Exercice 3
1) En d´eveloppant par rapport `a la deuxi`eme colonne, on obtient
χA= det(A−XI) =
−1−X0 1
4−2−X−2
−4 0 3 −X
= (−2−X)
−1−X1
−4 3 −X
=−(2 + X)[(−1−X)(3 −X) + 4] = −(2 + X)(X2−2X+ 1) = −(X+ 2)(X−1)2
2) D’apr`es la question pr´ec´edente, les valeurs propres de Asont −2,1,1.
3) Cherchons le sous-espace propre associ´e `a −2. On notera que comme −2 est une racine simple de χA, on
sait par avance que 1 ≤dim(ker(A+ 2I)) ≤1, c’est-`a-dire dim(ker(A+ 2I)) = 1. Or la matrice A+ 2I
a sa deuxi`eme colonne nulle. Cela signifie pr´ecis´ement que (0,1,0) est dans le noyau de ker(A+ 2I).
D’apr`es ce qui pr´ec`ede ker(A+ 2I) est la droite vectorielle engendr´ee par (0,1,0).
On aurait pu retrouver ce r´esultat en consid´erant (x, y, z) un vecteur propre associ´e `a −2, si bien que
l’on a
−x+z=−2x
4x−2y−2z=−2y
−4x+ 3z=−2z
x+z= 0
4x−2z= 0
−4x+ 5z= 0
Or ce syst`eme donne x=z= 0. Autrement dit, seule la coordonn´ee ypeut varier et donc (x, y, z) est
bien colin´eaire `a (0,1,0).
Cherchons le sous-espace propre associ´e `a 1. Soit (x, y, z) un vecteur propre associ´e `a 1, si bien que
−x+z=x
4x−2y−2z=y
−4x+ 3z=z
−2x+z= 0
4x−3y−2z= 0
−4x−2z= 0 −2x+z= 0
4x−3y−2z= 0 −2x+z= 0
y= 0
L’ensemble des solutions est l’intersection de deux plans vectoriels ind´ependants, c’est-`a-dire une droite
vectorielle. Pour trouver cette droite, il suffit d’en trouver un ´el´ement non nul. Posons x= 1, et donc
z= 2 et enfin y= 0. Enfin, ker(A−I) = Vect(1,0,2).
4) Comme la dimension du sous-espace propre associ´e `a 1 est <`a la multiplicit´e de (X−1) dans le polynˆome
caract´eristique, on peut conclure que An’est pas diagonalisable.
5) Le polynˆome minimal mAde Aest un polynˆome unitaire (i.e. son coefficient de plus haut degr´e est 1)
qui annule Amais tel qu’aucun de ses diviseurs stricts n’annule A. D’apr`es le cours, un tel polynˆome
existe et est unique. Une autre d´efinition serait de dire que mAest le polynˆome unitaire qui engendre
l’id´eal principal {P∈C[X], P (A)=0}de C[X].
6) D’apr`es le th´eor`eme de Cayley-Hamilton, on sait que χAannule A. Cherchons donc mAparmi les
diviseurs de χAc’est-`a-dire :
1, X + 2, X −1,(X+ 2)(X−1),(X−1)2,(X−1)2(X+ 2)
Le polynˆome 1 ne convient pas puisque 1(A) = In6= 0 (ici 1(A) d´esigne le polynˆome constant 1 ´evalu´e
en A). Ensuite, les polynˆomes X+ 2, X−1 et (X+ 2)(X−1) ne conviennent pas, car d’apr`es le cours,
An’est pas diagonalisable et donc mAn’est pas scind´e `a racines simples. D’apr`es le cours, toutes les
valeurs propres de Asont racines de mA. Cela ´elimine donc (X−1)2qui ne s’annule pas en −2. Le seul
polynˆome restant est donc mA= (X−1)2(X+ 2).
Exercice 4
1) La r`egle de Sarrus donne
det(M) = a3+bc2+b2c−3abc
2