R´eduction d’un endomorphisme en dimension finie.
Par Nicolas Lanchier 1
1 Introduction.
Dans toute la suite, Kest un coprs commutatif et Eun K-espace vectoriel de dimension finie.
D´
efinition 1.1 Soit fL(E) une application lin´eaire. Un ´el´ement λKest appel´e valeur
propre de l’endomorphisme fsi det(fλ·id) = 0. [1], Sect. 4.1
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efinition 1.2 Un vecteur xEest appel´e vecteur propre de fassoci´e `a la valeur propre
λsi f(x) = λ·x. [1], Sect. 4.1
Proposition 1.3 Si λest une valeur propre de fl’ensemble Eλ= Ker(fλ·id) est un
sous-espace vectoriel de Estable par fappel´e sous-espace propre de fassoci´e `a la valeur propre
λ. [1], Sect. 4.1
D´
efinition 1.4 Soit Ala matrice d’une application lin´eaire fL(E). On appelle polynˆome
caract´eristique de Ale polynˆome PA(X) = det(AX·id). [1], Sect. 4.1
Proposition 1.5 Il existe un unique polynˆome PK[X] unitaire et de degr´e minimal tel
que P(A) = 0. Un tel polynˆome est appel´e polynˆome minimal de la matrice A. [1], Sect. 4.2
2 Diagonalisation et trigonalisation.
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efinition 2.1 Une matrice Aest dite diagonalisable (resp. trigonalisable) si elle est sem-
blable `a une matrice diagonale (resp. triangulaire). [1], Sect. 4.1
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efinition 2.2 Un endomorphisme fL(E) est diagonalisable (resp. trigonalisable) si sa
matrice dans une base quelconque de Eest diagonalisable (resp. trigonalisable). [1], Sect. 4.1
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eme 2.3 Pour tout endomorphisme fL(E), les propri´et´es suivantes sont ´equivalentes :
1. fest diagonalisable ;
2. Pfest scind´e sur K, et pour toute racine λde Pf, l’ordre de multiplicit´e de λ= dim Eλ;
3. Il existe des valeurs propres λ1, λ2, . . . , λrtelles que E=Eλ1Eλ2⊕ · · · Eλr.
[1], Sect. 4.1
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eme 2.4 Un endomorphisme fL(E) est diagonalisable si et seulement si son po-
lynˆome minimal est scind´e `a racines simples. [1], Sect. 4.2
Th´
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eme 2.5 Un endomorphisme fL(E) est trigonalisable si et seulement si son po-
lynˆome caract´eristique est scind´e sur K. [1], Sect. 4.1
Th´
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eme 2.6 Pour tout rN, posons Γr={PC[X] ; deg P=r}. Alors pour tous n,
m1, il existe une application continue R: Γn×ΓmCappel´ee r´esultant telle que R(P, Q)6= 0
si et seulement si Pet Qsont premiers entre-eux. [1], Sect. 1.4
Application 2.7 Soit Dl’ensemble des matrices diagonalisables de Mn(C). L’int´erieur de D
est l’ensemble des matrices dont les valeurs propres sont toutes distinctes. [1], Sect. 4.5
Th´
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eme 2.8 Soient fet gdeux endomorphismes diagonalisables (resp. trigonalisables). Si
fet gcommutent alors ils sont codiagonalisables (resp. cotrigonalisables), i.e. il existe une base
commune de diagonalisation (resp. de trigonalisation) de fet g. [1], Sect. 4.1
1Tout usage commercial, en partie ou en totalit´e, de ce document est soumis `a l’autorisation explicite de l’auteur.
3 ecomposition de Dunford et r´eduction de Frobenius.
Th´
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eme 3.1 (d´
ecomposition de Dunford) Soit fL(E) un endomorphisme dont le
polynˆome caract´eristique est scind´e sur K. Alors il existe un couple (d, n) d’endomorphismes de
Eavec ddiagonalisable, nnilpotent et tels que
1. f=d+n;
2. d·n=n·d. [1], Sect. 4.4
D´
efinition 3.2 Un endomorphisme fL(E) est dit cyclique s’il existe xEtel que
E={P(f)(x) ; PK[X]}. [1], annexe B.1
Th´
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eme 3.3 Etant donn´e fL(E), il existe une suite F1, F2,··· , Frde sous-espaces
vectoriels de Estables par fet tels que
1. E=F1F2 · · · Fr
2. Pour tout 1 ir, la restriction fide f`a Fiest un endomorphisme cyclique de Fi
3. Si Piesigne le polynˆome minimal de fialors pour tout 1 ir,Pi+1 divise Pi
De plus, la suite P1, P2,··· , Prne d´epend que de fet non du choix de la ecomposition ; on
l’appelle suite des invariants de similitude de f. [1], Sect. B.1
D´
efinition 3.4 Soit P(X) = Xn+an1Xn1+··· +a1X+a0. On appelle matrice
compagnon du polynˆome Pla matrice
C(P) =
0··· ··· 0a0
1 0 .
.
.a1
0 1 ....
.
..
.
.
.
.
.......0an2
0··· 0 1 an1
Th´
eor`
eme 3.5 (r´
eduction de Frobenius) Notons P1, P2,··· , Prla suite des invariants
de similitude de fL(E) et pour tout 1 ir,C(Pi) la matrice compagnon de Pi. Alors il
existe une base de Edans laquelle la matrice de fest donn´ee par
A=
C(P1) 0
...
0C(Pr)
[1], Sect. B.1
R´ef´erences
[1] Xavier Gourdon. Les maths en tˆete. Alg`ebre. Ellipses, 1994.
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