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Mathématiques expertes (option) · Terminale

Suites de matrices et état stable : fiche de Terminale

Publié le 6 novembre 2026 · Mis à jour le 6 novembre 2026 · Signaler une erreur

L'essentiel

  • Une suite de matrices colonnes vérifie une relation du type Un+1=AUn+BU_{n+1}=AU_n+B ; on cherche d'abord une matrice colonne UU fixe, puis on étudie Vn=Un−UV_n=U_n-U, qui vérifie Vn+1=AVnV_{n+1}=AV_n.
  • Pour une chaîne de Markov de matrice de transition PP, la loi à l'étape nn est la matrice ligne πn=π0Pn\pi_n=\pi_0P^n.
  • Un état stable est une matrice ligne π\pi dont les coefficients sont positifs, de somme 1, et qui vérifie πP=π\pi P=\pi.
  • À deux états, avec P=(1−aab1−b)P=\begin{pmatrix}1-a&a\\b&1-b\end{pmatrix}, l'état stable est (ba+b,aa+b)\left(\frac{b}{a+b},\frac{a}{a+b}\right).

Ce que le programme demande

Cette fiche réunit deux outils qui se complètent : les suites de matrices colonnes définies par récurrence, et les chaînes de Markov. En option Mathématiques expertes, le programme de Terminale fait étudier une suite de matrices colonnes (Un)(U_n) liée par une relation de récurrence, et demande de savoir calculer des puissances de matrices carrées de petite taille (2 ou 3 lignes) 1. Pour une chaîne de Markov, il introduit la matrice de transition, le graphe pondéré associé et la matrice ligne π0\pi_0 qui décrit la loi de départ 1.

Suite de matrices colonnes $U_{n+1}=AU_n+B$

Chaîne de Markov : loi à l'étape $n$

État stable

Démonstration · Pourquoi la suite se rapproche de l'état stable

Notons xnx_n la première coordonnée de πn\pi_n ; la seconde vaut 1−xn1-x_n. Alors

xn+1=(1−a)xn+b(1−xn)=(1−a−b)xn+b.x_{n+1}=(1-a)x_n+b(1-x_n)=(1-a-b)x_n+b.

Avec x=ba+bx=\frac{b}{a+b}, qui vérifie x=(1−a−b)x+bx=(1-a-b)x+b, on obtient en soustrayant : xn+1−x=(1−a−b)(xn−x)x_{n+1}-x=(1-a-b)(x_n-x). Donc xn−x=(1−a−b)n(x0−x)x_n-x=(1-a-b)^n(x_0-x). Si ∣1−a−b∣<1|1-a-b|<1, ce terme tend vers 0 : la loi se rapproche de l'état stable, quelle que soit la loi initiale.

Réflexes pour le jour de l'épreuve

Questions flash

4 questions · correction immédiate · ton score reste sur ton appareil.

  1. Une chaîne de Markov a pour loi initiale la matrice ligne π0\pi_0 et pour matrice de transition PP. Quelle est la loi à l'étape nn ?

  2. Pour P=(0.80.20.30.7)P=\begin{pmatrix}0.8&0.2\\0.3&0.7\end{pmatrix}, quelle est la première coordonnée de l'état stable ?

  3. Pour Un+1=AUn+BU_{n+1}=AU_n+B avec I−AI-A inversible, la suite Vn=Un−UV_n=U_n-U, où U=AU+BU=AU+B, vérifie Vn+1=AVnV_{n+1}=AV_n.

  4. Quelles conditions caractérisent un état stable π\pi ?

    Plusieurs réponses possibles.

Les questions qu'on se pose

Pourquoi faut-il ajouter la condition « somme égale à 1 » pour trouver l'état stable ?

Le système πP=π\pi P=\pi est homogène : si π\pi le vérifie, tout multiple de π\pi aussi. Il admet donc une infinité de solutions. La condition x+y=1x+y=1 choisit celle qui est une loi de probabilité, c'est-à-dire la seule qui a un sens pour la chaîne.

L'état stable dépend-il de la loi initiale ?

Non, l'état stable ne dépend que de PP. Dans le cas à deux états avec ∣1−a−b∣<1|1-a-b|<1, on a vu que xn−x=(1−a−b)n(x0−x)x_n-x=(1-a-b)^n(x_0-x) : quelle que soit x0x_0, la suite se rapproche de la même valeur xx. C'est la loi initiale qui change seulement la vitesse d'approche.

Comment savoir si je dois utiliser une matrice ligne ou colonne ?

Regarde le type de suite. Pour une chaîne de Markov, la loi est une matrice ligne πn\pi_n et le produit s'écrit πnP\pi_nP. Pour une récurrence du type Un+1=AUn+BU_{n+1}=AU_n+B, les termes sont des matrices colonnes et AA multiplie à gauche. Le sens du produit découle de ces deux conventions.

Sources

Programme visé : Programme de Terminale Mathématiques expertes — Graphes et matrices · eduscol.education.fr

  1. Programme de Terminale Mathématiques expertes — Graphes et matrices, eduscol.education.fr. Consulté le 6 novembre 2026.
  2. Matrice de Householder, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.
  3. Représentation d'état, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.

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