Chapitre V. Réduction des endomorphismes. Marc de Crisenoy

Chapitre V. R´eduction des endomorphismes.
Marc de Crisenoy
Convention: dans tout le cours, Kesigne un corps commutatif. (En pratique K=Q,Rou C).
1) Sous espaces stables.
D´ef. 1. Soit Eun K-ev. Soient uL(E) et Fun sev de E.
On dit que Fest stable par usi u(F)F.
Rq. 2. Soit Eun K-ev. Soient uL(E) et Fun sev de E.
Alors Fest stable par ussi xF u(x)F.
Ex. 3. Soit Eun K-ev.
a) Soit uL(E). Alors {0E}et Esont stables par u.
b) Soit αK. Alors tout sev de Eest stable par αIdE.
D´ef., notation et rq. 4. Soit Eun K-ev. Soient uL(E) et Fun sev de E.
On suppose que Fest stable par u. On appelle restriction de u`a Fl’application de Fdans lui
mˆeme qui `a xassocie u(x). On la note u|F. C’est un endomorphisme de F.
Prop. 5. Soit Eun K-ev de dimension finie. On note n= dim E.
Soit e= (e1, . . . , en) une base de E.
Soit uL(E). On note M= Mat(u, e). MMn(K). On note M= (aij )(i,j)∈{1,...,n}×{1,...,n}.
On suppose que n2. Soit p∈ {1, . . . , n 1}. On note F= Vect(e1, . . . , ep).
On d´ecoupe Men 4 blocs: M=N P
Q Ro`u:
N= (aij )(i,j)∈{1,...,p}×{1,...,p},NMp(K). P= (aij )(i,j)∈{1,...,p}×{p+1,...,n},PMp,np(K).
Q= (aij )(i,j)∈{p+1,...,n}×{1,...,p},QMnp,p(K). R= (aij )(i,j)∈{p+1,...,n}×{p+1,...,n},RMnp(K).
Alors les 3 assertions suivantes sont ´equivalentes:
i) Fest stable par u, ii) (i, j)∈ {p+ 1, . . . , n}×{1, . . . , p}aij = 0, iii) Q=Onp,p.
Lorsque ces assertions sont vraies, on a N= Mat(u|F,(e1, . . . , ep)).
Indication pour ii) =i).
Commencer par montrer que j∈ {1, . . . , p}u(ej)F.
Th´eo. 6. Soit Eun K-ev. Soient u, v L(E). On suppose que uv=vu.
Alors Im(v) et Ker(v) sont stables par u.
2) Valeurs propres et vecteurs propres d’un endomorphisme.
D´ef. 7. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). Soit αK.
On dit que αest une valeur propre de us’il existe xE\ {0E}tel que u(x) = αx.
Rq. 8. La condition x6= 0Eest essentielle!
D´ef. 9. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). Soit xE.
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On dit que xest un vecteur propre de usi x6= 0Eet s’il existe αKtel que u(x) = αx.
D´ef. 10. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). Soient αune valeur propre de uet xE.
On dit que xest un vecteur propre de uassoci´e `a αsi x6= 0Eet u(x) = αx.
Rq. 11. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). Soit xun vecteur propre de u.
Alors il existe une et une seule valeur propre de u`a laquelle xsoit associ´e.
Exo. 12. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). Soit xE\ {0E}.
V´erifier que Kxest stable par ussi xest un vecteur propre de u.
D´ef. et notation 13. Soit Eun K-ev. Soit uL(E).
On appelle spectre de u, et l’on note Sp(u), l’ensemble des valeurs propres de u. C’est une
partie de K.
3) Sous espaces propres d’un endomorphisme.
Prop. 14. Soient Eun K-ev, uL(E) et αK.
Alors αest une valeur propre de ussi uαIdEn’est pas injectif.
Rq. 15. Soient Eun K-ev et uL(E).
Alors 0Kest une valeur propre de ussi un’est pas injectif.
D´ef., notation et rq. 16. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). Soit αune valeur propre
de u. On appelle sous espace propre (de u) associ´e `a α, et l’on note Eα, le sev de Esuivant:
Ker(uαIdE). Il est non nul.
