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Correction des exercices 15 à 16 — Structures algébriques — Al Moufid

Correction des exercices 15 à 16 — Structures algébriques

Manuel Al Moufid · 2e Bac Sciences Mathématiques

La transition entre sous-groupes et calcul matriciel donne deux méthodes très différentes. Le premier exercice relève du critère de sous-groupe multiplicatif ; le second utilise une réduction matricielle et une récurrence pour obtenir des puissances et résoudre des suites couplées. Il faut identifier la méthode avant de calculer.

Exercice 15 — Sous-groupe de nombres rationnels impairs

Énoncé du manuel.

Montrer que \(E=\{(1+2p)/(1+2q):(p,q)\in\mathbb Z^2\}\) est un sous-groupe de \((\mathbb Q^*,\times)\).

Repère de cours.

Appliquer le critère de sous-groupe ; la forme des fractions reste inchangée lorsqu’on multiplie ou inverse des nombres impairs.

Démonstration

Méthode et stratégie.

Vérifier \(1\in E\), puis les quotients \(xy^{-1}\).

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Les dénominateurs \(1+2q\) sont non nuls, donc \(E\subset\mathbb Q^*\). On a \(1=(1+2\cdot0)/(1+2\cdot0)\in E\).

Pour \(x=(1+2p)/(1+2q)\), \(y=(1+2r)/(1+2s)\), le quotient \(xy^{-1}\) est une fraction dont numérateur et dénominateur sont des produits d’entiers impairs. Ces deux produits sont impairs.

\[xy^{-1}=\frac{(1+2p)(1+2s)}{(1+2q)(1+2r)}\in E.\]
\[\boxed{(E,\times)\text{ est un sous-groupe de }(\mathbb Q^*,\times)}\]
Interprétation.

Le critère de sous-groupe permet de conclure directement en vérifiant les quotients.

Exercice 16 — Puissances d’une matrice et suites couplées

Énoncé reformulé.

On considère trois matrices d’ordre deux :

\[A=\begin{pmatrix}1&3\\3&1\end{pmatrix},\quad J=\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix},\quad I=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}.\]

Partie 1. Décomposer \(A\) à l’aide de \(I\) et \(J\) ; calculer \(J^2\) ; établir par récurrence la formule de \(A^n\), puis en déduire les coefficients de \(A^n\) et la matrice \(A^{-1}\).

Partie 2. Deux suites \((v_n)\) et \((w_n)\) sont définies par \(v_0=w_0=3\), \(v_{n+1}=v_n+3w_n\) et \(w_{n+1}=3v_n+w_n\). En posant \(X_n=\binom{v_n}{w_n}\), montrer que \(X_n=A^nX_0\), puis déterminer \(X_n\), \(v_n\) et \(w_n\).

Précision sur la notation de l’énoncé.

Dans la partie 2, la matrice-colonne \(X_n\) du manuel utilise des lettres qui ne correspondent pas aux suites définies. Nous employons \(X_n=\binom{v_n}{w_n}\), conformément aux deux relations de récurrence. Cette précision concerne la notation, et non les données numériques de l’exercice.

Repère de cours — Puissances et récurrence.

Lorsque deux matrices commutent et qu’une relation simple lie leurs puissances, on cherche à exprimer \(A^n\) comme combinaison de quelques matrices fixes. Ici, \(J^2=2J\) permet de travailler uniquement avec \(I\) et \(J\). Pour établir une identité valable pour tout \(n\in\mathbb N\), on peut utiliser une récurrence, méthode demandée dans l’exercice. La récurrence et le calcul matriciel donnent directement le résultat.

1.a — Décomposer A

Trouver deux réels \(a,b\) tels que \(A=aJ+bI\).
Méthode.

Comparer les coefficients hors diagonale, puis les coefficients diagonaux. Vérifier ensuite l’égalité des deux matrices.

