Exercice 2 - Exercice 1

45 min
70
Soit mm un nombre réel.
On désigne par U\mathcal{U} une famille vectorielle de R3\mathbb{R}^3 formée des trois vecteurs suivants :
u1=(m ; 1 ; 1)     ;     u2=(1 ; m ; 1)     ;     u3=(1 ; 1 ; m)u_1 = (m \,;\, 1 \,;\, 1) \,\,\,\,\, ; \,\,\,\,\, u_2 = (1 \,;\, m \,;\, 1) \,\,\,\,\, ; \,\,\,\,\, u_3 = (1 \,;\, 1 \,;\, m)
Question 1

Donner les relations de dépendances existantes entre les vecteurs de la famille U\mathcal{U}. Déterminer le rang de la famille U\mathcal{U}.

Correction
Adoptons une présentation matricielle de la situation. Rangeons par ligne les vecteurs hu1u_1, u2u_2 et u3u_3. On obtient alors :
(m111m111m)u1u2u3\begin{pmatrix} m & 1 & 1 \\ 1 & m & 1 \\ 1 & 1 & m \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_1 \\ u_2 \\ u_3 \end{array}
Permutons les lignes L1L_1 et L3L_3 pour obtenir :
(11m1m1m11)u3u2u1\begin{pmatrix} 1 & 1 & m \\ 1 & m & 1 \\ m & 1 & 1 \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ u_2 \\ u_1 \end{array}
A ce stade, effectuons les deux substitutions suivantes : L2⟵L2−L1L_2 \longleftarrow L_2 - L_1 et L3⟵L3−mL1L_3 \longleftarrow L_3 - mL_1. On a alors :
(11m0m−11−m01−m1−m2)u3u2−u3u1−mu3\begin{pmatrix} 1 & 1 & m \\ 0 & m-1 & 1-m \\ 0 & 1-m & 1-m^2 \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ u_2 - u_3 \\ u_1 - m u_3 \end{array}
Puis effectuons la substitution suivante : L3⟵L3+L2L_3 \longleftarrow L_3 + L_2. On a alors :
(11m0m−11−m001−m2+1−m)u3u2−u3u1+u2−(1+m)u3\begin{pmatrix} 1 & 1 & m \\ 0 & m-1 & 1-m \\ 0 & 0 & 1-m^2 + 1- m \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ u_2 - u_3 \\ u_1 + u_2 - (1+m) u_3 \end{array}
On a aussi 1−m2+1−m=(1−m)(1+m)+(1−m)=(1−m)(1+m)+1(1−m)=(1−m)(1+m+1)1-m^2 + 1-m = (1-m)(1+m) + (1-m) = (1-m)(1+m) + 1(1-m) = (1-m)(1+m+1). Donc :
1−m2+1−m=(1−m)(m+2)=−(m−1)(m−(−2))1-m^2 + 1-m = (1-m)(m+2) = -(m-1)(m-(-2))
Ainsi :
(11m0m−11−m00−(m−1)(m−(−2)))u3u2−u3u1+u2−(m+1)u3\begin{pmatrix} 1 & 1 & m \\ 0 & m-1 & 1-m \\ 0 & 0 & -(m-1)(m-(-2)) \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ u_2 - u_3 \\ u_1 + u_2 - (m+1) u_3 \end{array}
Il nous faut donc porter notre attention sur le cas m=1m=1 et sur le cas m=−2m=-2.
♣  Premier  cas :  m=1{\color{blue}{\bf{\clubsuit \,\, Premier \,\, cas \,: \,\,}} m=1}
En posant m=1m=1, on obtient :
(111000000)u3u2−u3u1+u2−2u3\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ u_2 - u_3 \\ u_1 + u_2 - 2 u_3 \end{array}
On a alors u2−u3=0R3u_2 - u_3 = 0_{\mathbb{R}^3} et u1+u2−2u3=0R3u_1 + u_2 - 2 u_3 = 0_{\mathbb{R}^3}. Cette dernière relation s'écrit aussi u1+u2−u3−u3=0R3u_1 + u_2 - u_3 - u_3 = 0_{\mathbb{R}^3} ce qui nous donne u1+0R3−u3=0R3u_1 + 0_{\mathbb{R}^3} - u_3 = 0_{\mathbb{R}^3}. Ainsi on a les deux relations linéaires suivantes :
{u2−u3=0R3u1−u3=0R3    ⟺    {u2=u3u1=u3    ⟺    u1=u2=u3\left\lbrace \begin{array}{rcl} u_2 - u_3 & = & 0_{\mathbb{R}^3} \\ u_1 - u_3 & = & 0_{\mathbb{R}^3} \end{array} \right. \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} u_2 & = & u_3\\ u_1 & = & u_3 \end{array} \right. \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, u_1 = u_2 = u_3
