Le cours
Résumé en cinq points
- Les valeurs propres sont les racines du polynôme caractéristique, et la dimension du sous-espace propre est comprise entre et la multiplicité.
- Diagonalisable veut dire que la somme des sous-espaces propres est , ce qui équivaut à scindé avec pour chaque .
- Trigonalisable équivaut à scindé, donc c'est automatique sur , et alors trace et déterminant se lisent sur les valeurs propres.
- Par les polynômes : est diagonalisable si et seulement si est scindé à racines simples, trigonalisable si et seulement si est scindé. Le lemme des noyaux est le moteur de ces preuves.
- Cayley-Hamilton donne , donc divise , et la décomposition en sous-espaces caractéristiques ramène toute matrice complexe à des blocs de la forme avec nilpotente.
Pourquoi ce chapitre
Réduire un endomorphisme, c'est chercher une base dans laquelle sa matrice est la plus simple possible, diagonale si on peut, triangulaire sinon.
- Enjeu pratique : une fois la matrice diagonalisée, on calcule les puissances, on résout les systèmes différentiels linéaires, on étudie les suites récurrentes et les chaînes de Markov sans effort.
- Enjeu théorique : la réduction relie l'algèbre linéaire et l'arithmétique des polynômes.
Le programme distingue deux approches.
- L'approche géométrique s'appuie sur les sous-espaces stables et les éléments propres, avec le polynôme caractéristique comme outil de calcul.
- L'approche algébrique s'appuie sur les polynômes annulateurs et le lemme des noyaux.
Il faut savoir passer de l'une à l'autre.
Dans tout le chapitre, est un sous-corps de , en pratique ou , et est un -espace vectoriel de dimension finie sauf mention contraire.
1Éléments propres
1.1Définitions
Définition 1.1Valeur propre, vecteur propre
Soit . Un scalaire est une valeur propre de s'il existe un vecteur non nul tel que . Un tel est un vecteur propre associé à .
Attention
L'exigence est essentielle, sinon tout scalaire serait valeur propre. En revanche est autorisé : est valeur propre de si et seulement si n'est pas injectif.
Définition 1.2Sous-espace propre
Le sous-espace propre associé à est Il contient le vecteur nul et tous les vecteurs propres associés à . Sa dimension est au moins dès que est valeur propre.
Définition 1.3Spectre
Le spectre de , noté , est l'ensemble de ses valeurs propres.
Les droites stables par sont exactement les droites engendrées par un vecteur propre.
Pour une matrice carrée , les mêmes définitions valent avec l'équation , non nul. Deux matrices semblables ont même spectre, car un changement de base ne change pas l'endomorphisme.
Propriété 1.4Dépendance du corps
Si est un sous-corps de , le spectre de dans est contenu dans son spectre dans .
Exemple 1.5Rotation d'angle
La matrice de rotation d'angle dans le plan a un spectre vide dans , et un spectre égal à dans .
1.2Indépendance et finitude
Théorème 1.6Somme directe des sous-espaces propres
La somme d'une famille finie de sous-espaces propres associés à des valeurs propres deux à deux distinctes est directe. Conséquence directe : toute famille de vecteurs propres associés à des valeurs propres deux à deux distinctes est libre.
Démonstration
Récurrence sur le nombre de valeurs propres. On part d'une relation avec . On applique , ce qui tue le dernier terme et multiplie chaque autre par , non nul. L'hypothèse de récurrence donne la nullité des pour , puis celle de .
Propriété 1.7Finitude du spectre
En dimension , le spectre est fini et de cardinal au plus , puisque la somme des sous-espaces propres est un sous-espace de de dimension au moins égale au nombre de valeurs propres.
1.3Commutation
Propriété 1.8Commutation et sous-espaces propres
Si et commutent, tout sous-espace propre de est stable par .
Démonstration
Si , alors donc .
À retenir
Les sous-espaces propres de sont stables par tout endomorphisme qui commute avec : c'est le résultat clé pour la réduction simultanée.
2Polynôme caractéristique
2.1Définition et propriétés
Définition 2.1Polynôme caractéristique
Pour , on pose . C'est un polynôme de degré , unitaire par convention. Pour un endomorphisme , on pose où est la matrice de dans une base quelconque.
Cette définition est licite car deux matrices semblables ont même polynôme caractéristique.
Propriété 2.2Coefficients à connaître
- Le coefficient de vaut .
