développement 11 décomposition de dunford et applications

D´
EVELOPPEMENT 11
D´
ECOMPOSITION DE DUNFORD ET APPLICATIONS
On note Eun K-espace vectoriel de dimension finie.
Lemme des noyaux. — Soit f∈ L(E)et Q1, . . . , QsK[X]des polynˆomes premiers entre eux deux
`a deux, alors
(i)les sous-espaces Ei= ker Qi(f)sont en somme directe,
(ii)
s
M
i=1
ker Qi(f) = ker(Q1Q2···Qs)(f),
(iii)les projecteurs associ´es `a cette somme directe sont dans K[f]
D´emonstration. Posons Pi=Y
j6=i
Qialors les Pisont premiers dans leur ensemble. En effet, consid´erons
un diviseur ∆ des Pialors ∆ divise P1=Q2···Qs, donc un Qi0pour i02, et ∆ divise aussi
Pi0=Q1···Qi01Qi0+1 ···Qs, donc un Qipour i6=i0; comme les Qjsont premiers entre eux deux `a
deux, on obtient bien que ∆ est inversible.
L’identit´e de B´ezout donne alors A1P1+··· +AsPs= 1 pour A1, . . . , AsK[X], d’o`u
A1(f)P1(f) + ··· +As(f)Ps(f) = id.
Soit xker(Q1···Qs)(f) alors
A1(f)P1(f)(x) + ··· +As(f)Ps(f)(x) = x.
On pose xi=Ai(f)Pi(f)(x), on a
Qi(f)(xi) = Qi(f)Ai(f)Pi(f)(x) = Ai(f)Pi(f)Qi(f)(x) = Ai(f)(Q1···Qs)(f)(x) = 0
i.e. xiker Qi(f). On a donc
ker(Q1···Qs)(f)
s
X
i=1
ker Qi(f)
et la r´eciproque est ´evidente puisque ker Qi(f)ker(Q1···Qs)(f) pour tout i, d’o`u
ker(Q1···Qs)(f) =
s
X
i=1
ker Qi(f).
Montrons que cette somme est directe : il suffit de montrer que si ω1+···+ωs= 0 avec ωjker Qj(f)
alors tous les ωjsont nuls. Pour j6=i, on a Ej= ker Qj(f)ker Pi(f) donc Ai(f)Pi(f)(ωj) = 0 et il
s’ensuit que
Ai(f)Pi(f)(ωj) = (A1(f)P1(f) + ··· +As(f)Ps(f))(ω1+··· +ωs) = 0
donc
ωj= (A1(f)P1(f) + ··· +As(f)Ps(f)) (ωj) = A1(f)P1(f)(ωj) + ··· +As(f)Ps(f)(ωj) = 0
Enfin, le projecteur sur Ejparall`element `a E1⊕ ··· ⊕ Ei1Ei+1 ··· ⊕ Esest πi=Ai(f)Pi(f) donc
πiK[f].
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
dn=nd
d, n sont uniques avec cette propri´et´e
det nsont des polynˆomes en f
D´emonstration. On ´ecrit µf= (Xλ1)m1···(Xλs)mset on note Fi= ker(fλiid)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=fλiidFi. Alors n|Fiest nilpotent d’indice midonc nest
nilpotent d’indice m= sup{m1, . . . , ms}. Sur chaque Fi,diest une homoth´etie donc dn=nd. Si on
note pile projecteur sur Fiparall`element `a F1···Fi1Fi+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=fd.
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(fλiid)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 dd0est
diagonale. Mais comme det d0commutent, n=fdet n0=fd0commutent aussi or net n0sont
nilpotents donc la formule de Newton donne
(nn0)p+q=X
i+j=p+q
Ci
p+qni(1)j(n0)j= 0
i.e. nn0=d0dest nilpotent et diagonalisable donc nn0=d0d= 0.
Application. Si AGLn(C) alors il existe B∈ Mn(C) telle que A= exp B.
D´emonstration. Soit AGLn(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=NN2
2+··· + (1)mNm1
m1
et on va montrer que exp D=C. On consid`ere
D(t) = tN t2
2N2+··· + (1)mtm1
m1Nm1
d’o`u en d´erivant
D0(t) = NtN2+··· + (1)mtm2Nm1
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 µCtel 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
31
D´emonstration. Si Aest diagonalisable alors exp Aest clairement diagonalisable. R´eciproquement,
notons A=D+Nla d´ecomposition de Dunford de Aalors exp A= exp Dexp N, puisque DN =N D.
D’autre part Aet Dcommutent donc il en est de mˆeme de exp(A) et exp(D) or ces deux matrices
sont diagonalisables donc on peut les diagonaliser dans une mˆeme base et exp N= exp(D) exp Aest
donc aussi diagonalisable. Comme la matrice
exp N= In+N+N2
2+··· +Nn1
(n1)!.
est unipotente, on a exp N= Ind’o`u
N+N2
2+··· +Nn1
(n1)! = 0
et le polynˆome
Q(X) = X+X2
2+··· +Xn1
(n1)!
est annulateur pour N. Donc Qest divisible par le polynˆome minimal de Nqui est de la forme Xkavec
1kndonc µN=Xi.e. N= 0.
Application. Si B∈ Mn(C) v´erifie ρ(B)<1 alors Bk
k+0.
D´emonstration. On se place dans une base de sous-espaces caract´eristiques alors
B=P1CP o`u C=
λ1I + N1
...
λsI + Ns
o`u les λisont les valeurs propres de Bet les Nisont nilpotents. Alors Bktend vers 0 si et seulement si
Cktend vers 0 et on se ram`ene donc `a montrer que chaque (λid + N)ktend vers 0. On note rl’ordre
de nilpotence de Nalors, puisque id et Ncommutent, pour tout kr, on a
(λid + N)k=λkid + C1
kλk1N+ C2
kλk2N2+··· + Cr1
kλkr+1Nr1.
Or |λ| ≤ ρ(B)<1 et les Cj
ksont des polynˆomes en kde degr´e au plus rdonc (λid + N)ktend vers 0
quand ktend vers l’infini.
Application. Soit AGLn(C) alors la suite (Ak)kZest born´ee si et seulement si Aest diagona-
lisable et Sp(A)S1.
D´emonstration. On regarde la suite (λid + N)kpour k0, on a (avec rindice de nilpotence de N)
(λid + N)k=λkid + C1
kλk1N+ C2
kλk2N2+··· + Cr1
kλkr+1Nr1
et la famille {id, N, . . . , N r1}est libre donc le comportement de la suite (λid + N)kest le mˆeme que
celui des monˆomes. La fait que (λid + N)ksoit born´e implique donc que |λ|<1, ou que |λ|= 1 et
N= 0. Pour k=`n´egatif, on a
(λid + N)`=λ`(id + N0)`
et, d’apr`es le cas pr´ec´edent, le fait que (λid + N)`soit born´e implique que λ1<1, ou que λ1= 1
et N0= 0. Finalement, on obtient |λ|= 1 et N= 0 i.e. Aest diagonalisable et ses valeurs propres sont
de module 1. La r´eciproque est claire.
S´ebastien Pellerin
32 D´
ecomposition de Dunford et applications
Le¸cons concern´ees
23 eduction d’un endomorphisme en dimension finie. Applications
24 Sous-espaces stables d’un endomorphisme d’un espace vectoriel de dimension finie. Applications
37 Endomorphismes diagonalisables
39 Endomorphismes nilpotents
40 Polynˆomes d’endomorphismes. Applications
R´ef´erence
X. Gourdon, Alg`ebre, Ellipses, 1994.
S´ebastien Pellerin
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