Racine carrée d'une matrice symétrique définie positive
Exercice d'entraînement · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PT), chapitre 2 — Réduction des Endomorphismes et des Matrices Carrées · Z. Problèmes de concours corrigés
Énoncé
Soit une matrice symétrique réelle () dont toutes les valeurs propres sont strictement positives ().
- Montrer qu'il existe une matrice telle que .
- Montrer que cette racine carrée symétrique définie positive est unique et s'exprime comme un polynôme en .
Corrigé
1. Existence de la racine carrée : D'après le théorème spectral (voir Chapitre 4), est diagonalisable dans une base orthonormale : il existe () et avec pour tout , telles que : Posons . Comme , tous les sont réels et strictement positifs. Posons alors .
- , donc est symétrique.
- Les valeurs propres de sont les , donc .
- .
L'existence est ainsi démontrée.
2. Expression polynomiale et Unicité : Soit l'ensemble des valeurs propres deux à deux distinctes de . Considérons le polynôme d'interpolation de Lagrange vérifiant : Alors . Par conséquent : La racine est donc un polynôme en : . Montrons l'unicité : soit telle que . Comme et commutent (), commute avec tout polynôme en , donc en particulier . Les matrices symétriques et commutent, elles sont donc codiagonalisables dans une base orthonormale commune : L'égalité entraîne que pour tout , . Comme , et . Par stricte positivité, pour tout . On en conclut que , ce qui établit l'unicité stricte de la racine carrée symétrique définie positive.
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