Lyc´ee Dominique Villars COURS
ECE 2
REDUCTION d’une MATRICE CARREE
1 El´ements propres d’une matrice carr´ee
Soit A∈ Mn(R) et fl’endomorphisme de Rncanoniquement associ´e `a A.
Le r´eel λest une valeur propre de la matrice Asi et seulement si
il existe X=
x1
x2
.
.
.
xn
∈ Mn,1(R) non nul tel que A X =λ·X
ou encore si et seulement si
la matrice AλInn’est pas inversible.
ou encore si et seulement si
rg(AλIn)< n
Ces valeurs sont ´egalement les valeurs propres de n’importe quel endomorphisme repr´esent´e par la
matrice A!!!
L’ensemble des valeurs propres de Aest appel´e spectre de A, not´e Sp(A).
Il correspond donc au spectre de n’importe quel endomorphisme frepr´esene par la matrice A!!
D´efinition (Valeurs propres et spectre d’une matrice carr´ee).
De mani`ere analogue aux endomorphismes, une matrice carr´ee de taille nne peut pas poss´eder plus de nvaleurs
propres distinctes.
Exercice 1.
D´eterminer les valeurs propres des matrices ci-dessous :
I3A=1 2
2 1B=142
01C=
120
12 1
112
Soit λSp(A) = Sp(f). On appelle sous-espace propre de Aassoci´e `a λle sous-espace propre de f
associ´e `a la valeur λ. Il s’agit donc du sous-espace vectoriel de Rn:
Ker(AλIn) =
(x1, x2,...,xn)Rn/ A
x1
x2
.
.
.
xn
=λ
x1
x2
.
.
.
xn
Dans le contexte de certains exercices, on pourra ´egalement consid´erer cet espace vectoriel comme
le sous-espace de Mn,1(R) d´ecrit ci-dessous :
Ker(AλIn) =
x1
x2
.
.
.
xn
∈ Mn,1(R)/ A
x1
x2
.
.
.
xn
=λ
x1
x2
.
.
.
xn
D´efinition (Espaces propres d’une matrice carr´ee).
La somme des dimensions des espaces propres d’une matrice carr´ee de taille nest inf´erieure au ´egale
`a n
Propri´et´es.
Exercice 2.
D´eterminer les espaces propres de chaque matrice de l’exercice pr´ec´edent.
1.1 Matrices triangulaires
Soit une matrice triangulaire (sup´erieure) A=
a1 . . .
0a2 . . .
0 0 a3. . .
.
.
.....
.
.
0 0 ... ... an
Les valeurs propres d’une matrice triangulaire sont ses coefficients diagonaux
Sp(A) = {a1;a2;a3;... ;an}
Propri´et´es (Valeur(s) propre(s) d’une matrice triangulaire).
Attention, il va de soi que si une valeur apparait plusieurs fois sur la diagonale elle n’est ´evidemment compter
comme une seule valeur propre!!!
Ainsi, pour ces matrices particuli`eres l’´etape 1 est imm´ediate. Pour autant, pour chacune des valeurs de la
diagonale, il est n´ecessaire d’obtenir la dimension de l’espace propre correspondant.
Ce r´esultat peut permettre de justifier tr´es rapidement qu’une matrice triangulaire est diagonalisable dans le
cas o`u les ´el´ements de sa diagonale sont distincts deux `a deux. En effet, cela signifie que Aposs`ede nvaleurs
propres ce qui signifie que Aest diagonalisable.
Exemple :
La matrice triangulaire
A=
1 0 0
78 2 0
23,1 14,72
est diagonalisable car elle poss`ede 3 valeur propres disctinctes : 1 ; 2 et 2!!
Exercice 3.
Les matrices Asuivantes sont-elles diagonalisables? Si oui, eterminer une matrice diagonale semblable `a A
ainsi que la matrie de passage.
