Puissance de matrice triangulaire

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b0red

Puissance de matrice triangulaire

Message par b0red » 15 avr. 2010 17:10

Bonjour,

Dans un exercice, il m'est demandé de calculer $ A^n $ tel que $ A=\left( \begin{array}{ccc} 1 & 0 & 0 \\
0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{array} \right) $.

On a vu dans un exercice une méthode pour calculer les puissances de ces matrices : on les décompose en une somme de deux termes, l'un est une matrice unitaire : $ I_n $, l'autre, $ B $, la complète pour obtenir celle de départ, on peut ensuite utiliser la formule du binôme de Newton. Dans les cas que l'on avait vu en exercice, la matrice $ B $ était facile à calculer, car elle s'annulait à partir d'une certaine puissance.

Dans le cas de ma matrice $ A $, j'ai essayé deux décompositions différentes :
la première fois j'ai utilisé $ A=I_3+B $ avec $ B=\left( \begin{array}{ccc} 0 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{array} \right) $, mais la matrice $ B $ ne s'annule pas lorsqu'on l'élève en puissance.
la deuxième fois, j'ai décomposé ainsi : $ A=2\times I_3+B' $ avec $ B'=\left( \begin{array}{ccc} -1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{array} \right) $, mais là, à partir de la puissance 2 j'ai $ B'=\left( \begin{array}{ccc} 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{array} \right) $. Là non plus, ça ne s'annule pas...

Je ne vois donc pas comment calculer $ A^n $, si quelqu'un pouvait m'indiquer une piste, ce serait super !
Merci d'avance ! :)

poutrelle

Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par poutrelle » 15 avr. 2010 17:34

Haha tu as une très bonne méthode en tête ! Retiens ceci : (si c'est vrai : D au pire tu le démontres : P)
" Les matrices qui s'annulent à partir d'une certaine puissance (nilpotentes) sont les matrices n'ayant que 0 pour valeur propre. "
Comme une matrice nilpotente est trigonalisable dans C elle est semblable à une matrice triangulaire avec des 0 sur la diagonale.
Donc ici un bon choix est de séparer la diagonale du 1 à côté. (la matrice E23 avec un 1 sur la 2ème ligne 3ème colonne).

N'oublie pas de vérifier la commutativité (on travaille avec des matrices là !) pour appliquer la formule de Newton !

poutrelle

Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par poutrelle » 15 avr. 2010 17:47

Han pardon je crois que t'es en sup' ...
Je voulais juste te dire que si tu veux faire en sorte que ta matrice s'annule à partir d'une certaine puissance, choisis-la triangulaire avec des 0 sur la diagonale. L'histoire des valeurs propres et de trigonalisation ça va te servir à rien désolé ^^

Et pour la commutativité je maintiens ! Pour utiliser la formule du binôme de Newton avec (A+B)^n il faut que A et B commutent ! (ce qui n'est pas tjrs le cas avec des matrices...). Pour t'en convaincre applique la formule avec deux matrices qui commutent pas.
(A+B)^2 = (A+B) (A+B) = A² +AB + BA + B² et AB = BA n'est pas automatique.

Bref j'insiste mais on oublie souvent de le marqué sur une copie alors que c'est important.

Nuhlanaurtograff

Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par Nuhlanaurtograff » 15 avr. 2010 18:20

Il faut décomposer ta matrice A sous ta première forme (I+B), et remarquer que B^k = B1+k*B2 (je te laisse le soin de trouver B1 et B2, mais ce n'est pas très compliqué).

poutrelle

Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par poutrelle » 15 avr. 2010 18:36

Ah vui il parlait de matrice identité... Parce que justement ma matrice diagonale et ma nilpotente commutent pas forcément (mais ici ça marche :mrgreen: )
J'aurais dû être plus précis :/

Nuhlanaurtograff

Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par Nuhlanaurtograff » 15 avr. 2010 19:32

poutrelle a écrit :Ah vui il parlait de matrice identité... Parce que justement ma matrice diagonale et ma nilpotente commutent pas forcément (mais ici ça marche :mrgreen: )
J'aurais dû être plus précis :/
Dès qu'on a une décomposition "simple" où ça commute, ça fonctionne (et ici on peut effectivement remarquer que la partie nilpotente commute avec la partie diagonale).

poutrelle

Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par poutrelle » 15 avr. 2010 19:38

Ouép mais là j'ai vérifier la commutativité bien après avoir poster hihi. Du coup je suis aller voir Dunford sur wiki ça m'a rappelé des souvenirs... :roll:

b0red

Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par b0red » 16 avr. 2010 11:40

Merci bien à vous deux !

Maintenant je sais ce qu'est une matrice nilpotente :wink:
Pour ce qui est de la commutativité, oui, j'y avais pensé ! :)

J'ai mis en évidence une décomposition de B comme tu le disais, Nuhlanaurtograff, et j'ai attaqué le binôme de Newton, j'ai arrangé comme je pouvais, en séparant les termes en B1 et les termes en B2, et je me retrouve au final avec deux sympatiques sommes de coefficients binômiaux... :mrgreen:
Je ne me rappelle pas de formules permettant d'en calculer, si ? :?
Je ne vois pas comment simplifier mon calcul...

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Re: Puissance de matrice triangulaire

Message par gardener » 16 avr. 2010 13:52

ici ta matrice A se décompose directement en D+N avec D la matrice des termes diagonaux (1,2,2), et N le bloc avec juste un 1 en case (2,3). Ces deux matrices commutent. Donc $ A^n=\sum_{k=0}^{n}{n\choose k} D^{n-k}N^{k} $. Comme $ N^{k}=0 $ pour $ k\geq 2 $, le calcul est vite fait!

Remarque : En fait la matrice est ici sous forme de Jordan.
Doctorant Maths-Info, ancien ENS Cachan.

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