De fait :
Rang(U)=Rang(u1 ; u2 ; u3)=Rang(u1 ; u1 ; u1)=Rang(u1)=1\mathrm{Rang}(\mathcal{U}) = \mathrm{Rang}(u_1 \,;\, u_2 \,;\, u_3) = \mathrm{Rang}(u_1 \,;\, u_1 \,;\, u_1) = \mathrm{Rang}(u_1) = 1
♣♣  Deuxieˋme  cas :  m=−2{\color{blue}{\bf{\clubsuit \clubsuit\,\, Deuxième \,\, cas \,: \,\,}} m=-2}
En posant m=−2m=-2, on obtient :
(11−20−33000)u3u2−u3u1+u2+u3    ⟺    (11−201−1000)u313(u3−u2)u1+u2+u3\begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ 0 & -3 & 3 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ u_2 - u_3 \\ u_1 + u_2 + u_3 \end{array} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \begin{pmatrix} 1 & 1 & -2 \\ 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ \frac{1}{3}(u_3 - u_2) \\ u_1 + u_2 + u_3 \end{array}
Effectuons la substitution L1⟵L1−L2L_1 \longleftarrow L_1 - L_2. On a alors :
(10−101−1000)13(u2+2u3)13(u3−u2)u1+u2+u3\begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{array}{l} \frac{1}{3}(u_2 + 2 u_3) \\ \frac{1}{3}(u_3 - u_2) \\ u_1 + u_2 + u_3 \end{array}
On a donc la relation linéaire suivante :
u1+u2+u3=0    ⟺    u1=−u2−u3u_1 + u_2 + u_3 = 0 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, u_1 = - u_2 - u_3
Puis les deux vecteurs
{v1=13(u2+2u3)v2=13(u3−u2)\left\lbrace \begin{array}{rcl} v_1 & = & \dfrac{1}{3}(u_2 + 2 u_3) \\ & & \\ v_2 & = & \dfrac{1}{3}(u_3 - u_2) \end{array} \right.
engendrent Vect(U)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}).
On a alors :
Rang(U)=Rang(u1 ; u2 ; u3)=Rang(−u2−u3 ; u2 ; u3)=Rang(u2 ; u3)=2\mathrm{Rang}(\mathcal{U}) = \mathrm{Rang}(u_1 \,;\, u_2 \,;\, u_3) = \mathrm{Rang}(- u_2 - u_3 \,;\, u_2 \,;\, u_3) = \mathrm{Rang}(u_2 \,;\, u_3) = 2
♣♣♣  Troisieˋme  cas :  m≠−2  et  m≠1{\color{blue}{\bf{\clubsuit \clubsuit \clubsuit \,\, Troisième \,\, cas \,: \,\,}} m \neq -2 \,\, {\bf{et}} \,\, m \neq 1}
On a alors :
(11m0m−11−m00−(m−1)(m+2))u3u2−u3u1+u2−(m+1)u3\begin{pmatrix} 1 & 1 & m \\ 0 & m-1 & 1-m \\ 0 & 0 & -(m-1)(m+2) \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ u_2 - u_3 \\ u_1 + u_2 - (m+1) u_3 \end{array}
Effectuons alors les deux transformations suivantes : L2⟵1m−1L2L_2 \longleftarrow \dfrac{1}{m-1} L_2 et L3⟵−1(m−1)(m+2)L3−mL1L_3 \longleftarrow - \dfrac{1}{(m-1)(m+2)}L_3 - mL_1. On a alors :
(11m01−1001)u31m−1(u2−u3)−1(m−1)(m+2)(u1+u2−(m+1)u3)\begin{pmatrix} 1 & 1 & m \\ 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{array}{l} u_3 \\ \frac{1}{m-1}(u_2 - u_3) \\ - \frac{1}{(m-1)(m+2)}(u_1 + u_2 - (m+1) u_3) \end{array}
Cette fois ci il n'y a pas de relations de dépendances linéaires entre les vecteurs u1u_1, u2u_2 et u3u_3. Puis, concernant le car cul du rang, on a donc :
Rang(U)=Rang(u1 ; u2 ; u3)=Rang(u3 ; 1m−1(u2−u3) ; −1(m−1)(m+2)(u1+u2−(m+1)u3))=3\mathrm{Rang}(\mathcal{U}) = \mathrm{Rang}(u_1 \,;\, u_2 \,;\, u_3) = \mathrm{Rang}\left (u_3 \,;\, \frac{1}{m-1}(u_2 - u_3) \,;\, - \frac{1}{(m-1)(m+2)}(u_1 + u_2 - (m+1) u_3) \right) = 3
Question 2

Déterminer une base du sous-espace vectoriel engendré par les vecteurs de la famille U\mathcal{U}.