(i)A=
1 0 0
1 2 0
1 1 1
(ii)A=
0 0 0
0 2 2
0 0 0
(iii)A=
4 1 1
0 4 175
0 0 4
1.2 Lien entre valeurs propres et inversibilit´e de A
Une matrice carr´ee Aest inversible si et seulement si 0 /Sp(A)
Propri´et´es.
emonstration :
Nous allons pour cela d´emontrer l’´equivalence des propositions contrapos´es, c’est `a dire
Aest n’est pas inversible si et seulement si 0Sp(A)
La valeur 0est valeur propre de A´equivaut `a dire que 0est valeur propre de f, endomorphisme canoniquement
associ´e `a A. Ceci signifie que Ker(f0.id) = Ker(f)6={0}autrement dit que fn’est pas injective qui dans ce
cas (endomorphisme) ´equivaut `a fpas inversible et donc Anon inversible.
Ainsi en montrant que
0Sp(A)Anon inversible
nous avons d´emontrer l’´equivalence souhait´ee.
2 Un raccourci possible afin de d´eterminer les VP d’une matrice A: utili-
sation d’un polynˆomes annulateur de A
Soit une matrice carr´ee A∈ Mn(R) et un polynˆome P=a0+a1X+a2X2+......+apXpR[X].
On d´efinit le polynˆome matriciel P(A) comme ´etant la matrice carr´ee :
P(A) = a0In+a1A+a2A2+...+apAp
On dit que le polynˆome Pest annulateur de la matrice Alorsque P(A) = 0n.
D´efinition (Polynˆome matriciel et polynˆome annulateur.).
Liens avec les polynˆomes d’endomorphismes :
Si A=MatB(f) alors pour tout kN,
MatB(fk) = Ak
Si A=MatB(f) alors pour tout PR[X],
MatB(P(f)) = P(A) (polynˆome matriciel)
On observe ainsi que :
P(A) = 0n(matrice nulle) P(f) = 0L(E)(endomorphisme nul)
Remarque :
Soit A∈ Mn(R) et si λSp(A) avec Xun vecteur propre associ´e `a λ, alors pour tout PR[X],
P(A)X=P(λ)·X
Si A∈ Mn(R) et si il existe PR[X] tel que :
P(M) = 0n
alors toute valeur propre λSp(f) v´erifie
P(λ) = 0
Propri´et´es.
D´emonstration : Si λSp(A)et Xun vecteur propre associ´e `a λalors nous avons vu que
P(fA)X=P(λ)
u
Puisque P(A)est la matrice nulle il vient d’apr`es la remarque pr´ec´edente que
P(λ)·X= 0n,1
Or la matrice colonne Xn’ayant pas tous ses coefficients nuls, n´ecessairement P(λ) = 0.
Attention ce r´esultat nous indique seulement que les valeurs propres de Asont ´egalement
des racines du polyn^ome P. Il ne faut pas comprendre que syst´ematiquement toute racine de
Pest valeur propre de A!!
Exercice 4.
Soit la matrice A=
22 1
23 2
1 2 0
1. V´erifier que le polynˆome P=X2+ 2X3 est annulateur de la matrice
A. En d´eduire les valeurs propres possibles de A.
2. D´eterminer le spectre de la matrice A.
3 Matrice diagonalisable
3.1 D´efinitions
Soient Aet B∈ Mn(R), c.a.d. deux matrices carr´ees de mˆeme taille.
On dit que Aet Bsont semblables lorsqu’il existe une matrice PGLn(R) (cad inversible de taille
n) telle que :
B=P1AP
D´efinition (Matrices semblables).
Remarques :
(i) Toute matrice est semblable `a elle-mˆeme car : A=I1
nAIn.
(ii) Cette notion est reflexive : les phrases Aet Bsont semblables” et ”Bet Asont semblables” sont ´equivalentes.
En effet, si B=P1AP on a aussi A=P BP 1. En posant Q=P1GLn(R), on a
A=Q1BQ
(iii) La seule matrice semblable `a l’identit´e Inest elle-mˆeme.
(iv) La seule matrice semblable `a la matrice nulle 0nest elle-mˆeme.
Soit A∈ Mn(R).
