Eléments propres d'un endomorphisme
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ELEMENTS PROPRES D'UN ENDOMORPHISME
E désigne un K espace vectoriel de dimension finie n )(*
Nn.
1) Sous espaces stables
définition
Soient u un endomorphisme de E, F un sous espace vectoriel de E. On dit que F est stable par u si
FFu )( . Si F est un sous espace stable par u, la restriction de u à F induit un endomorphisme de
F, noté F
u défini par : )()(, xuxuFx F=
.
théorème (caractérisation matricielle d'un sous espace stable)
Soit F un sous espace vectoriel non nul de E. Soit ),...,( 1n
eee
=
une base de E obtenue en
complétant une base ),...,( 1p
ee de F. Alors f est stable par u si et seulement si );( eumat est de la
forme
C
BA
0, avec )(KMA p
, )(
,KMC pnp
, 0 étant la matrice nulle à n-p lignes et p
colonnes
démonstration
2) Eléments propres d'un endomorphisme
E désigne ici un K espace vectoriel, non nécessairement de dimension finie.
définition (valeur propre)
Soit u un endomorphisme de E. On dit que K
λ
est valeur propre de u si E
idu λ est non injectif,
c'est-à-dire s'il existe
{}
0Ex tel que xxu
λ
=
)( .
définition (spectre)
On appelle spectre d'un endomorphisme u de E, noté )(uSp , l'ensemble des valeurs propres de u.
définition (vecteur propre)
On dit que Ex est vecteur propre d'un endomorphisme u si 0
x et s'il existe Kλ tels que
xxu λ=)(.
définition (sous espace propre)
Soit u un endomorphisme de u et )(uSpλ . On appelle sous espace propre de u associé à la valeur
propre λ, le sous espace )()( Eu iduKerE
λ
=λ .
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proposition
Soit u un endomorphisme de E. Soit nii
λ
1
)( (2n) une famille de valeurs propres de u deux à
deux distinctes. Alors la somme
=
λ
n
iiu
E
1)( est directe.
démonstration
Par récurrence sur n.
Notons P(n) : "si nii
λ1
)( (
2n) est une famille de valeurs propres de u deux à deux distinctes,
alors la somme
=
λ
n
iiu
E
1)( est directe".
2=n. Soit 21,λλ deux valeurs propres de u avec 21
λ
λ
.
Soit )()( 21 λλuu EEx . Alors xxu 1
)(
λ
= et xxu 2
)(
λ
=
.
Donc 0)( 21 =λλ x et donc 0=x (car 21
λ
λ
).
Donc
{
}
0)()( 21 =λλ uu EE et donc )()()()( 2121
λ
λ
=
λ
+
λ
uuuu EEEE . P(2) est donc vraie.
Soit 2,nNn .Supposons P(n) vraie. Soit 11
)( +
λ
nii une famille de valeurs propres de u deux
à deux distinctes. On a )()( 1
1iu
n
i
n
iiu EE λ=λ
=
=
car P(n) est vraie.
Soit
=
+λλn
iiunu EEx 1
1)()(.
Alors
=λ
λ=
==
+
n
i
n
iiiun
n
xxExx
xxu
11
1
1
),(),...,(
)(
.
=
=
n
ii
xuxu 1
)(
=
=n
ii
xu
1)(
=
λ= n
iii x
1
Or
=
++ λ=λ= n
iinn xxxu 1
11
)(
donc 0
1
1
1
=λλ =
+
=
n
iin
n
iii xx
donc
=
+=λλ
n
iiin x
110)( .
Or, )()(, 1iuinin ExNi λ
λλ+ donc ==
+λλλ n
iiu
n
iini Ex 11 1)()(. La somme )(
1
=
λ
n
iiu
E étant
directe, la décomposition est unique (voir chapitre sur sommes et sommes directes de sev) donc :
0)(, 1=λλ+inin xNi donc 0,
=
in xNi car 1+
λ
λ
ni .
Donc 0=x donc
{}
=
+=λλ n
iiunu EE 1
10)()(.
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Donc )()(
1
1
1
1i
n
iu
n
i
iu EE λ=λ
+
=
+
=
donc P(n+1) est vraie.
Donc : ,2, nNn P(n) est vraie.