- Le coefficient constant vaut .
Théorème 2.3Valeurs propres et racines
Les valeurs propres de sont exactement les racines de dans .
Démonstration
est valeur propre si et seulement si n'est pas injectif, donc pas bijectif en dimension finie, donc de déterminant nul.
Propriété 2.4Cas particuliers
- Le polynôme caractéristique d'une matrice triangulaire est le produit des , où les sont les coefficients diagonaux.
- Si est stable par , le polynôme caractéristique de l'endomorphisme induit divise . Cela se voit sur la matrice triangulaire par blocs obtenue dans une base adaptée.
2.2Multiplicité
Définition 2.5Multiplicité
La multiplicité d'une valeur propre est sa multiplicité comme racine de . On la note souvent .
Théorème 2.6Encadrement de la dimension
Pour toute valeur propre de :
Démonstration
On prend une base de , on la complète en base de . La matrice de est triangulaire par blocs avec en haut à gauche , où . Le polynôme caractéristique est donc divisible par .
Attention
L'inégalité peut être stricte. Pour la matrice de taille 2 avec des sur la diagonale et un en haut à droite, la valeur propre est de multiplicité mais son sous-espace propre est une droite.
3Diagonalisation
3.1Définition et critères
Définition 3.1Endomorphisme diagonalisable
Un endomorphisme est diagonalisable s'il existe une base de dans laquelle sa matrice est diagonale. Une telle base est constituée de vecteurs propres. Une matrice carrée est diagonalisable si elle est semblable à une matrice diagonale.
Théorème 3.2Critères équivalents
Les assertions suivantes sont équivalentes :
- est la somme des sous-espaces propres de ;
- la somme des dimensions des sous-espaces propres vaut ;
- il existe une base de formée de vecteurs propres ;
- est scindé sur et, pour chaque valeur propre , .
Propriété 3.3Condition suffisante
Si admet valeurs propres distinctes, il est diagonalisable, et chaque sous-espace propre est une droite.
Attention
La réciproque est fausse : l'identité est diagonalisable avec une seule valeur propre.
Exemple 3.4Exemples usuels
- Tout projecteur est diagonalisable, de spectre contenu dans .
- Toute symétrie est diagonalisable, de spectre contenu dans .
- Un endomorphisme nilpotent non nul n'est jamais diagonalisable.
3.2Pratique
En exercice on se limite à des matrices de taille 2 ou 3.
MéthodeDiagonaliser une matrice
- Calculer et le factoriser.
- Si n'est pas scindé sur , la matrice n'est pas diagonalisable sur , mais elle peut l'être sur .
- Si est scindé à racines simples, conclure immédiatement.
- Sinon, pour chaque racine multiple, résoudre et comparer la dimension trouvée à la multiplicité.
- Écrire , où les colonnes de sont les vecteurs propres rangés dans le même ordre que les valeurs propres sur la diagonale de .
Exemple 3.5Puissances
, où est immédiate. C'est ainsi qu'on obtient la forme close d'une suite récurrente linéaire ou d'un système dynamique discret.
4Trigonalisation
Définition 4.1Endomorphisme trigonalisable
Un endomorphisme est trigonalisable s'il existe une base dans laquelle sa matrice est triangulaire. Une matrice est trigonalisable si elle est semblable à une matrice triangulaire.
Théorème 4.2Critère de trigonalisabilité
est trigonalisable si et seulement si est scindé sur .
Conséquence majeure : sur , tout endomorphisme d'un espace de dimension finie est trigonalisable, et toute matrice de l'est. C'est faux sur , la rotation d'angle du plan en est le contre-exemple.
Propriété 4.3Trace et déterminant
Hypothèse : est trigonalisable.
Alors la trace de est la somme de ses valeurs propres comptées avec leur multiplicité, et le déterminant de en est le produit.
On le lit sur la matrice triangulaire, dont la diagonale porte les valeurs propres avec leurs multiplicités. Sur ces deux formules valent donc toujours.
La pratique de la trigonalisation n'est pas un objectif du programme. C'est l'existence qui sert, souvent pour démontrer une inégalité ou une propriété de limite.
5Endomorphismes nilpotents
Définition 5.1Nilpotent
Un endomorphisme de est nilpotent s'il existe un entier tel que . Le plus petit tel entier est l'indice de nilpotence. Même définition pour une matrice.