La matrice Aest dite diagonalisable lorsqu’il existe une matrice diagonale D, semblable `a A.
D´efinition (Matrice diagonalisable).
3.2 Liens entre r´eduction d’une matrice carr´ee et d’un endomorphisme
Nous allons ramener la notion de diagonalisation d’une matrice carr´ee A`a la diagonalisation d’un endomorphisme
fassoci´e `a la matrice A. Nous pourrons donc ´etudier l’endomorphisme canoniquement associ´e `a A.
Tentons d’identifier les diff´erentes ´etapes de la r´eduction d’une matrice carr´ee A∈ Mn(R) :
I. Associer `a la matrice carr´ee A, un endomophisme f∈ L(Rn) de sorte qu’il existe une base Bde Rntelle que :
MatB(f) = A
Le plus souvent, on choisit l’endomorphisme canoniquement associ´e `a A.
II. eterminer les valeurs propres et les vecteurs propres de la matrice Aqui par d´efinition correspondent aux
valeurs propres et aux vecteurs propres de l’endomorphisme f.
III. Tenter d’en d´eduire, si possible, une base B1de Rn, dite base de diagonalisation de l’endomorphisme f, telle
que :
MatB1(f) = D=
λ10 0 ... 0
0λ20... 0
0 0 λ3... 0
.
.
.....
.
.
0 0 ... ... λn
soit une matrice diagonale
En utilisant les formules de changement de bases par la matrice d’un endomorphismes, ceci se traduit par l’existence
d’une matrice inversible PGLn(R) ainsi que d’une matrice Ddiagonale telles que
D=P1A P ou A=P D P 1
ou la matrice Pest la matrice de passage de la base de ”d´epart” Bvers la base de diagonalisation B1c.a.d.
P=MatB→B1GLn(R)
La matrice carr´ee Aest dite diagonalisable si et seulement si l’endomorphisme fest diagonalisable
Propri´et´es (Matrice carr´ee diagonalisable).
D´emonstration :
En effet, soit fest l’endomorphisme de Rncanoniquement associ´e `a la matrice Acad telle que
A=MatB0(f)
lorsque B0est la base canonique de Rn.
Supposons que fsoit diagonalisable et soit B1une base de diagonalisation de f(cad compos´e de vecteurs propres
de f). Ainsi,
MatB1(f) = D=
λ10 0 ... 0
0λ20... 0
0 0 λ3... 0
.
.
.....
.
.
0 0 ... ... λn
Notons alors P=MatB0→B1, alors la formule de changement de base vue plus haut donne :
D=P1AP
La matrice Aest donc bien semblable `a la matrice Dqui est diagonale.
Supposons maintenant que Asoit semblable `a une matrice Ddiagonale de sorte qu’il existe PGLn(R)telle
que
A=P DP 1
Soit fl’endomorphisme de Rncanoniquement associ´e `a A:A=MatB0(f)Soit la famille B1efinie par :
MatB0→B1=P
Puisque PGLn(R), nous en d´eduisons que B1est une base de Rnet alors la formule de changement de base
donne :
MatB1(f) = P1M atB0(f)P=P1AP =P1(P DP 1)P=D
En conclusion, B1est une base de diagonalisation de l’endomorphisme f.
4 Conditions n´ecessaires et suffisantes de diagonalisation
4.1 Le crit`ere fondamental de diagonalisation
Soit A∈ Mn(R), alors
Aest diagonalisable X
λSp(A)
Dim(Ker(AλIn)) = n
Th´eor`eme (Th´eor`eme fondamental de diagonalisation d’une matrice carr´ee.).
Pour chacune des valeurs propres λde la matrice A, on sait que Dim(Ker(AλIn)) >1.
On sait que quelle que soit la matrice A∈ Mn(R) :
X
λSp(A)
Dim(Ker(AλIn)) 6n
Dans le cas d’une ´etude g´en´erale, pour savoir si une matrice est diagonalisable ou non, il nous faudra exhiber
l’ensemble des valeurs propres de celle-ci puis d´eterminer la dimension de chacun des sous-espaces propres.
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