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On a \(aJ+bI=\begin{pmatrix}a+b&a\\a&a+b\end{pmatrix}\). L’égalité avec \(A=\begin{pmatrix}1&3\\3&1\end{pmatrix}\) impose \(a=3\) puis \(a+b=1\), donc \(b=-2\). La vérification des quatre coefficients confirme la décomposition.

\[\boxed{A=3J-2I}.\]
Cette écriture prépare toute la suite : il sera inutile de multiplier directement de grandes puissances de la matrice \(A\).

1.b — Calculer J²

Exprimer \(J^2\) en fonction de \(J\).
Méthode.

Effectuer une seule multiplication matricielle. Chercher si chaque coefficient obtenu est proportionnel au coefficient correspondant de \(J\).

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\[J^2=\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2&2\\2&2\end{pmatrix}.\]

La matrice obtenue est deux fois \(J\).

\[\boxed{J^2=2J}.\]
En particulier, chaque produit par \(J\) réduit un terme en \(J^2\) à un terme en \(J\), ce qui rend la récurrence simple.

1.c — Établir la formule par récurrence

Démontrer que, pour tout \(n\in\mathbb N\), \[A^n=(-2)^nI+\frac{4^n-(-2)^n}{2}J.\]
Méthode.

Poser \(c_n=(4^n-(-2)^n)/2\). Initialiser à \(n=0\), puis multiplier la formule au rang \(n\) par \(A=-2I+3J\). Utiliser \(J^2=2J\), sans modifier l’ordre des opérations.

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Initialisation. À \(n=0\), le membre droit est \(I+\frac{1-1}{2}J=I=A^0\). La formule est vraie au rang zéro.

Hérédité. Supposons \(A^n=(-2)^nI+c_nJ\), où \(c_n=(4^n-(-2)^n)/2\). Alors :

\[\begin{aligned}A^{n+1}&=A^nA\\&=\big((-2)^nI+c_nJ\big)(-2I+3J)\\&=(-2)^{n+1}I+3(-2)^nJ-2c_nJ+3c_nJ^2\\&=(-2)^{n+1}I+\big(3(-2)^n+4c_n\big)J.\end{aligned}\]

Or :

\[\begin{aligned}3(-2)^n+4c_n&=3(-2)^n+2(4^n-(-2)^n)\\&=2\cdot4^n+(-2)^n\\&=\frac{4^{n+1}-(-2)^{n+1}}{2}=c_{n+1}.\end{aligned}\]

La propriété est héréditaire. Par récurrence :

\[\boxed{\forall n\in\mathbb N,\quad A^n=(-2)^nI+\frac{4^n-(-2)^n}{2}J}.\]
La récurrence ne porte pas sur les quatre coefficients séparément : une relation matricielle unique suffit.

1.d — Expliciter les coefficients de Aⁿ

Écrire \(A^n\) sous forme d’une matrice d’ordre deux.
Méthode.

Dans \(A^n=(-2)^nI+c_nJ\), les coefficients hors diagonale valent \(c_n\), tandis que les coefficients diagonaux valent \((-2)^n+c_n\).

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En remplaçant les matrices \(I\) et \(J\), on obtient :

\[A^n=\begin{pmatrix}(-2)^n+c_n&c_n\\c_n&(-2)^n+c_n\end{pmatrix},\quad c_n=\frac{4^n-(-2)^n}{2}.\]

De plus, \((-2)^n+c_n=(4^n+(-2)^n)/2\). Donc :

\[\boxed{A^n=\frac12\begin{pmatrix}4^n+(-2)^n&4^n-(-2)^n\\4^n-(-2)^n&4^n+(-2)^n\end{pmatrix}}.\]
La symétrie des coefficients traduit celle de la matrice initiale \(A\). On peut contrôler la formule aux rangs \(n=0\) et \(n=1\).

1.e — Montrer que A est inversible

Déterminer explicitement \(A^{-1}\).
Méthode.

Calculer le déterminant. S’il est non nul, appliquer la formule d’inversion d’une matrice d’ordre deux, puis contrôler le produit avec \(A\).