Théorème 5.2Caractérisation des nilpotents
est nilpotent si et seulement s'il est trigonalisable avec pour seule valeur propre. De façon équivalente en dimension , est nilpotent si et seulement si . La matrice est alors semblable à une matrice triangulaire supérieure à diagonale nulle.
Propriété 5.3Majoration de l'indice
L'indice de nilpotence est majoré par , car une matrice triangulaire à diagonale nulle vérifie que son produit fois vaut zéro. En particulier, si pour un quelconque, alors déjà .
Un endomorphisme nilpotent non nul n'est pas diagonalisable, puisqu'une matrice diagonale nilpotente est nulle.
6Polynômes annulateurs et réduction
6.1Polynôme minimal
Définition 6.1Polynôme minimal
L'ensemble des polynômes annulateurs de est un idéal de . En dimension finie il n'est pas réduit à zéro, car la famille des pour de à est liée dans , de dimension . Cet idéal admet donc un unique générateur unitaire, le polynôme minimal de , noté .
C'est le polynôme unitaire non nul de plus petit degré annulant , et il divise tout polynôme annulateur.
Propriété 6.2Base de
Si est le degré de , la famille des pour allant de à est une base de . En particulier .
Théorème 6.3Racines d'un annulateur
Si annule , alors toute valeur propre de est racine de .
Démonstration
Si avec non nul, alors , donc et .
Théorème 6.4Racines du polynôme minimal
Les racines de dans sont exactement les valeurs propres de .
L'inclusion réciproque de celle du théorème précédent est donc vraie pour le polynôme minimal, pas pour un annulateur quelconque.
Attention
Un polynôme annulateur peut avoir des racines qui ne sont pas valeurs propres. annule l'identité, mais n'est pas valeur propre de l'identité.
6.2Lemme des noyaux
Théorème 6.5Lemme des noyaux
Hypothèses
- sont deux à deux premiers entre eux ;
- .
Alors est la somme directe des , et chacun de ces noyaux est stable par .
6.3Critères par les polynômes annulateurs
Théorème 6.6Diagonalisabilité et polynômes
est diagonalisable si et seulement s'il existe un polynôme scindé à racines simples annulant , ce qui équivaut à dire que est scindé à racines simples.
Démonstration
Sens direct par les noyaux : si annule avec des distincts, alors et le lemme des noyaux donne comme somme directe des , c'est-à-dire des sous-espaces propres. Le sens réciproque s'obtient en vérifiant que le produit des sur les valeurs propres distinctes annule quand est diagonalisable.
Ce critère est celui qu'on utilise quand on ne dispose pas de la matrice, mais d'une relation algébrique.
Exemple 6.7Cas
annule , ce polynôme est scindé à racines simples, donc est diagonalisable, de spectre contenu dans .
Corollaire 6.8Endomorphisme induit
Si est diagonalisable et si est stable par , alors l'endomorphisme induit sur est diagonalisable.
Démonstration
Le polynôme minimal de l'endomorphisme induit divise , donc il reste scindé à racines simples.
Théorème 6.9Trigonalisabilité et polynômes
est trigonalisable si et seulement s'il existe un polynôme scindé annulant , ce qui équivaut à dire que est scindé.
6.4Théorème de Cayley-Hamilton
Théorème 6.10Cayley-Hamilton
Pour tout endomorphisme d'un espace de dimension finie, .
La démonstration n'est pas exigible.
Propriété 6.11Conséquences
- Le polynôme minimal divise le polynôme caractéristique, donc son degré est au plus .
- Les deux polynômes ont exactement les mêmes racines dans : on peut souvent reconstituer à partir de en testant les exposants.
- L'inverse d'une matrice inversible s'exprime comme un polynôme en cette matrice.
Attention
Cayley-Hamilton ne dit pas que est le polynôme minimal. Pour l'identité en dimension 2, et .
6.5Sous-espaces caractéristiques
Définition 6.12Sous-espace caractéristique
Hypothèse : est scindé, ce qui est automatique sur .
Pour chaque valeur propre de multiplicité , le sous-espace caractéristique associé à est
Théorème 6.13Décomposition caractéristique
Hypothèse : est scindé.
Alors est la somme directe des sous-espaces caractéristiques de , et . Chaque est stable par .
Démonstration
est le produit des , ces facteurs sont deux à deux premiers entre eux, et annule par Cayley-Hamilton. Le lemme des noyaux conclut.
