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 didans le polynˆome car-
act´eristique.
1. Compter les vecteurs propres et comparer `a la dimension.
2. Compter les vecteurs propres et comparer `a la dimension.
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. L’´echange revient `a ajouter la transposition (i, j) `a
toutes les permutations de la formule du d´eterminant.
2. Le d´eterminant est ´egal `a son oppos´e par la question pr´ec´edente.
3. Utiliser la formule des mineurs par rapport `a la colonne.
4. On sort du d´eterminant le coefficient de proportionalit´e et on a deux
colonnes identiques.
5. On utilise la lin´earit´e par rapport `a cette colonne pour ´ecrire le d´eteminant
comme une somme de d´eterminant `a colonnes identiques.
6. On utilise la lin´earit´e par rapport `a chaque colonne pour ´etablir la premi`ere
formule (identique au d´eveloppement d’un produit de nsommes de taille
n). On ´elimine tous les d´eterminants o`u deux kisont identiques. Il
ne reste que des multiindices kiformant des permutations des indices
(1, . . . , n). Pour chacun de ces termes on r´eordonne les colonnes de M
dans les d´eterminant au prix du signe de la permutation. On sort la con-
stante Det(M1, . . . , Mn) des sommations et on reconnait le d´eterminant
de N.
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7. Dans la formule du d´eterminant, tous les coefficients ai,σ(i)o`u iappartient
`a {1, . . . , k}et σ(i) appartient `a {nk+1, . . . , n}sont nuls. Il ne reste que
les transpositions qui sont un produit d’une transposition des kpremiers
indices et d’une transposition des nkderniers.
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. Elle associe `a toute matrice une matrice constante ´el´ement neutre de la
multiplication.
2. 0 et Insont solutions.
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. Seule l’image du dernier vecteur n´ecessite l’introduction de coordonn´ees.
c’est la matrice compagnon du polynˆome
2. La forme particuli`ere de la matrice permet un calcul rapide : on obtient
un polynˆome dont les coefficients sont les coefficients apparaissant dans la
derni`ere colonne de N.
3. Calculer `a partir des puissances successives de f(x) qui apparaissent dans
la matrice N.
4. Formule de changement de base et propri´et´e du d´eterminant par rapport
au produit.
5. qet psont ´egaux.
Consid´erons maintenant un xtel que (x, f(x), . . . , fk1(x)) est libre, mais pas
(x, f(x), . . . , fk(x)) avec 0 < k < n.
2
1. On compl`ete le syst`eme (x, f(x), . . . , f k1(x)) pour former une base.
2. Formule du d´eterminant par bloc.
3. Montrer que r(f)(x) = 0. En d´eduire que p(f)(x) = 0. En conclure que
p(f) est la fonction nulle. Il faut traiter aussi x= 0.
4 Polynˆome minimal
On appelle polynˆome minimal d’une matrice M, un polynˆome de degr´e minimal
qui s’annule sur la matrice.
1. Calculer l’image d’un vecteur propre par le polynˆome ou chaque valeur
propre est racine simple.
2. Calculer les puissances de matrice `a l’aide de la relation M=P DP 1
pour se rapporter au cas pr´ec´edent.
5 Cas d’une seule valeur propre multiple et un
bloc de Jordan
1. Il existe un vecteur wtel que (fλId)n1(w) n’est pas nul, sinon (X
λ)n1serait un polynˆome annulant fet donc M.
2. Aucun de ces vecteurs n’est nul sinon le dernier serait nul; Former une
combinaison lin´eaire nulle de ces vecteurs et faire op´erer les puissances de
(fλId) pour conclure que les coefficients sont nuls.
3. Deux diagonales constantes.
6 Cas d’une seule valeur propre multiple et di-
agonale de blocs de Jordan
1. D´efinition des vecteurs propres et du polynˆome minimal.
2. Regarder l’effet de la composition sur le noyau.
3. A chaque inclusion, d´efinir un suppl´ementaire.
4. Les Uisont des espaces dont les vecteurs non nuls mettent exactement k
it´erations pour arriver en 0.
5. Les ek,1
1sont le r´esultat de l’avant derni`ere it´eration avant d’atteindre
0. Si le syst`eme (ek,1
i, . . . , ek,dk
i) n’est pas libre, il y a une combinaison
lin´eaire nulle `a coefficient non nuls. La mˆeme combinaison lin´eaire des
(ek,1
k, . . . , ek,dk
k) atteint alors 0 en kiit´erations, ce qui est interdit. La
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notation ek,j
ise d´ecompose en k, num´ero du Ukdans lequel la base originale
a ´et´e choisie, jnum´ero d’ordre dans cette base, irappelle l’appartenance
du vecteur `a Uiet est ´egalement le nombre d’it´eration pour atteindre 0.
6. Chaque couche (ifix´e) est libre et les Uisont suppl´ementaires.
7. Comme auparavant chaque couche des it´er´es des vecteurs de Ulest libre
sinon on a la mˆeme contradiction (construction d’un vecteur de Uldont
l’it´er´e devient nul avant l’it´eration l. Le cas des vecteurs se trouvant dans
les espaces Uiavec i>ln’ a pas besoin d’ˆetre retrait´e.
8. On remplit les espaces Uiles uns apr`es les autres.
9. Pour avoir une forme particuli`ere, il faut ranger les vecteurs de la fa¸con
suivante : fixer un indice sup´erieur (l, j) et mettre `a la suite (el,1
1,...,(el,1
l.
On voit apparaˆıtre un bloc de Jordan de taille l.
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. Soit directement sur la formule; soit en montrant que kAk= supXkAXk/kXk
pour la norme kXk= max |xi|.
2. Comme pour les r´eels la s´erie est absolument convergente, et l’espace des
matrices est complet.
3. Calcul formellement ´equivalent `a celui sur les r´eels et termes de reste
contrˆol´es par les normes.
4. Utiliser la diagonalisation ; les puissances et l’exponentielle d’une matrice
diagonale sont simples `a calculer.
5. La matrice est surdiagonale, donc sa puissance nest nulle. L’exponentielle
est triangulaire.
6. Remarquer que les matrices Det Scommutent.
8 Application aux syst`emes d’´equations diff´erentielles
lin´eaires
1. 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. Exponentielle de coefficient a;
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3. Ce n’est possible que quand a1,2ou a2,1est nul.
4. La d´eriv´ee du produit exp(tA)Xconsiste `a d´eriver uniquement l’exponentielle.
5. Les solutions dans la base de diagonalisation sont lin´eaires, le changement
de base produit les combinaisons lin´eaires.
6. Les solutions dans la base de Jordan sont de ce type et la matrice de
passage conserve les formes polynomiales.
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