30 D´
ecomposition de Dunford et applications
Th´eor`eme. — Soit f∈ L(E)tel que χfsoit scind´e alors il existe d∈ L(E)diagonalisable et n∈ L(E)
nilpotent tels que u=d+net v´erifiant
–d◦n=n◦d
–d, n sont uniques avec cette propri´et´e
–det nsont des polynˆomes en f
D´emonstration. — On ´ecrit µf= (X−λ1)m1···(X−λs)mset on note Fi= ker(f−λiid)miles sous-
espaces caract´eristiques correspondants, alors E=F1⊕···⊕Fset les Fisont stables, on d´efinit donc d
et nsur les Fi. On pose d|Fi=λiidFiet n|Fi=f−λiidFi. Alors n|Fiest nilpotent d’indice midonc nest
nilpotent d’indice m= sup{m1, . . . , ms}. Sur chaque Fi,diest une homoth´etie donc d◦n=n◦d. Si on
note pile projecteur sur Fiparall`element `a F1⊕···⊕Fi−1⊕Fi+1 ⊕···⊕Fsalors d=λ1p1+···+λsps
or, d’apr`es le th´eor`eme de d´ecomposition des noyaux, les projecteurs sont des polynˆomes en fdonc d
est un polynˆome en fet c’est aussi le cas de n=f−d.
Supposons maintenant que f=d0+n0soit une autre d´ecomposition. Puisque d0commute avec n0(et
avec d0), d0commute avec fdonc d0laisse stable les Fi= ker(f−λiid)mi. Or sur Fi,det d0sont des
homoth´eties donc commutent sur Fiet il en r´esulte que det d0commutent sur E. Par cons´equent, on
peut diagonaliser det d0dans une mˆeme base B, ce qui signifie que dans Bla matrice de d−d0est
diagonale. Mais comme det d0commutent, n=f−det n0=f−d0commutent aussi or net n0sont
nilpotents donc la formule de Newton donne
(n−n0)p+q=X
i+j=p+q
Ci
p+qni(−1)j(n0)j= 0
i.e. n−n0=d0−dest nilpotent et diagonalisable donc n−n0=d0−d= 0.
Application. — Si A∈GLn(C) alors il existe B∈ Mn(C) telle que A= exp B.
D´emonstration. — Soit A∈GLn(C) alors, quitte `a raisonner sur les blocs de Jordan de A, on peut
supposer que Aest de la forme A=λ(Im+N) o`u Nest nilpotente. On pose alors C= Im+Net
D= log C=N−N2
2+··· + (−1)mNm−1
m−1
et on va montrer que exp D=C. On consid`ere
D(t) = tN −t2
2N2+··· + (−1)mtm−1
m−1Nm−1
d’o`u en d´erivant
D0(t) = N−tN2+··· + (−1)mtm−2Nm−1
et comme Nm= 0 (puisque Nest nilpotente et que l’on consid`ere des matrices de Mm(K)) on a
(Im+tN)D0(t) = N.
Puisque D(t) et D0(t) commutent, en posant S(t) = exp D(t), il vient
S0(t) = D0(t) exp D(t)i.e. (Im+tN)S0(t) = NS(t)
et en d´erivant `a nouveau, on obtient finalement (Im+tN )S00(t) = 0 or Im+tN est inversible donc
S00(t) = 0 d’o`u S(t) = S(0) + tS0(0) = Im+tN et pour t= 1, on a bien exp D= Im+N=C.
Consid´erons maintenant µ∈Ctel que eµ=λalors
exp(µIm+D) = exp(µIm) exp D=λIm.C =λIm(Im+N) = A.
Application. — Si A∈ Mn(R) a un polynˆome caract´eristique χAscind´e alors
Adiagonalisable ⇐⇒ exp Adiagonalisable.
S´ebastien Pellerin