Noyau et forme quadratique

Bonjour
Je suis en train de faire les exercices corrigés, mais nous n'avons pas les mêmes réponses.

Par exemple pour la matrice : $$\begin{pmatrix}
+2 & +3 & -1\\
+3 & +1 & +2 \\
-1 & +2 & -3
\end{pmatrix}
$$ je trouve comme noyau le vecteur $(-1,1,1)$, le corrigé donne $(1,-1,1)$. De même pour la matrice : $$
\begin{pmatrix}
0 &0.5 & 1.5\\
0.5 & 0& 0 \\
1.5 & 0 & 0
\end{pmatrix}
$$ je trouve comme vecteur $(0,-3,1)$, le corrigé donne $(0,3,-1)$
Qui a raison ?

J'essaye aussi de comprendre comme réécrire la forme quadratique pour obtenir la somme des carrés. Dans le cas de la forme quadratique $\mathcal{Q}(x,y)$ - c'est trivial. En plus on nous donne les formules d'aide :
$X^2 + Xa = (X+ \frac{a}{2})^2 - \frac{a^2}{4}$
$XY + Xa_1 + Xa_2 = (X+ a_2 )(Y+ a_1 ) $
$XY = \frac{1}{4} (X+Y)^2 - \frac{1}{4}(X-Y)^2$
Les choses se corsent quand c'est une matrice plus grande que la matrice carrée. Si j'ai le résultats, je peux en déduire la méthode qui a été utilisée... mais ce n'est pas toujours clair et je ne suis pas sensée de le faire dans le sens inverse.

Par exemple une forme quadratique $\mathcal{Q}(x,y,z) = x^2 + y^2 + z^2 + 2xy + 2xz + 2yz$ qu'on peut factoriser comme $(x+y+z)^2$. Mais d'après la correction il faut obtenir une somme des 3 carrés, par exemple $(x+y)^2 +(x+z)^2 +(y+z)^2$. La signature est $(3,0)$.
Ou encore $Q(x,y,z) = xy + 3xz$ donne $0.25(x+y+3z)^2 - 0.25(x-y-z)^2$. J'ai mis un moment pour reconstituer l'approche en m'appuyant sur www.bibmath.net

Je ne vois pas de système dans tout cela... ou quelque chose m'échappe.

En tâtonnant les exos, je me suis fixée le plan suivant :
1) écrire la forme quadratique sous forme matricielle (base canonique)
2) voir quel est le rang
3) en déduire le noyau
4) compte tenu du rang, décomposer en somme de carrés du rang correspondant (si de rang 3, faire la somme de 3 carrés).
Est-ce correct ?
Merci beaucoup à l'avance.

Réponses

  • vorobichek écrivait:

    > Je trouve comme vecteur $(0,-3,1)$, le corrigé donne $(0,3,-1)$
    > Qui a raison?

    Les deux. Et pour le premier cas, il y a une coquille dans le corrigé, ou tu l'as mal transcrit (un signe oublié ?).

    Le noyau, ce n'est pas un vecteur ! C'est un sous-espace.
  • vorobichek écrivait:

    > Par exemple une forme quadratique
    > $\mathcal{Q}(x,y,z) = x^2 + y^2 + z^2 + 2xy + 2xz + 2yz$ qu'on peut factoriser comme $(x+y+z)^2$.
    > Mais d'après la correction il faut obtenir une
    > somme des 3 carrés, par exemple $(x+y)^2 +(x+z)^2+(y+z)^2$. La signature est (3,0).

    Si tu n'as pas mal lu le corrigé, jette-le à la poubelle ! Tu vois bien que tu n'obtiens pas la même forme quadratique en développant la somme de trois carrés.
  • L'algorithme de décomposition en carrés doit pourtant être décrit dans ta référence.
    C'est
    1° compléter les carrés pour éliminer les variables l'une après l'autre,
    2° s'il n'y a pas de carré de variable, compléter les produits pour éliminer deux variables d'un coup.

    Exemple pour $xy+yz+zx$. Pas de carré de variable, on complète le produit $xy$ pour éliminer les variables $x$ et $y$ d'un coup. $xy+yz+zx$, c'est le début de $(x+z)(y+z)$ :
    $$xy+yz+zx= (x+z)(y+z) -z^2$$
    Après, il est standard de transformer un produit en différence de carrés :
    $$uv= \left(\frac{u+v}{2}\right)^2 - \left(\frac{u-v}{2}\right)^2\;.$$
    Au final :
    $$xy+yz+zx= \left(\frac{x+y}2+z\right)^2 - \left(\frac{x-y}2\right)^2 -z^2\;.$$

    On n'apprenait pas cela en Russie ? ;-)
  • @GaBuZoMeu, mais je tombe jamais sur la correction du professeur! Chaque fois c'est différent et c'est *gros mot...*

    Si je prends $x^2 +y^2 +z^2 -xy -yz$, je fais comme suit :
    $x^2 - xy + z^2 - yz +y^2$
    $(x-0.5y)^2 -0.25y^2 + (z-0.5y)^2 -0.25y^2 +y^2$
    $(x-0.5y)^2 + (z-0.5y)^2 +0.5y^2$

    Dans la correction :
    $(x-0.5y)^2 + 0.75(y-2z/3)^2 +2z^2 /3$
    Ou la forme importe peu et on peut décomposer de plusieurs manières?
  • La décomposition en carrés n'est pas unique. Dans l'exemple que tu viens de donner, on arrive au résultat du corrigé en éliminant d'abord $x$, puis $y$. Toi tu as procédé en éliminant d'abord $x$ puis $z$.
    C'est comme pour le pivot de Gauss : là aussi il s'agit d'éliminer des variables et différents choix dans l'ordre d'élimination sont possibles.

    Il y a quelque chose d'invariant qu'on retrouve quelle que soit la décomposition : le nombre de carrés de formes linéaires avec coefficient positif et le nombre de carrés avec coefficient négatif : c'est la signature de la forme quadratique, et l'invariance est le théorème d'inertie de Sylvester.
  • Il faut aussi faire attention à ne pas utiliser d'astuce même si tu en vois une !
    Le risque est d'obtenir des carrés de formes non indépendantes, ce qui fausse complètement les conclusions sur le rang et la signature.

    Le procédé de Gauss donne toujours des formes indépendantes et il vaut mieux ne pas "inventer" des raccourcis.
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