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Diagonalisabilité des endomorphismes scindés simples
Exercice 1 [ 00851 ] [Correction]
Soient Eun K-espace vectoriel de dimension nNet p∈ L(E) tel que p2soit un
projecteur.
(a) Quelles sont les valeurs propres possibles pour p?
(b) Montrer que pest diagonalisable si, et seulement si, p3=p.
Exercice 2 [ 00852 ] [Correction]
Soient Eun espace vectoriel de dimension 3 et fun endomorphisme de Evérifiant
f4=f2
On suppose que 1 et 1 sont valeurs propres de f. Montrer que fest diagonalisable.
Exercice 3 [ 03030 ] [Correction]
Soient P∈ Mn(R) une matrice de projection et ϕl’endomorphisme de Mn(R) défini par
ϕ(M)=PM +MP
Montrer que l’endomorphisme ϕest diagonalisable
Exercice 4 [ 02720 ] [Correction]
Soit nN,u∈ L(R2n+1). On suppose u3=u, tr u=0 et tr u2=2n. On note
C(u)=nv∈ L(R2n+1)|uv =vuo
(a) Calculer la dimension C(u).
(b) Quels sont les ntels que C(u)=R[u]?
Exercice 5 [ 02721 ] [Correction]
Soit A∈ Mn(R). On pose fA(M)=AM, pour toute matrice M∈ Mn(R).
(a) Montrer que si A2=Aalors fAest diagonalisable.
(b) Montrer que fAest diagonalisable si, et seulement si, Aest diagonalisable.
Exercice 6 [ 00853 ] [Correction]
Soit A∈ Mn(C). On pose f(M)=AM pour toute M∈ Mn(C).
(a) L’application fest-elle un endomorphisme de Mn(C) ?
(b) Étudier l’équivalence entre les inversibilités de Aet de f.
(c) Étudier l’équivalence entre les diagonalisabilités de Aet de f.
Exercice 7 [ 03646 ] [Correction]
Soient f,u,vtrois endomorphismes d’un R-espace vectoriel Ede dimension finie. On
suppose qu’il existe α, β Rdistincts tels que
Id =u+v
f=αu+βv
f2=α2u+β2v
(a) Montrer que fest diagonalisable.
(b) Justifier que uet vsont des projections vectorielles dont on précisera noyau et image
en fonction des espace ker( fαId) et ker( fβId).
(c) Exprimer fnpour tout nNen fonction de α, β et u,v.
Exercice 8 [ 03028 ] [Correction]
Soient α, β Ket u,v,ftrois endomorphismes d’un K-espace vectoriel Ede dimension
finie vérifiant
f=αu+βv
f2=α2u+β2v
f3=α3u+β3v
Montrer que fest diagonalisable.
Exercice 9 [ 03798 ] [Correction]
Soient Eun K-espace vectoriel de dimension finie et F,Gdeux sous-espaces vectoriels
supplémentaires non triviaux. On note pla projection sur Fparallèlement à Get sla
symétrie par rapport à Fet parallèlement à G. Enfin on pose pour fendomorphisme de F
φ(f)=pfs
ce qui définit un endomorphisme φsur L(E).
(a) Montrer que φannule un polynôme « simple ». L’endomorphisme φest-il
diagonalisable ?
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(b) Déterminer les éléments propres de φ.
(indice : on pourra considérer les matrices de pet sdans une base adaptée à la
décomposition E=FG)
Exercice 10 [ 03744 ] [Correction]
Soient nNet E=Mn(R). Pour A,BEfixées non nulles, on définit f∈ L(E) par
ME,f(M)=M+tr(AM)B
(a) Déterminer un polynôme annulateur de degré 2 de fet en déduire une condition
nécessaire et susante sur (A,B) pour que fsoit diagonalisable. Quels sont alors les
éléments propres de f?
(b) Déterminer dim C
C={g∈ L(E)|fg=gf}
[Énoncé fourni par le concours CENTRALE-SUPELEC (CC)-BY-NC-SA]
Exercice 11 [ 02410 ] [Correction]
Soit n2, A∈ Mn(R) et fl’endomorphisme de Mn(R) défini par
f(M)=tr(A)Mtr(M)A
où tr désigne la forme linéaire trace.
Étudier la réduction de l’endomorphisme fet préciser la dimension de ses sous-espaces
propres.
Exercice 12 [ 02513 ] [Correction]
Soit uun endomorphisme d’un R-espace vectoriel Ede dimension finie tel qu’il existe
deux réels non nuls distincts aet bvérifiant
(uaId)(ubId) =0
Soient
p=1
ba(uaId) et q=1
ab(ubId)
(a) Calculer p+q,pp,qqet qp.