Corollaire
(i) Un vecteur propre est associé à une seule valeur propre.
(ii) Si ),...,( 1n
xx est une famille de vecteurs propres associé à des valeurs propres deux à deux
distinctes, alors cette famille est libre.
proposition
Soit u un endomorphisme de E et )(uSpλ .
(i) ))(()(],[ uPSpPXKP λ
(ii) )(, kk uSpNk λ
démonstration
)()( λPXP est divisible par λX (car ce polynôme admet
λ
comme racine).
)()()()(],[ XQXPXPXKQ λ
=
λ.
Donc )()()()( EE iduuQidPuP λ=λD
donc ))()(()( EE idPuPKeriduKer λλ.
Comme
{
}
0)( λE
iduKer car )(uSpλ , il en résulte que
{
}
0))()(( λE
idPuPKer donc
E
idPuP )()( λ est non injectif donc ))(()( uPSpP
λ
.
(ii) on applique (i) avec k
XXP =)(.
proposition
Soit u un endomorphisme de E.Si u est inversible, alors )(0 uSp
et on a :
λ
λ
=
)(,
1
)( 1uSpuSp .
démonstration
Si u est inversible, alors u est injective donc
{
}
0)(
=
uKer et donc )(0 uSp
.
{}
xxuExuSp λ=λ )(,0)( 11
{}
)(,0 xuxEx λ=
{}
)(,0 xuxEx λ=
{}
xxuEx λ
=1
)(,0
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3) Polynôme caractéristique
E désigne un k espace vectoriel de dimension finie n ( *
Nn).
théorème
Soit )(KMA n
. )det( n
IXA
est un polynôme de degré n. Si a et b sont semblebles, alors
)det()det( nn IXBIXA =.
démonstration
Notons nj niji
aA
=1
1
)( et nj nijin pIXA
=1
1
)( .
=
==
jiji
iiii
napjisi
Xapjisi
Nji ,
,
,,.
σ =
σ
σε=
n
S
n
iiin pIXA 1),(
)()det(
si ===
σ===σ n
iii
n
iii
n
iiiN Xappid n111 ),( )(, donc
=
σ
n
iii
p
1),( est un polynôme de degré n et de
coefficient dominant n
)1(.
si
=
σ
σ n
iiiN pid n1),(
, est un polynôme de degré inférieur ou égal à n-1 donc )det( n
IXA est
un polynôme de degré n, de coefficient dominant n
)1(.
Soient )(, KMBA n
deux matrices semblables. APPBKGLP n1
),(
=.
)det()det( 1nn IXAPPIXB =
))(det( 11 PIXPAPP n
=
))(det( 1PIXAP n
=
)det()det()det( 1PIXAP n××=
)det( n
IXA= ( 1)det()det( 1=×
PP )
définition (polynôme caractéristique d'une matrice)
Le polynôme )det()( nA IXAX =χ est appelé polynôme caractéristique de A.
définition
Soit u un endomorphisme de E. Soit e une base de E et );( eumatA
=
. Le polynôme
)det()( nu IXAX =χ est indépendant de la base choisie. u
χ
est appelé polynôme caractéristique
de u.
théorème
Soit u un endomorphisme de E (resp. )(KMA n
).
λ
est valeur propre de u (resp. de A) si et
seulement si λ est racine du polynôme caractéristique de u (resp. de A).
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démonstration
{}
0)()( λλ E
iduKeruSp
0)det( =λE
idu
0)( =λχu
définition
On dit que Kλ est valeur propre de u d'ordre m si
λ
est racine de u
χ
d'ordre de multiplicité m.
proposition
Soit u un endomorphisme de E et λ une valeur propre de u d'ordre m. Alors mEdim u
λ))((1.
démonstration
λ est valeur propre de u. Soit x un vecteur propre associé. )(λ
u
Ex et 0x donc
1))(( λ
u
Edim .
Soit v l'endomorphisme de )(λ
u
E induit par u. Soit ))((
λ
=
u
Edimp . Soit e une base de )(
λ
u
E.
),...,();( λλ= diagevmat ,
λ
apparaissant p fois. p
vXX )()( λ=χ et v
χ
divise u
χ donc m
p
,
c'est-à-dire mEdim uλ))((.
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