•Montrez que l’ensemble des matrices diagonalisables de Mn(C) est connexe et dense. Quel est son int´erieur?
Qu’en est-il sur R?
•Montrez que la classe de similitude de Aest ferm´ee si et seulement si Aest diagonalisable.
Exercices corrig´es
Exercice 1. Donnez les sous-groupes commutatifs d’exposant rde GLn(C). En d´eduire que GLn(C)'GLm(C)
si et seulement si n=m.
Preuve : Soit Gun sous-groupe commutatif de GLn(C) d’exposant r. Pour tout g∈G, on a donc gr= Id
i.e. Xr−1 est un polynˆome annulateur scind´e `a racines simples de gde sorte que gest diagonalisable dans une
base (e1,· · · , en). Pour tout g0∈G,get g0commutent et sont diagonalisables, on en d´eduit donc qu’ils sont
simultan´ement diagonalisables. Ainsi la matrice de tout g∈Gdans la base (e1,· · · , en), est diagonale de la forme
diag(ξ1,· · · , ξn) o`u ξiest une racine r-i`eme de l’unit´e. On en d´eduit donc que G'(Z/rZ)n.
Si les deux groupes GLn(C) et GLm(C) sont isomorphes, leurs sous-groupes commutatifs d’exposant rse
correspondent soit (Z/rZ)n'(Z/rZ)met donc n=mpar cardinalit´e.
Exercice 2. Montrer que Ade GLn(C)est diagonalisable si et seulement si il existe ktel que Akl’est.
Preuve : Le sens direct est ´evident. Dans l’autre sens, on raisonne dans chacun des espaces caract´eristiques de
sorte que l’on se ram`ene `a une unique valeur propre λ. On ´ecrit Asous la forme λ(In+N) avec Nnilpotent. On
a alors (In+N)k=In+kN +· · · . Or on remarque que kN +· · · est nilpotent et semblable `a N(utiliser Jordan),
d’o`u le r´esultat.
Exercice 3. Proposez un test effectif pour savoir si une matrice complexe est diagonalisable `a valeurs propres
distinctes. Traitez ensuite le cas des matrices r´eelles.
Preuve : Une matrice de Mn(K) est diagonalisable `a valeurs propres distinctes si et seulement si son polynˆome
minimal est de degr´e net est scind´e `a racines simples. Sur C, il suffit alors de tester si le polynˆome caract´eristique
χest `a racines simples. Pour cela il suffit de v´erifier qu’un pgcd de χet χ0est ´egal `a 1.
Sur R, il faut en plus tester si χest scind´e. Pour cela on dispose des suites de Sturm qui nous donnent le
nombre de racines r´eelles de χ.
Exercice 4. Soient Aet Bdeux matrices simultan´ement diagonalisables. Existe-t-il un polynˆome Ptel que
B=P(A)? Montrer qu’il existe une matrice Cainsi que des polynˆomes PA, PBtels que A=PA(C)et B=PB(C).
Preuve : Si on prend A=Inalors P(A) = P(1)Inde sorte que si Best diagonalisable sans ˆetre scalaire, il ne
peut exister un tel P.
Le probl`eme dans la question pr´ec´edente venait des racines multiples. Soit Pla matrice de passage de la
base canonique `a la base de diagonalisation commune de Aet B:P AP −1= diag(a1,· · · , an) et P BP −1=
diag(b1,··· , bn). Prenons alors Ctel que P CP −1= diag(c1,· · · , cn) avec les cidistincts deux `a deux, par exemple
ci=i. On choisit alors PA(resp. PB) tel que pour tout i,PA(ci) = ai(resp. PB(ci) = bi): c’est possible en
utilisant par exemple les polynˆomes d’interpolation de Lagrange. On a donc bien A=PA(C) et B=PB(C).
Exercice 5. Soit aun endomorphisme non diagonalisable, trouvez les polynˆomes Ptel que P(a)soit diagonalisable
(traitez le cas de Cpuis de R).
Preuve : Sur C: on note µa(X) = Qλ(X−λ)rλle polynˆome minimal de a. Pour toute valeur propre λ, on
se place sur le sous-espace caract´eristique associ´e E(λ). Si P(a) est diagonalisable alors sa restriction `a E(λ)est
P(λ)Id. Or on a P(a)−P(λ)Id = (a−λId)Qλ(a); pour que ce dernier soit nul il faut que Qλ(a)(E(λ))⊂Eλo`u
Eλest le sous-espace propre. Ainsi il faut que (X−λ)rλ−1divise Qλ(X) ce qui est ´equivalent, pour rλ>1 `a
P0(λ) = P”(λ) = ···=P(rλ−1)(λ) = 0
R´eciproquement si cette derni`ere condition est v´erifi´ee pour tout valeur propre λalors P(a) est diagonalisable.
Sur R: on se place dans Cde sorte qu’il faut que la condition pr´ec´edente soit v´erifi´ee pour toute valeur propre
λ. En outre il faut s’assurer que les valeurs propres P(λ) sont r´eelles. R´eciproquement si ces deux conditions sont
v´erifi´ees alors la matrice de adans la base canonique est semblable sur C`a une matrice diagonale r´eelle. Il est
bien connu alors qu’elle y est semblable sur R.
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