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Les quatre parties étudient successivement deux approximations de {\sqrt2}, la méthode de Héron pour les matrices symétriques positives, la méthode de Newton réelle, puis une méthode de Newton matricielle conduisant à la décomposition de Jordan-Chevalley-Dunford et au calcul de racines carrées.
Notations
On fixe {q\geq1} et {\mathbb K=\mathbb R} ou {\mathbb C}. On note {\mathcal M_q(\mathbb K)} les matrices carrées d’ordre {q}, {I_q} l’identité, {P^T} la transposée de {P}, et {[M]_{i,j}} les coefficients de {M}.
Les ensembles {\mathcal S_q(\mathbb R)} et {O(q)} désignent les matrices symétriques et les matrices orthogonales, ces dernières vérifiant {P^TP=I_q}. La matrice {\operatorname{diag}(a_1,\ldots,a_q)} a pour coefficients diagonaux les {a_i} et tous ses autres coefficients sont nuls.
En dimension finie, les normes sont équivalentes. On admet que la convergence matricielle équivaut à celle de chaque coefficient et que, si {M_n\to M}, alors {AM_n\to AM} et {M_nA\to MA} pour toute matrice fixe {A}.
I — Quelques approximations de {\sqrt2}
I.A — Via un développement en série entière
Pour {\alpha\in\mathbb R}, on pose {a_0=1} et {a_n=\frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)}{n!}\quad(n\geq1).}
Q 1. Montrer que le rayon de convergence de {\sum\limits_{n\geq0}a_nx^n} vaut {1} si {\alpha\notin\mathbb N}, et {+\infty} sinon.
Q 10. Calculer {c_1(2)} et montrer, pour {n\geq1}, que {c_n(2)^2-2\leq8\left(\frac1{32}\right)^{2^{n-1}}.}En déduire {\sqrt2=c_n(2)+O((1/32)^{2^{n-1}})}.
II — Racine carrée d’une matrice symétrique positive
On note {\mathcal S_q^+(\mathbb R)} les matrices symétriques {M} telles que {X^TMX\geq0} pour tout vecteur colonne {X}. Une racine carrée de {M} est une matrice {B} telle que {B^2=M}.
II.A — Racines carrées de {I_2}
Q 13. Rappeler sans démonstration la description des matrices de {O(2)} en fonction d’un paramètre réel {\theta}.
On note {\sqrt M} cette unique racine carrée symétrique positive.
II.C — Une méthode de Héron matricielle
On écrit {M=P\operatorname{diag}(\lambda_1,\ldots,\lambda_q)P^T} avec {P\in O(q)} et {\lambda_i\geq0}. On pose {M_0=I_q,\quad M_{n+1}=\frac12(M_n+MM_n^{-1}).}
Q 18. Montrer par récurrence que les {M_n} sont bien définies et que {M_n=P\operatorname{diag}(c_n(\lambda_1),\ldots,c_n(\lambda_q))P^T.}
On suppose qu’il existe {c\in I} tel que {f(c)=0}. Pour {r>0}, on pose {J_r=[c-r,c+r]}. On considère les itérations {c_{n+1}=c_n-\frac{f(c_n)}{f'(c_n)}.}On cherche un intervalle {J_r\subset I} dans lequel toute valeur initiale donne une suite bien définie convergeant vers {c}.
Q 21. Pour {J_r\subset I}, justifier que {s_r=\sup_{J_r}|f''|} et {i_r=\inf_{J_r}|f'|} sont bien définis et que {i_r>0}.
Q 25. Écrire newton(c0, f, df), où df représente {f'}, renvoyant une approximation de {c} si la suite converge et None sinon. On convient de conclure à la convergence si {|f(c_n)|\lt 10^{-10}} pour un {n\leq50}, et à la divergence sinon.
IV — Décomposition de Jordan-Chevalley-Dunford et racine carrée
Une matrice {N} est nilpotente s’il existe {k\geq1} tel que {N^k=0}. On fixe {M\in\mathcal M_q(\mathbb C)}, de valeurs propres distinctes {\lambda_1,\ldots,\lambda_s}, et l’on pose {P(X)=\prod_{i=1}^s(X-\lambda_i).}Pour {Q(X)=\sum\limits_k\gamma_kX^k}, on définit {Q(M)=\sum\limits_k\gamma_kM^k} et {\mathbb C[M]=\{Q(M):Q\in\mathbb C[X]\}}.
On admet que deux éléments de {\mathbb C[M]} commutent, que leur somme et leur produit appartiennent à cet ensemble et que, si {A\in\mathbb C[M]}, alors {Q(A)\in\mathbb C[M]} pour tout polynôme {Q}.
IV.A — Une méthode de Newton matricielle
Q 26. Pour toute racine complexe {\mu} de {P'}, montrer que {M-\mu I_q} est inversible. En déduire que {P'(M)} est inversible.
On définit {M_0=M,\quad M_{n+1}=M_n-P(M_n)P'(M_n)^{-1}.}On admet que chaque {M_n} est bien définie, que {P'(M_n)} est inversible et qu’il existe {B_n\in\mathbb C[M]} tel que {P(M_n)=P(M)^{2^n}B_n.}
Pour les dernières questions, {M} est réelle, trigonalisable sur {\mathbb R}, et son spectre est inclus dans {\mathbb R_+^*}. On reprend {A} et {N} construits en IV.A.
Q 34. Montrer que {A,N} sont réelles et que {A} est diagonalisable sur {\mathbb R}.