(b) Montrer que E=ker pker q.
(c) Trouver les éléments propres de u. L’endomorphisme uest-il diagonalisable ?
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Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
(a) Puisque p4=p2, une valeur propre λdoit vérifier λ4=λ2donc λ{1,0,1}.
(b) Si pest diagonalisable alors sa matrice Adans une base de vecteurs propres sera
diagonale avec des 1,0 ou 1 sur la diagonale. Comme alors A3=Aon a p3=p.
Si p3=palors pest annulé par un polynôme scindé à racines simples donc pest
diagonalisable.
Exercice 2 : [énoncé]
Si 1 et 1 sont les seules valeurs propres alors fGL(E) et la relation f4=f2donne
f2=Id ce qui fournit un polynôme annulateur scindé à racines simples et permet de
conclure.
Si 1 et 1 ne sont pas les seules valeurs propres c’est que 0 est aussi valeur propre car les
valeurs propres figurent parmi les racines de tout polynôme annulateur. fprésente alors
3=dim Evaleurs propres distincts donc fest diagonalisable.
Exercice 3 : [énoncé]
ϕ2(M)=P(PM +MP)+(PM +MP)P=PM +2PMP +MP car P2=P.
ϕ3(M)=PM +6PMP +MP.
Par suite ϕ3(M)3ϕ2(M)=2PM 2MP =2ϕ(M).
Ainsi ϕannule le polynôme X33X2+2X=X(X1)(X2).
Puisque ce polynôme est scindé simple, l’endomorphisme ϕest diagonalisable.
Exercice 4 : [énoncé]
(a) Puisque u3=u, par annulation d’un polynôme scindé simple, on peut armer que u
est diagonalisable de valeurs propres possibles 0,1,1. Par les égalités tr u=0 et
tr u2=2non peut armer qu’il existe une base de R2n+1dans laquelle la matrice de
uest de la forme
A=
In0 0
0In0
0 0 0
Les matrices commutant avec Aétant celle de la forme
M0 0
0N0
0 0 α
avec M,N∈ Mn(R), on peut armer
dim C(u)=2n2+1
(b) Πu=X3Xdonc dim R[u]=3 et par suite C(u)=R[u]si, et seulement si, n=1.
Exercice 5 : [énoncé]
(a) Si A2=Aalors f2
A=fA.fAest une projection donc diagonalisable.
(b) Pour tout PR[X], on observe P(fA): M7→ P(A)Mde sorte que
P(fA)=0P(A)=0
Tout endomorphisme étant diagonalisable si, et seulement si, il annule un polynôme
scindé simple, on peut conclure.
Exercice 6 : [énoncé]
(a) oui.
(b) Si Aest inversible alors M7→ A1Mest clairement application réciproque de f.
Si fest inversible alors posons B=f1(In). On a AB =Indonc Aest inversible.
(c) On observe que fn(M)=AnMdonc pour PC[X],
P(f)(M)=P(A)M
Par suite Pest annulateur de fsi, et seulement si, il est annulateur de A.
Puisque la diagonalisabilité équivaut à l’existence d’un polynôme annulateur scindé
à racines simples, on peut conclure.
Exercice 7 : [énoncé]
(a) En développant, on vérifie ( fαId) (fβId) =˜
0.
L’endomorphisme fannule un polynôme scindé simple, il est donc diagonalisable.
De plus Sp f{α, β}.
On a f(x)=αxβv(x)=αv(x)v(x)=0.
(b) On a ( fβId) =(αβ)uet ( fαId) =(βα)v.
La relation ( fαId) (fβId) =˜
0 donne vu=˜
0 et par un calcul symétrique on
obtient aussi uv=˜
0.
On en déduit u=uId =u2+uv=u2et donc uest une projection vectorielle.
De plus ker u=ker ((αβ)u)=ker( fβId) et
Im u=ker(Id u)=ker v=ker( fαId).
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(c) Par récurrence fn=αnu+βnv.
Exercice 8 : [énoncé]
Par élimination de u, on a f2αf=β(βα)vet f3αf2=β2(βα)v.
Par élimination de v, on obtient f(fαId) (fβId) =˜
0.
Ainsi P=X(Xα)(Xβ) est annulateur de f.
Cas α,βet α, β ,0
fest diagonalisable car annule un polynôme scindé simple.
Cas α=β=0
fest diagonalisable car fest l’endomorphisme nul.
Cas β=0 et α,0.
On a f2αf=0 donc fest diagonalisable car annule le polynôme scindé simple
X(Xα).
Cas α=0 et β,0.
Semblable.
Cas α=β,0.
On a f=α(u+v) et f2=α2(u+v) donc à nouveau f2αf=0.
