Exercice 3
Soit fun endomorphisme d’ un espace euclidien (E, h., .i).
1. Prouver l’équivalence des quatre assertions suivantes :
(a) f∗=−f;
(b) ∀x∈E, hx, f(x)i= 0 ;
(c) ∀(x, y)∈E2,hf(x), yi=−hx, f (y)i;
(d) la matrice représentant fdans une base orthonormale de Eest antisymétrique.
Un endomorphisme fvérifiant l’une de ces quatre propositions est dit antisymétrique. On note A(E)
l’ensemble des endomorphismes antisymétriques de E.
2. Etablir que A(E)est un s.e.v. de L(E), en donner sa dimension.
3. Prouver que le spectre d’un endomorphisme antisymétrique de Eest soit ∅soit réduit à {0}.
En déduire qu’un endomorphisme antisymétrique non nul de En’est jamais diagonalisable.
4. Soit f∈A(E). Prouver que : Im(f) = (ker(f))⊥.
Solution. (a) =⇒(b). On suppose que f∗=−f. Soit x∈E. On a :
hx, f(x)i=hf∗(x), xi=h−f(x), xi=−hx, f(x)i.
Ainsi, hx, f(x)i= 0.
(b) =⇒(c). Soient x, y ∈E. D’après (b), on a
0 = hf(x+y), x +yi=hf(x), xi
|{z }
=0 d’après (b)
+hf(x), yi+hf(y), xi+hf(y), yi
|{z }
=0 d’après (b)
Ainsi, hf(x), yi=−hx, f(y)i.
(c) =⇒(d). Soit B= (bi,j)la matrice de fdans une base orthonormale (e1,...,en). On a
f(ej) =
n
X
i=1 hf(ej), eiiei=⇒bi,j =hf(ej), eii
Or bi,j =hf(ej), eii=−hej, f(ei)i=−bj,i d’où le résultat.
(d) =⇒(a). La matrice B∗de f∗dans une base orthonormale est la transposée de la matrice Bde f
dans cette même base. La matrice de fétant antisymétrique, on a B∗=tB=−Bet donc f=−f∗.
2. L’endomorhisme nul est évidemment dans A(E. Soient f, g ∈A(E)et λ∈R. On a alors (f+λg)∗=
f∗+λg∗=−f−λg et donc f+λg ∈A(E). Ainsi, A(E)est bien un espace vectoriel.
3. Soit λune valeur propre (s’il en existe) de f∈A(E)et xun vecteur propre associée. On a alors
0 = hf(x), xi=λhx, xi
et comme hx, xi>0on a nécessairement λ= 0. Ainsi, fne peut avoir que 0comme valeur propre.
4. On sait que
dim(Im f) = dim E−dim ker fet dim ker f⊥= dim E−dim ker f
il suffit donc de montrer une inclusion pour avoir légalité souhaitée. Soit f(x) = y∈Im fet z∈ker f.
On a
hy, zi=hf(x), zi= 0hx, f (z)i=−hx, 0i= 0
donc y∈ker f⊥et Im f⊂ker f⊥.