Repr´esentation de Jordan
Soit Mune matrice carr´ee r´eelle de dimension n. On suppose dans ce projet
que le polynˆome caract´eristique de Manracines r´eelles. Certaines racines sont
multiples.
1 Nombre de vecteurs propres
On note dil’ordre de multiplicit´e de la valeur propre λidans le polynˆome
caract´eristique.
1. Montrer que s’il existe divecteurs propres libres pour chaque λi, les
vecteurs propres forment une base de l’espace. Montrer que le syst`eme
des vecteurs propres est libre.
2. Montrer que s’il existe moins de divecteurs propres libres pour chaque λi,
les vecteurs propres ne forment pas une base de l’espace.
2 Propri´et´es du d´eterminant
Nous ´etudions comment le d´eterminant varie lorsqu’on modifie les colonnes de
la matrice M. On note M1,...Mnles vecteurs colonnes de la matrice et on
d´efinit Det(M1,...Mn) = det(M)
1. Forme altern´ee. Montrer que l’´echange de la colonne iavec la colonne
jchange seulement le signe du d´eterminant.
2. En d´eduire que si deux colonnes sont identiques, le d´eterminant est nul.
3. Multilin´earit´e. Montrer que pour aeel
Det(aM1,...Mn) = aDet(M1,...Mn).
Montrer que pour Xvecteur colonne de dimension nx1,
Det(M1+X, M 2,...Mn) = Det(M1, M2,...Mn) + Det(X, M2,...Mn).
Montrer que ce r´esultat est vrai pour un ajout sur les autres colonnes.
4. En d´eduire que si deux colonnes sont proportionnelles, le d´eterminant est
nul.
5. En d´eduire que si une colonne est combinaison lin´eaire des autres, le
d´eterminant est nul.
1
6. Soit Met Ndeux matrices carr´ees de dimension n et P=MN. Montrer
que Pi=Pn
k=1 ni,kMk. En d´eduire que
Det(P1, . . . , P n) =
n
X
k1=1
n
X
k2=1
. . .
n
X
kn=1 Y
j=1...,n
nj,kjDet(Mk1, . . . , Mkn)
En d´eduire que det(P)=det(N)det(M).
7. On suppose que Mest triangulaire par bloc :
M=A N
0B
o`u Aet Bsont des matrices carr´ees de taille k,nk. Montrer que
det(M) = det(A)det(B).
3 Th´eor`eme de Cayley-Hamilton
On peut associer `a un polynˆome une fonction qui transforme une matrice en
une matrice. Il suffit d’utiliser le fait que les fonctions puissances sont d´efinies
pour les matrices. Ces polynˆomes de matrice ont des propri´et´es plus faibles que
les polynˆomes sur le corps R.
1. Une difficult´e concerne la fonction constante. Comment d´efinir la fonction
matricielle qui correspond `a la fonction constante 1 ?
2. Un autre probl`eme concerne la factorisation. Soit A la matrice diagonale
2x2 de diagonale (0,1). Montrer que A annule le polynˆome X2X.
Montrer que deux autres matrices simples sont ´egalement solutions. En
d´eduire que la factorisation du polynˆome ne permet pas de caract´eriser
les racines.
Le th´eor`eme de Cayley-Hamilton ´enonce que le polynˆome caract´eristique de M
s’annule pour la matrice M. Pour d´emontrer le th´eor`eme, il suffit de d´emontrer
le r´esultat ´equivalent pour l’application lin´eaire qui correspond `a la matrice dans
une base fix´ee. Soit p(X) = anXn+· · · +a0le polynˆome caract´eristique de M.
Soit fl’application repr´esenee par Mdans la base (e1, . . . , en). On va montrer
que p(X) s’annule pour la fonction f. On d´efinit
p(f) = anfn+· · · +a0Id
o`u les puissances correspondent `a la composition (par exemple f2=ff) et
Id `a l’application lin´eaire identit´e qui `a xassocie x. On va montrer que p(f)
est la fonction nulle. Pour cela on montre que p(f)(x) = 0 quel que soit x.
Consid´erons d’abord un xtel que (x, f(x), fn1(x)) est une base de E.
1. Ecrire la matrice Nde l’application fdans cette base.
2
2. Calculer le polynˆome caract´eristique q(X) de N.
3. Montrer que q(f)(x) est nul.
4. Met Nont le mˆeme polynˆome caract´eristique. Pourquoi?
5. En d´eduire que p(f)(x) = 0.
Consid´erons maintenant un xtel que (x, f(x), . . . , fk1(x)) est libre, mais pas
(x, f(x), . . . , f k(x)) avec 0 < k < n.
1. Montrer qu’il existe une base de E tel que fest repr´esent´ee par une matrice
triangulaire par bloc Tavec Ade la forme de N.
2. Montrer que le polynˆome caract´eristique de Test le produit du polynˆome
caract´eristique r(X) de Aet de celui de B.
3. Montrer que r(f)(x) = 0. En d´eduire que p(f)(x) = 0. En conclure que
p(f) est la fonction nulle.
4 Polynˆome minimal
On appelle polynˆome minimal d’une matrice M, un polynˆome de degr´e minimal
qui s’annule sur la matrice.
1. Montrer que le polynˆome minimal d’une matrice diagonale n’a que des
racines simples.
