b^2I_n
Dès lors :
A2=(na+2b)A−(na+2b)bIn+b2In   ⟺   A2=(na+2b)A+(−(na+2b)+b)bInA^2 = (na + 2b)A - (na + 2b)bI_n + b^2I_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A^2 = (na + 2b)A + (-(na + 2b) + b)bI_n
Donc :
A2−(na+2b)A=(−na−2b+b)bIn   ⟺   A2−(na+2b)AIn=(−na−b)bInA^2 - (na + 2b)A = (-na - 2b + b)bI_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A^2 - (na + 2b)AI_n = (-na - b)bI_n
Donc, on obtient :
A(A−(na+2b)In)=−(na+b)bIn   ⟺   A×(A−(na+2b)In)=−(na+b)bInA \big( A - (na + 2b)I_n \big) = -(na + b)bI_n \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A \times \big( A - (na + 2b)I_n \big) = -(na + b)bI_n
Soit :
A×−1b(na+b)(A−(na+2b)In)=InA \times \dfrac{-1}{b(na+b)} \big( A - (na+2b)I_n \big) = I_n
Afin que la matrice AA soit inversible, nous devons avoir la condition b(na+b)≠0{\color{red}{b(na+b) \neq 0}}. Donc, sous cette condition, on a la possibilité d'écrire que A×A−1=InA \times A^{-1} = I_n. Donc, par identification, on obtient immédiatement :
A−1=−1b(na+b)(A−(na+2b)In)A^{-1} = \dfrac{-1}{b(na+b)} \big( A - (na+2b)I_n \big)
Soit encore :
A−1=1b(na+b)((na+2b)In−A)A^{-1} = \dfrac{1}{b(na+b)} \big( (na+2b)I_n - A \big)
On a alors :
A−1=1b(na+b)((na+2b)(100⋯0010⋯0⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱0000⋯1)−(a+baa⋯aaa+ba⋯a⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱aaaa⋯a+b))A^{-1} = \dfrac{1}{b(na+b)} \left( (na+2b) \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 &\cdots & 0 \\ 0 & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & 0 & 0 &\cdots & 1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} a+b & a & a &\cdots & a \\ a & a+b & a & \cdots & a \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & a \\ a & a & a &\cdots & a+b \end{pmatrix} \right)
Soit :
A−1=1b(na+b)((na+2b00⋯00na+2b0⋯0⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱0000⋯na+2b)−(a+baa⋯aaa+ba⋯a⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱aaaa⋯a+b))A^{-1} = \dfrac{1}{b(na+b)} \left( \begin{pmatrix} na+2b & 0 & 0 &\cdots & 0 \\ 0 & na+2b & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & 0 & 0 &\cdots & na+2b \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} a+b & a & a &\cdots & a \\ a & a+b & a & \cdots & a \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & a \\ a & a & a &\cdots & a+b \end{pmatrix} \right)
Ou encore :
A−1=1b(na+b)((na+2b00⋯00na+2b0⋯0⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱0000⋯na+2b)+(−a−baa⋯aa−a−ba⋯a⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱aaaa⋯−a−b))A^{-1} = \dfrac{1}{b(na+b)} \left( \begin{pmatrix} na+2b & 0 & 0 &\cdots & 0 \\ 0 & na+2b & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & 0 \\ 0 & 0 & 0 &\cdots & na+2b \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} -a-b & a & a &\cdots & a \\ a & -a-b & a & \cdots & a \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & a \\ a & a & a &\cdots & -a-b \end{pmatrix} \right)
On trouve donc que :
A−1=1b(na+b)(na+2b−a−baa⋯aana+2b−a−ba⋯0⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱aaaa⋯na+2b−a−b)A^{-1} = \dfrac{1}{b(na+b)} \begin{pmatrix} na+2b-a-b & a & a & \cdots & a \\ a & na+2b-a-b & a & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & a \\ a & a & a &\cdots & na+2b-a-b \end{pmatrix}
Finalement, on trouve que l'expression de la matrice inverse A−1A^{-1} est donnée par :
A−1=1b(na+b)((n−1)a+baa⋯aa(n−1)a+ba⋯0⋮⋱⋱⋱⋮⋮⋱⋱⋱aaaa⋯(n−1)a+b)A^{-1} = \dfrac{1}{b(na+b)} \begin{pmatrix} (n-1)a+b & a & a & \cdots & a \\ a & (n-1)a+b & a & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & a \\ a & a & a &\cdots & (n-1)a+b \end{pmatrix}
Avec la condition nécessaire b(na+b)≠0{\color{red}{b(na+b) \neq 0}}.

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