Rq. 17. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). Soit αune valeur propre de u. Alors:
a)i) xE(xEαu(x) = αx).
ii) Eα={0E}∪{xE|xest un vecteur propre de uassoci´e `a α}.
b)i) Eαest stable par u, ii) u|Eα=αIdEα.
Prop. 18. Soit Eun K-ev. Soit uL(E).
Soit mN. Soient α1, . . . , αmdes valeurs propres de udeux `a deux distinctes.
Soient x1, . . . , xmE.
On suppose que pour tout i∈ {1, . . . , m}xiest un vecteur propre de uassoci´e `a αi.
Alors (x1, . . . , xm) est libre.
Indications.
Proc´eder par r´ecurrence sur m.
Si n´ecessaire, pour comprendre ce qu’il se passe, regarder les cas m= 2,3.
Cor. 19. Soit Eun K-ev. Soit uL(E). On suppose que Eest de dimension finie.
Alors ua au plus dim Evaleurs propres.
Th´eo. 20. Soit Eun K-ev. Soit uL(E).
Soit mN. Soient α1, . . . , αmdes valeurs propres de udeux `a deux distinctes.
Alors Eα1, . . . , Eαmsont en somme directe.
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4) Polynˆome caract´eristique.
Exo. 21. Soit nN. Soit B= (bij )Mn(Q). On suppose que i, j bij Z.
Justifier que det BZ.
Notation. 22. On note K[X] l’anneau des polynˆomes `a coefficients dans K.
Rq. 23. Notons F=K(X) le corps des fractions rationnelles `a coefficients dans K. On
rappelle que par construction Fest un corps incluant K[X]. (En un sens `a pr´eciser c’est le plus
petit corps ayant cette propri´et´e, mais nous ne nous servirons pas de cela).
Soit nN. Soit B= (bij )Mn(F). On suppose que i, j bij K[X]. Alors det BK[X].
Exo. 24. a) V´erifier cette remarque pour n∈ {1,2,3}.
b) D´emontrer la (on pourra utiliser une r´ecurrence sur nou utiliser la formule explicite du
d´eterminant).
D´ef. et notation 25. Soit nN. Soit AMn(K). det(XInA), qui est un polynˆome `a
coefficients dans K, est appell´e polynˆome caract´eristique de Aet est not´e χA.
Rq. 26. Certains cours adoptent une d´efinition l´eg`erement diff´erente: c’est det(AXIn)
qui est appel´e polynˆome caract´eristique de A.
Ex. 27. Soit nN.
a) Soit A= (aij )Mn(K).
On suppose que Aest triangulaire sup´erieure ou triangulaire inf´erieure. Alors χA=
n
Y
i=1
(Xaii).
b) Soient b1, . . . , bnK. Alors χdiag(b1,...,bn)=
n
Y
i=1
(Xbi).
c) Soit bK. Alors χbIn= (Xb)n.
Prop. 28. Soit nN. Soit B= (bij )Mn(K(X)). On suppose que i, j bij K[X].
Alors xK(det B)(x) = det((bij (x))i,j ).
Indication.
Proc´eder par r´ecurrence sur n.
Cor. 29. Soit nN. Soit AMn(K). Alors xKχA(x) = det(xInA).
Lemme 30. Soit nN. Soit B= (bij )Mn(K(X)).
On suppose que i, j bij K[X] et que i, j deg bij 1.
Alors deg Bn.
Indication.
On pourra utiliser une r´ecurrence sur nou utiliser la formule explicite du d´eterminant.
Prop. 31. Soit nN. Soit AMn(K). Alors le polynˆome χAa les propri´et´es suiv-
antes:
i) il est unitaire de degr´e n,
3
ii) le coefficient de Xn1est tr(A),
iii) son terme constant est (1)ndet A.
Indications.
D´emontrer i) et ii) ensemble, on pourra utiliser une r´ecurrence sur nou utiliser la formule
explicite du d´eterminant.
Prop. 32. Soit nN. Soient M, M 0Mn(K).
On suppose que Met M0sont semblables. Alors χM=χM0.