2. En d´eduire la mˆeme propri´et´e pour une matrice diagonalisable.
5 Cas d’une seule valeur propre multiple et un
bloc de Jordan
1. Soit Mune matrice nxn de polynˆome minimal (Xλ)n. Soit fl’application
correspondant `a Msur un espace E pour une base donn´ee. Montrer qu’il
existe un vecteur wtel que (fλId)n1(w) est vecteur propre de M.
2. Montrer que (w, (fλId)(w),...,(fλId)n1(w)) est une base de l’espace.
3. Ecrire la matrice fdans cette base. Cette matrice particuli`ere s’appelle
matrice de Jordan. On la notera Jn.
6 Cas d’une seule valeur propre multiple et di-
agonale de blocs de Jordan
1. On note Fil’espace ker(fλId)i. Montrer que F1est l’espace engendr´e
par les vecteurs propres et que Fk=E.
3
2. Montrer que les Fisont des espaces vectoriels emboit´es.
3. Montrer que Eest la somme directe de kespaces vectoriels : E=U1+
· · · +Ukavec Fi=U1+· · · +Ui.
4. Montrer que (fλId)(Ui)Ui1.
5. On choisit une base dans (ek,1
k, . . . , ek,dk
k) dans Uk. On note ek,i
kjl’image
de ek,i
kpar (fλId)j; montrer que les ek,1
1sont des vecteurs propres.
Montrer que (ek,1
i, . . . , ek,dk
i) est un syst`eme libre pour tout i.
6. Montrer que le syst`eme form´e des ek,j
i,j= 1 . . . dk,i= 1, . . . , k est libre.
Chaque couche (ifix´e) est libre et les Uisont suppl´ementaires.
7. Montrer que si le syst`eme pr´ec´edent n’est pas une base, il existe un ltel que
Ulcontient un vecteur xnon engendr´e par le syst`eme; choisir le plus grand
let compl´eter le syst`eme (ek,1
l, . . . , ek,dk
l) par des vecteurs (el,1
l, . . . , el,dl
l)
pour former une base de Ul. Montrer que le syst`eme form´e des ek,j
i,
j= 1 . . . dk,i= 1, . . . , k et des (el,1
l, . . . , el,dl
l), j= 1 . . . dl,i= 1, . . . , l est
libre.
8. Expliquer pourquoi on peut r´eit´erer l’op´eration pr´ec´edente pour construire
une base.
9. Quelle est la forme de la matrice de l’application fdans cette base ?
7 Calcul de l’exponentielle
Soit Aet Bdeux matrices carr´ees. On rappelle qu’on peut d´efinir une norme
matricielle par kAk= maxj=1,...,n |Pi=1,...,n ai,j |
1. Montrer que kABk≤ kAkkAk.
2. Montrer que exp(A) = Pn0An/n! est une matrice bien d´efinie.
3. Soit Aet Bdeux matrices qui commutent; montrer que exp(AB) =
exp(A) exp(B).
4. Soit Aune matrice diagonalisable. Calculer les puissances de Apuis
l’exponentielle.
5. Soit Sla matrice telle que si,i+1 = 1 pour i= 1, . . . , n 1. Calculer les
puissances de Set son exponentielle.
6. Soit Mde dimension net de polynˆome caract´eristique et minimal (xλ)n;
Utiliser la forme de Jordan de Mpuis la d´ecomposer en une matrice
diagonale Det S. Calculer l’exponentielle de M. Remarquer que les
matrices Det Scommutent.
4
8 Application aux syst`emes d’´equations diff´erentielles
lin´eaires
1. Exprimer en s´erie f(t) = exp(tA) o`u test un r´eel. Calculer f0(t) et
comparer `a f(t). Ce calcul formel est-il correct? Oui on peut revenir `a la
d´efinition par le taux d’accroissement et utiliser la formule exponentielle
de produit pour revenir au taux d’accroissement en z´ero.
2. Soit l’´equation diff´erentielle r´eelle x0(t) = ax(t); x(0) = X; quelle est sa
solution ? Exponentielle de coefficient a.
3. Soit un syst`eme d’´equations diff´erentielles lin´eaires :
x0
1(t) = a1,1x1(t) + a1,2x2(t);
x0
2(t) = a2,1x1(t) + a2,2x2(t);
avec conditions initiales x1(0) = X1,x2(0) = X2. Peut on r´esoudre
s´epar´ement les deux ´equations ?
4. On note X(t) le vecteur colonne form´e de (x1(t), x2(t)), Ala matrice de
coefficient ai,j et Xle vecteur colonne form´e de (X1, X2). Montrer que la
solution du syst`eme lin´eaire est
X(t) = exp(tA)X.
Il n’y a qu’une solution (revoir conditions de Cauchy).
5. On consid`ere un syst`eme d’´equations diff´erentielles lin´eaires de dimension
navec une matrice Adiagonalisable. Montrer que les fonctions xisolutions
du syst`eme sont des combinaisons lin´eaires d’exponentielles de param`etres
les valeurs propres de la matrice.
6. On consid`ere un syst`eme d’´equations diff´erentielles lin´eaires de dimension
navec une matrice Ade polynˆome minimal (Xλ)k. Montrer que les
fonctions xisolutions du syst`eme sont le produit d’un polynˆome de degr´e
au plus ket de l’exponentielle de param`etre λ.
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