Dans tous les cas, l’endomorphisme fest diagonalisable.
Exercice 9 : [énoncé]
(a) On a
φ3(f)=p3fs3=pfs=φ(f)
L’endomorphisme φannule le polynôme X3X=X(X1)(X+1).
Ce polynôme étant scindé simple, l’endomorphisme φest diagonalisable.
(b) Les valeurs propres possibles de φsont 0,1,1.
En raisonnant dans une base adaptée à la décomposition E=FG, les matrices de
pet ssont de la forme
IrO
O O!et IrO
OIs!
avec r=dim Fet s=dim G. La matrice de fsera dans une même décomposition
par blocs de la forme
A B
C D!
et par calcul la matrice de φ(f) sera
AB
O O !
Il est alors facile de résoudre les équations φ(f)=λfpour λ=0,1,1.
On obtient
E0(φ)={f∈ L(E)|Im fG}
E1(φ)={f∈ L(E)|Gker fet Im fF}
et
E1(φ)={f∈ L(E)|Fker fet Im fG}
Exercice 10 : [énoncé]
(a) On a
f(f(M)) =M+(2 +tr(AB)) tr(AM)B
donc
P(X)=X2(2 +tr(AB))X+1+tr(AB)
est annulateur de f. Les racines de ce polynôme sont 1 et 1 +tr(AB).
Si tr(AB),0 alors fest diagonalisable car annulé par un polynôme scindé simple.
Pour Mappartenant à l’hyperplan défini par la condition tr(AM)=0, on a
f(M)=M.
Pour MVect(B),{0}, on a f(M)=(1 +tr(AB))M.
Ce qui précède détermine alors les sous-espaces propres de f.
Si tr(AB)=0 alors 1 est la seule valeur propre possible de fet donc fest
diagonalisable si, et seulement si, f=Id ce qui donne la conditio
M∈ Mn(R),tr(AM)B=On
Cette propriété a lieu si, et seulement si, A=Onou B=On.
(b) Si A=Onou B=Onalors f=Id et donc
dim C=n4
Si tr(AB),0 alors fest diagonalisable avec des sous-espaces propres de dimensions
1 et n21. On en déduit
dim C=1+(n21)2
Il reste à étudier le cas complémentaire
tr(AB)=0 et A=Onou B=On
Considérons une base de l’hyperplan de Mn(R) donnée par l’équation tr(AM)=0
dont le premier éléments serait B. Complétons celle-ci en une base de Mn(R). La
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matrice de fdans cette base est de la forme
1 (0) λ
...
(0) 1 (0)
(0) 1
avec λ,0
En étudiant la commutation avec une telle matrice, on obtient
dim C=n42n2+2
Exercice 11 : [énoncé]
On observe
ff(M)=tr(A)(tr(A)Mtr(M)A)tr (tr(A)Mtr(M)A)A=tr(A)f(M)
Ainsi
ff=tr(A).f
Si tr A,0 alors l’endomorphisme fest diagonalisable car annule le polynôme
X2tr(A)Xqui est scindé à racines simples.
Si tr A=0 alors les valeurs propres de ffigurent parmi les racines du polynôme X2. Seule
0 peut donc être valeur propre de fet par conséquent fest diagonalisable si, et seulement
si, f=˜
0. Ceci correspond au cas A=On.
Déterminons maintenant les sous-espaces propres de f.
Le cas A=Onest immédiat. Supposons-le désormais exclu.
Si tr(M)=0 alors
f(M)=tr(A)M
Pour Mmatrice de l’hyperplan des matrices de trace nulle, f(M)=λMavec λ=tr(A).
On en déduit que tr(A) est valeur propre de Met le sous-espace propre associé est de
dimension au moins n21.
Dans le cas où tr(A)=0, l’endomorphisme n’est pas diagonalisable et la dimension du
sous-espace propre associé à la valeur propre tr(A) est exactement n21.
Dans le cas où tr(A),0, l’endomorphisme fest diagonalisable et donc la dimension des
sous-espaces propres des valeurs propres 0 et tr(A) sont respectivement 1 et n21.
Exercice 12 : [énoncé]
(a) p+q=Id, pq=0 car (uaId)(ubId) =0, p=pId =pp+pq=pp,
aussi qq=qvia qp=0.
(b) ker p=ker(uaId), ker q=ker(ubId) et (uaId)(ubId) =0 donne par le
lemme de décomposition des noyaux, E=ker pker q.
(c) uest diagonalisable car annule un polynôme scindé simple,
Sp(u)={a,b},Ea(u)=ker p,Eb(u)=ker qà moins que u=aId ou u=bId.
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