Traduction matricielle : toute matrice de est semblable à une matrice diagonale par blocs dont chaque bloc diagonal est triangulaire à termes diagonaux tous égaux à une même valeur propre. Autrement dit chaque bloc s'écrit avec nilpotente.
C'est la forme réduite la plus fine au programme. Elle rend les calculs de puissances et d'exponentielles de matrices accessibles, en utilisant le binôme puisque et commutent. La réduction de Jordan proprement dite est hors programme.
Méthodes
MéthodeDiagonaliser une matrice concrète de taille 2 ou 3
- Calculer et le factoriser.
- Pour chaque valeur propre multiple, résoudre le système homogène.
- Comparer dimension et multiplicité.
MéthodeMontrer la diagonalisabilité sans calcul
- Chercher une relation algébrique du type , , .
- Invoquer le critère du polynôme annulateur scindé à racines simples.
MéthodeProuver la non-diagonalisabilité
- Exhiber une valeur propre dont le sous-espace propre est de dimension strictement inférieure à la multiplicité,
- ou remarquer que n'est pas scindé sur .
MéthodeCalculer
- Diagonaliser si possible.
- Sinon écrire avec nilpotente.
- Appliquer le binôme, la somme étant finie.
MéthodeTrouver le polynôme minimal
- Partir de , qui est un multiple de .
- Tester les diviseurs unitaires ayant les mêmes racines, du plus petit degré au plus grand.
MéthodeRéduire simultanément deux endomorphismes qui commutent
- Utiliser que les sous-espaces propres de l'un sont stables par l'autre.
- Réduire l'endomorphisme induit.
MéthodeMajorer ou passer à la limite sur des matrices
- Trigonaliser sur .
- Travailler sur la matrice triangulaire.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Démontrer que des vecteurs propres associés à des valeurs propres distinctes forment une famille libre.
- Montrer que est comprise entre et la multiplicité de , et donner un exemple d'inégalité stricte.
- Énoncer les quatre critères de diagonalisabilité et diagonaliser une matrice explicite.
- Justifier que toute matrice complexe est trigonalisable et en déduire que la trace est la somme des valeurs propres.
- Démontrer que est diagonalisable si et seulement si est scindé à racines simples, au moins le sens direct par le lemme des noyaux.
- Montrer qu'un endomorphisme induit par un endomorphisme diagonalisable sur un sous-espace stable est diagonalisable.
- Caractériser les endomorphismes nilpotents par leur polynôme caractéristique et majorer leur indice.
- Énoncer Cayley-Hamilton, en déduire que divise , et calculer l'inverse d'une matrice comme polynôme en cette matrice.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- λ est valeur propre de u s'il existe x ≠ 0 avec u(x) = λx, E_λ(u) = Ker(u − λid) est de dimension au moins 1, et 0 est valeur propre si et seulement si u n'est pas injectif : exigible.
- Le spectre d'une matrice peut dépendre du corps, il est contenu dans le spectre calculé sur une extension de K : exigible, exemple de la rotation d'angle π/2.
- La somme des sous-espaces propres associés à des valeurs propres distinctes est directe, toute famille de vecteurs propres associés à des valeurs propres distinctes est libre : exigible avec démonstration, par récurrence.
- En dimension n, le spectre est fini, de cardinal au plus n : exigible, conséquence directe.
- Si u et v commutent, tout sous-espace propre de u est stable par v : exigible avec démonstration.
- χM = det(X In − M), polynôme unitaire de degré n, invariant par similitude, coefficient de Xn−1 égal à −tr(M), coefficient constant égal à (−1)n det(M) : exigible.
- Les valeurs propres de u sont exactement les racines de χu dans K : exigible avec démonstration.
- χ d'une matrice triangulaire est le produit des X − aii, et le polynôme caractéristique d'un endomorphisme induit sur un sous-espace stable divise χu : exigible.
- Pour toute valeur propre λ, 1 ≤ dim E_λ(u) ≤ m_λ, l'inégalité pouvant être stricte : exigible avec démonstration.
- u diagonalisable équivaut à E somme des sous-espaces propres, équivaut à χu scindé et dim E_λ = m_λ pour chaque λ : exigible avec démonstration.
- n valeurs propres distinctes en dimension n entraîne diagonalisable, la réciproque est fausse, l'identité en est le contre-exemple : exigible.