Rq. 33. Ceci permet de retrouver le fait que si deux matrices carr´ees de mˆeme taille sont
semblables, alors elles ont mˆeme d´eterminant et mˆeme trace.
Lemme 34. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
Soient e, e0deux bases de E. Alors χMat(u,e)=χMat(u,e0).
D´ef. et notation 35. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
χMat(u,e)ne d´epend pas du choix de la base e. Par d´efinition, c’est le polynˆome caract´eristique
de u, on le note χu.
Ex. 36. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit βK. Alors χβIdE= (Xβ)dim E.
Prop. 37. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
Alors xKχu(x) = det(xIdEu).
Rq. 38. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
Il faut remarquer que XIdEn’a pas de sens. A fortiori, det(XIdEu) n’a pas de sens non plus.
Th´eo. 39. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. On note n= dim E. Soit uL(E).
Alors le polynˆome χua les propri´et´es suivantes:
i) il est unitaire de degr´e n.
ii) le coefficient de Xn1est tr(u).
iii) son terme constant est (1)ndet u.
Th´eo. 40. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E). Soit αK.
Alors: αest une valeur propre de uαest racine de χu.
Ce th´eor`eme permet de donner une nouvelle preuve du r´esultat suivant:
Prop. 41. Soit Eun K-ev de dimension finie. Soit uL(E). Alors ua au plus dim E
valeurs propres.
Rq. 42. (Cas o`u K=C). Soit Eun C-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
Alors ua au moins une valeur propre.
Exo. 43. Soit Eun R-ev de dimension finie. On suppose que dim Eest impaire.
Soit uL(E). Alors ua au moins une valeur propre.
Th´eo. 44. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
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Soit Fun sev non nul de E. On suppose que Fest stable par u. Alors χu|Fdivise χu.
Indications.
Compl´eter une base de Fen une base de E. Consid´erer des blocs.
Notation et prop. 45. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
Soit λune valeur propre de u. On note mλla multiplicit´e de λdans χu. Alors dim Eλmλ.
Indication.
Eλest stable par u.
Cor. 46. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E). Soit λK.
On suppose que λest une racine simple de χu. Alors Eλest une droite.
5) Valeurs propres d’une matrice carr´ee.
Notation, d´ef. et lemme. 47. (Rappel). Soit nN. Soit AMn(K).
On consid`ere l’application ϕA:Mn,1(K)Mn,1(K) d´efinie par ϕA(X) = AX.
Alors ϕAest un endomorphisme de Mn,1(K). ϕAest appel´e endomorphisme canoniquement
associ´e `a A. La matrice de ϕAdans la base canonique de Mn,1(K) est ´egale `a A.
D´ef. 48. Soit nN. Soit AMn(K). Soit αK.
On dit que αest valeur propre de As’il existe XMn,1(K)\ {0}tel que AX =αX.
Rq. 49. Soit nN. Soit AMn(K). Soit αK.
Alors αest valeur propre de Assi αest valeur propre de ϕA.
D´ef. et rq. 50. Soit nN. Soit AMn(K). On appelle spectre de A, et l’on note
Sp(A), l’ensemble des valeurs propres de A. On a Sp(A) = Sp(ϕA).
Rq. 51. Soit nN. Soit AMn(K). Alors χA=χϕA.
Prop. 52. Soit nN. Soit AMn(K). Soit αK.
Alors αest valeur propre de Assi αest racine de χA.
6) Diagonalisation d’un endomorphisme.
Prop. et d´ef. 53. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
Alors les 2 assertions suivantes sont ´equivalentes:
i) X
αSp(u)
Eα=E, ii) il existe une base de Eform´ee de vecteurs propres de u.
Lorsque ces assertions sont vraies, on dit que uest diagonalisable.
Rq. 54. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. On note n= dim E. Soit uL(E).
Soit e= (e1, . . . , en) une base de E.
Alors Mat(u, e) est diagonale ssi pour tout j∈ {1, . . . , n}ejest un vecteur propre de u.
Rq. 55. Soit Eun K-ev de dimension finie non nulle. Soit uL(E).
Alors uest diagonalisable ssi il existe une base ede Etelle que Mat(u, e) soit diagonale.
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