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On calcule \(\det(A)=1\times1-3\times3=-8\), donc \(\det A\neq0\). La matrice \(A\) est inversible. La formule usuelle donne :

\[A^{-1}=\frac1{-8}\begin{pmatrix}1&-3\\-3&1\end{pmatrix}=\frac18\begin{pmatrix}-1&3\\3&-1\end{pmatrix}.\]

Le produit \(AA^{-1}\) a pour coefficients diagonaux \((-1+9)/8=1\), et pour coefficients hors diagonale \((3-3)/8=0\). Il vaut donc \(I\).

\[\boxed{A^{-1}=\frac18\begin{pmatrix}-1&3\\3&-1\end{pmatrix}}.\]
La méthode n’emploie que les propriétés élémentaires de la matrice d’ordre deux et la vérification de l’inverse.

2.a — Écrire la récurrence sous forme matricielle

Avec \(X_n=\binom{v_n}{w_n}\), montrer que \(X_n=A^nX_0\) pour tout \(n\in\mathbb N\).
Méthode.

Regrouper les deux égalités de récurrence dans une seule matrice-colonne. Réutiliser une propriété déjà prouvée au lieu de résoudre directement deux suites séparées.

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Les deux relations donnent exactement :

\[\begin{pmatrix}v_{n+1}\\w_{n+1}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&3\\3&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}v_n\\w_n\end{pmatrix},\qquad\text{soit }X_{n+1}=AX_n.\]

À \(n=0\), \(X_0=A^0X_0\). Supposons \(X_n=A^nX_0\). Alors \(X_{n+1}=A X_n=A^{n+1}X_0\). La propriété est donc établie par récurrence.

\[\boxed{\forall n\in\mathbb N,\quad X_n=A^nX_0}.\]
Une récurrence portant sur un vecteur permet de traiter simultanément les deux suites.

2.b — Expression de Xₙ en fonction de n

Calculer explicitement \(X_n\).
Méthode.

Exploiter la décomposition de \(A^n\) obtenue dans la partie 1 et la valeur initiale \(X_0=\binom{3}{3}\).

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La condition initiale est \(X_0=\binom{3}{3}\). Comme \(JX_0=\binom{6}{6}=2X_0\), la formule de la partie 1 donne :

\[\begin{aligned}X_n&=\left((-2)^nI+\frac{4^n-(-2)^n}{2}J\right)X_0\\&=\left((-2)^n+4^n-(-2)^n\right)X_0\\&=4^nX_0.\end{aligned}\]
\[\boxed{X_n=\begin{pmatrix}3\cdot4^n\\3\cdot4^n\end{pmatrix}}.\]
Le vecteur initial a ses deux coordonnées égales. L’action de \(J\) le conserve à un facteur près, ce qui simplifie nettement le calcul.

2.c — Déterminer les deux suites

Exprimer \(v_n\) et \(w_n\) pour tout \(n\in\mathbb N\).
Méthode.

Lire directement les coordonnées de \(X_n\) obtenues à la question précédente, puis vérifier le rang initial et les relations de récurrence.

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Par définition de \(X_n=\binom{v_n}{w_n}\) et d’après la question 2.b, les deux coordonnées sont identiques :

\[\boxed{v_n=w_n=3\cdot4^n\qquad(n\in\mathbb N)}.\]

Contrôle. Au rang zéro, \(3\cdot4^0=3\), conforme aux conditions initiales. Si \(v_n=w_n=3\cdot4^n\), alors \(v_{n+1}=v_n+3w_n=4\cdot3\cdot4^n=3\cdot4^{n+1}\) ; même résultat pour \(w_{n+1}\).

La conclusion repose sur les réponses précédentes : l’exercice est construit pour faire passer de l’algèbre matricielle aux suites récurrentes.

À retenir

Les techniques de quotient dans un groupe et de réduction de puissances matricielles sont complémentaires et doivent être choisies selon les hypothèses.

Correction rédigée par Professeur Hammou Boudraa — Parcours Maths Maroc (PMM)

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