- u trigonalisable équivaut à χu scindé, donc automatique sur C, faux sur R en général : exigible avec démonstration par récurrence sur la dimension.
- Si u est trigonalisable, la trace vaut la somme des valeurs propres comptées avec multiplicité, le déterminant leur produit : exigible.
- u nilpotent équivaut à trigonalisable de seule valeur propre 0, équivaut à χu = Xn, et l'indice de nilpotence est majoré par n : exigible avec démonstration.
- Le polynôme minimal πu existe, est unitaire, divise tout polynôme annulateur, et deg πu = dim K[u] : exigible.
- Si P annule u, toute valeur propre de u est racine de P, et les racines de πu dans K sont exactement les valeurs propres de u : exigible avec démonstration pour le sens direct.
- Lemme des noyaux : pour P₁, …, Pr deux à deux premiers entre eux de produit P, Ker P(u) est somme directe des Ker Pi(u) : exigible avec démonstration.
- u diagonalisable équivaut à annuler un polynôme scindé à racines simples, équivaut à πu scindé à racines simples. u trigonalisable équivaut à πu scindé : exigible avec démonstration du sens direct par le lemme des noyaux.
- Théorème de Cayley-Hamilton, χu(u) = 0 : exigible, démonstration hors programme.
- Si χu est scindé, E est somme directe des sous-espaces caractéristiques N_λ = Ker(u − λid)m_λ, avec dim N_λ = m_λ : exigible avec démonstration, via le lemme des noyaux et Cayley-Hamilton.
Clés de démonstration
Somme directe des sous-espaces propres. On raisonne par récurrence sur le nombre de valeurs propres, à partir d'une relation x₁ + … + xp = 0. On applique u − λp·id, ce qui annule le dernier terme et multiplie chaque autre par λi − λp, non nul. L'astuce : choisir un opérateur qui tue exactement un terme de la somme.
Majoration dim E_λ ≤ m_λ. On complète une base de E_λ en base de E. Dans cette base, la matrice de u est triangulaire par blocs avec λ·Id en haut à gauche, donc χu est divisible par (X − λ)d. L'astuce : construire une base adaptée pour lire le polynôme caractéristique sur une matrice triangulaire par blocs.
Critère de diagonalisabilité par polynôme annulateur. Si P = (X − λ₁)…(X − λr) annule u avec des λi distincts, alors E = Ker P(u), et le lemme des noyaux donne E comme somme directe des Ker(u − λi·id), c'est-à-dire des sous-espaces propres. L'astuce : transformer une relation algébrique en décomposition géométrique via le lemme des noyaux.
Caractérisation des endomorphismes nilpotents. Si u est nilpotent, up = 0 pour un p, donc Xp annule u, donc la seule racine possible de πu est 0, donc les seules valeurs propres possibles sont 0, donc χu = Xn. Réciproquement, si χu = Xn, Cayley-Hamilton donne un = 0. L'astuce : passer par le polynôme minimal pour localiser le spectre sans calcul.
Sous-espaces caractéristiques. χu est le produit des (X − λ)m_λ, ces facteurs sont deux à deux premiers entre eux, et χu annule u par Cayley-Hamilton. Le lemme des noyaux conclut directement. L'astuce : Cayley-Hamilton fournit toujours un polynôme annulateur scindé sur lequel appliquer le lemme des noyaux.
Exemples et contre-exemples à connaître
- La rotation d'angle π/2 dans le plan a un spectre vide dans R et égal à {i, −i} dans C : le spectre dépend du corps de base.
- La matrice [[1,1],[0,1]] a pour seule valeur propre 1, de multiplicité 2, mais son sous-espace propre est une droite : l'inégalité dim E_λ ≤ m_λ peut être stricte, et cette matrice n'est pas diagonalisable.
- L'identité admet une seule valeur propre mais est diagonalisable : contre-exemple à la réciproque de « n valeurs propres distinctes entraîne diagonalisable ».
- Tout projecteur est diagonalisable, de spectre contenu dans {0, 1}. Toute symétrie est diagonalisable, de spectre contenu dans {−1, 1} : exemples de référence immédiats.
- Un endomorphisme nilpotent non nul n'est jamais diagonalisable, car une matrice diagonale nilpotente est nécessairement nulle.