Correction
Reprenons les différents cas à distinguer.
♣  Premier  cas :  m=1{\color{blue}{\bf{\clubsuit \,\, Premier \,\, cas \,: \,\,}} m=1}
Nous avions trouver que :
u1=u2=u3u_1 = u_2 = u_3
De fait Vect(U)=Vect(u1)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}) = \mathrm{Vect}(u_1). Ainsi u1u_1 est une base de Vect(U)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}).
♣♣  Deuxieˋme  cas :  m=−2{\color{blue}{\bf{\clubsuit \clubsuit\,\, Deuxième \,\, cas \,: \,\,}} m=-2}
Dans ce cas nous avions trouver qu'il existait la relation linéaire u1+u2+u3=0    ⟺    u1=−u2−u3u_1 + u_2 + u_3 = 0 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, u_1 = - u_2 - u_3. Puis que les deux vecteurs
{v1=13(u2+2u3)=(1 ; 0 ; −1)v2=13(u3−u2)=(0 ; 1 ; −1)\left\lbrace \begin{array}{rclcl} v_1 & = & \dfrac{1}{3}(u_2 + 2 u_3) & = & ( 1 \,;\, 0 \,;\, -1) \\ & & & & \\ v_2 & = & \dfrac{1}{3}(u_3 - u_2) & = & ( 0 \,;\, 1 \,;\, -1) \end{array} \right.
engendrent Vect(U)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}) donc qu'elle est génératrice de Vect(U)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}). Vérifions si ces deux vecteurs v1v_1 et v2v_2 sont libres dans R3\mathbb{R}^3.
Donc considérons λ1\lambda_1 et λ2\lambda_2 deux nombres réels. Donc :
λ1(1 ; 0 ; −1)+λ2(0 ; 1 ; −1)=0R3   ⟹   (λ1 ; 0 ; −λ1)+(0 ; λ2 ; −λ2)=(0 ; 0 ; 0)\lambda_1 ( 1 \,;\, 0 \,;\, -1) + \lambda_2 ( 0 \,;\, 1 \,;\, -1) = 0_{\mathbb{R}^3} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, ( \lambda_1 \,;\, 0 \,;\, -\lambda_1) + ( 0 \,;\, \lambda_2 \,;\, -\lambda_2) = ( 0 \,;\, 0 \,;\, 0)
Soit :
{λ1=0λ1=0−λ1−λ2=0   ⟹   λ1=λ2=0\left\lbrace \begin{array}{rcl} \lambda_1 & = & 0 \\ \lambda_1 & = & 0 \\ -\lambda_1 - \lambda_2 & = & 0 \end{array} \right. \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lambda_1 = \lambda_2 = 0
Donc :
λ1(1 ; 0 ; −1)+λ2(0 ; 1 ; −1)=0R3   ⟹   λ1=λ2=0\lambda_1 ( 1 \,;\, 0 \,;\, -1) + \lambda_2 ( 0 \,;\, 1 \,;\, -1) = 0_{\mathbb{R}^3} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lambda_1 = \lambda_2 = 0
De fait les deux vecteurs v1v_1 et v2v_2 forment une famille libre dans R3\mathbb{R}^3. Ainsi ces deux vecteurs v1v_1 et v2v_2 forment une base de Vect(U)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}).
♣♣♣  Troisieˋme  cas :  m≠−2  et  m≠1{\color{blue}{\bf{\clubsuit \clubsuit \clubsuit \,\, Troisième \,\, cas \,: \,\,}} m \neq -2 \,\, {\bf{et}} \,\, m \neq 1}
On a alors la famille vectorielle FF suivante :
F=(u3 ; q1=1m−1(u2−u3) ; q2=−1(m−1)(m+2)(u1+u2−(m+1)u3))F = \left (u_3 \,;\, q_1 = \frac{1}{m-1}(u_2 - u_3) \,;\, q_2 = - \frac{1}{(m-1)(m+2)}(u_1 + u_2 - (m+1) u_3) \right)
Comme, dans ce cas, il n'y pas pas de dépendance linéaire cette famille est donc libres dans R3\mathbb{R}^3. De plus cette famille engendre Vect(U)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}). Ainsi ces tris vecteurs u3u_3, q1q_1 et q2q_2 forment une base de Vect(U)\mathrm{Vect}(\mathcal{U}).

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