Calcul des puissances d'une matrice carrée
Terminale générale Spé · Option Mathématiques Expertes
À retenir
• A^0 = I, A^n+1 = A^n A et A^nA^m = A^n+m. • Si D est diagonale, D^n s'obtient en élevant chaque coefficient diagonal à la puissance n. • Si A = I + N avec N^2 = 0, alors A^n = ^n I + n^n-1N pour n 1. • Le binôme de Newton (A + B)^n ne s'applique que si AB = BA.
Le cours
1. Définition Pour une matrice carrée A d'ordre n, on pose A^0 = I_n et, pour tout entier naturel k, A^k+1 = A^k A. Les règles usuelles restent vraies pour une même matrice : A^kA^m = A^k+m et (A^k)^m = A^km. 2. Matrices diagonales Pour une matrice diagonale, il suffit d'élever chaque coefficient diagonal à la puissance n : D = pmatrix a & 0 \\ 0 & b pmatrix D^n = pmatrix a^n & 0 \\ 0 & b^n pmatrix 3. Méthode 1 : conjecturer puis démontrer 1. Calculer A^2, A^3 (voire A^4) à la main ou à la calculatrice. 2. Conjecturer la forme de A^n. 3. Démontrer la conjecture par récurrence, en utilisant A^n+1 = A^n A. 4. Méthode 2 : écrire A = I + N Si A et B commutent (AB = BA), la formule du binôme de Newton s'applique : (A + B)^n = _k=0^n nk A^k B^n-k. La matrice I commute avec toute matrice N ; si de plus N^2 = 0, tous les termes à partir de k = 2 s'annulent : ( I + N)^n = ^n I + n^n-1N (n 1) 5. Attention Pour une matrice non diagonale, A^n ne s'obtient pas en élevant chaque coefficient à la puissance n : pmatrix 1 & 1 \\ 0 & 1 pmatrix^2 = pmatrix 1 & 2 \\ 0 & 1 pmatrix et non pmatrix 1 & 1 \\ 0 & 1 pmatrix.
Dans ce chapitre
- Calcul algébrique et tableaux de valeurs de Seconde
- Suites géométriques et raisonnement par récurrence, outils des suites matricielles
- Systèmes linéaires de deux équations à deux inconnues de Seconde
- Matrices : Définitions, formats, lignes et colonnes
- Addition matricielle et multiplication par un scalaire
- Produit matriciel et non-commutativité
- Matrice identité et inversion des matrices carrées d'ordre 2
- Résolution de systèmes linéaires par inversion matricielle
- Calcul des puissances d'une matrice carrée
- Introduction à la diagonalisation des matrices 2x2
- Suites de matrices colonnes et relations de récurrence
- Opérations matricielles, produit et inverse
- Puissances de matrices et suites matricielles
- Bilan : Synthèse et méthode sur Matrices, calcul matriciel et systèmes linéaires