- X² − 1 annule l'identité, mais −1 n'est pas valeur propre de l'identité : un polynôme annulateur quelconque peut avoir des racines qui ne sont pas des valeurs propres, contrairement au polynôme minimal.
- Pour l'identité en dimension 2, χ = (X − 1)² mais π = X − 1 : Cayley-Hamilton donne un annulateur, pas nécessairement le polynôme minimal.
- Si u³ = u, alors X³ − X = X(X−1)(X+1) est scindé à racines simples, donc u est diagonalisable, de spectre contenu dans {−1, 0, 1}, sans avoir eu besoin d'une matrice.
- I₂ et [[1,1],[0,1]] ont le même polynôme caractéristique (X−1)², mais ne sont pas semblables, la première étant diagonale et la seconde non diagonalisable : même χ n'entraîne pas semblables.
- Toute matrice complexe est trigonalisable, ce qui est faux sur R en général, la rotation d'angle π/2 en est le contre-exemple, cohérent avec le premier exemple.
Techniques du chapitre
Technique 1, reconnaître une relation algébrique pour diagonaliser sans calcul matriciel. Mini-exercice : u vérifie u² = id. X² − 1 = (X−1)(X+1) est scindé à racines simples et annule u, donc u est diagonalisable, de spectre contenu dans {−1, 1}.
Technique 2, comparer dimension du sous-espace propre et multiplicité pour prouver la non-diagonalisabilité. Mini-exercice : M = [[2,1],[0,2]]. χM = (X−2)², multiplicité 2, mais M − 2I est de rang 1, donc dim Ker(M−2I) = 1 < 2 : non diagonalisable.
Technique 3, écrire M = λI + N avec N nilpotente pour calculer Mk quand M n'est pas diagonalisable. Mini-exercice : pour M ci-dessus, N = M − 2I vérifie N² = 0, et I, N commutent, donc Mk = 2k I + k·2k−1N par le binôme.
Technique 4, tester les diviseurs de χ pour trouver le polynôme minimal. Mini-exercice : pour M = [[1,1],[0,1]], χ = (X−1)². Comme M − I ≠ 0, X−1 n'annule pas M, donc πM = (X−1)².
Technique 5, utiliser la commutation pour réduire simultanément deux endomorphismes. Mini-exercice : si u a n valeurs propres distinctes et si uv = vu, chaque droite propre de u est stable par v, donc v agit comme un scalaire sur chacune : v est automatiquement diagonal dans la même base que u.
Technique 6, trigonaliser sur C pour étudier une limite de puissances. Mini-exercice : si toutes les valeurs propres de M ∈ Mn(C) sont de module strictement inférieur à 1, alors Mk tend vers 0. La forme triangulaire donne des termes en produit d'une puissance k et d'un facteur géométrique dominant, qui tend vers 0.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Diagonaliser M = [[1,2],[2,1]] dans M₂(R)
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Technique calcul direct de χ, résolution des deux systèmes propres.
Voir le corrigé
- χM(X) = (X−1)² − 4 = (X−3)(X+1), racines 3 et −1, simples.
- Pour λ = 3, (M−3I)X = 0 donne −2x+2y = 0, vecteur propre (1,1).
- Pour λ = −1, (M+I)X = 0 donne 2x+2y = 0, vecteur propre (1,−1).
- M = PDP⁻¹ avec P = [[1,1],[1,−1]] et D = diag(3, −1).
piège : Oublier que deux valeurs propres distinctes garantissent automatiquement l'indépendance des vecteurs propres associés, ou se tromper de signe en résolvant un des deux systèmes.
Exercice 2
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Montrer que M = [[0,1,0],[0,0,1],[0,0,0]] est nilpotente et donner son indice de nilpotence.
Technique matrice triangulaire à diagonale nulle, calcul direct des puissances.
Voir le corrigé
- χM = X³, car M est triangulaire supérieure de diagonale nulle : M est nilpotente, seule valeur propre 0.
- M² a pour seul coefficient non nul un 1 en position (1,3).
- M³ = 0.
- L'indice de nilpotence vaut 3, la valeur maximale possible en dimension 3.
piège : Confondre l'indice de nilpotence, qui peut être strictement inférieur à n, et la multiplicité de la valeur propre 0, toujours égale à n pour une matrice nilpotente.
Exercice 3
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Soit u dans L(E) tel que u² − 3u + 2id = 0. Montrer que u est diagonalisable et préciser son spectre possible.
Technique critère du polynôme annulateur scindé à racines simples.
Voir le corrigé
- X² − 3X + 2 = (X−1)(X−2) annule u.
- Ce polynôme est scindé à racines simples, donc u est diagonalisable.
- Le spectre de u est contenu dans l'ensemble des racines de tout polynôme annulateur, donc Sp(u) ⊂ {1, 2}.
- Selon E, u peut être l'identité, l'homothétie de rapport 2, ou avoir les deux valeurs propres à la fois.
piège : Conclure que 1 et 2 sont nécessairement toutes deux valeurs propres, alors que seule l'inclusion du spectre est garantie.
Exercice 4. Soit M = [[2,1],[0,2]]. M est-elle diagonalisable ? Calculer Mk pour k ≥ 1
Classiques de khôlle et concours · Khôlle vers écrit
Technique comparaison dimension et multiplicité, puis binôme sur λI + N.
Voir le corrigé
- χM = (X−2)², valeur propre 2 de multiplicité 2.
- M − 2I est de rang 1, donc dim Ker(M−2I) = 1 < 2 : M n'est pas diagonalisable.
- On écrit M = 2I + N avec N = [[0,1],[0,0]], nilpotente d'indice 2. Comme 2I et N commutent, le binôme donne Mk = Σ des C(k,j)(2I)k−jNj, seuls j = 0 et j = 1 étant non nuls.
- Mk = 2k I + k·2k−1N = [[2k, k·2k−1],[0, 2k]].
piège : Appliquer la formule Mk = PDkP⁻¹ alors que M n'est pas diagonalisable.
Exercice 5
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Soit u endomorphisme de R³ tel que u³ = u. Montrer que u est diagonalisable et décrire sa nature géométrique.
Technique critère du polynôme annulateur, lemme des noyaux.
Voir le corrigé
- X³ − X = X(X−1)(X+1) annule u, scindé à racines simples : u est diagonalisable, Sp(u) ⊂ {−1, 0, 1}.
- R³ est somme directe de Ker u, Ker(u−id) et Ker(u+id).
- Sur Ker u, u annule. Sur Ker(u−id), u agit comme l'identité. Sur Ker(u+id), u agit comme moins l'identité.
- Selon les dimensions respectives de ces trois sous-espaces, u est une projection, une symétrie, ou une combinaison des deux.
piège : Croire que les trois valeurs −1, 0, 1 sont nécessairement toutes des valeurs propres effectives.
Exercice 6. Soit M = [[0,−1],[1,0]], étudier sa diagonalisabilité dans M₂(R) puis dans M₂(C)
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP
Technique comparer le corps de base à l'ensemble des racines de χ.
Voir le corrigé
- χM(X) = X² + 1, sans racine réelle : sur R, M n'est ni diagonalisable ni trigonalisable, son spectre réel est vide.
- Sur C, X² + 1 = (X−i)(X+i), racines simples : M est diagonalisable sur C.
- Pour i, (M − iI)X = 0 donne le vecteur propre (1, −i). Pour −i, par conjugaison, (1, i).
- M est la matrice d'une rotation d'angle π/2 dans le plan euclidien, jamais diagonalisable sur R car une rotation non triviale n'a pas de droite invariante réelle.
piège : Chercher à diagonaliser M sur R sans remarquer d'abord que χM n'a pas de racine réelle, ce qui règle immédiatement la question.
Exercice 7
Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP ou e3a
Soit M = [[1,1,1],[0,1,1],[0,0,1]]. Déterminer le polynôme minimal de M et calculer Mk pour k ≥ 1.
Technique nilpotence de M − I, binôme de Newton.
Voir le corrigé
- χM = (X−1)³, matrice triangulaire de diagonale 1.
- N = M − I vérifie N² ≠ 0 et N³ = 0 : N est nilpotente d'indice 3, donc πM = (X−1)³, aucun diviseur strict n'annulant M.
- M = I + N, avec I et N qui commutent, donc Mk = I + kN + C(k,2)N².
- Avec N de coefficients (1,2) et (1,3) et (2,3) égaux à 1, et N² de seul coefficient non nul (1,3) égal à 1, on obtient Mk avec en position (1,2) le terme k, en position (2,3) le terme k, et en position (1,3) le terme k(k+1)/2.
- Résultat : Mk = [[1, k, k(k+1)/2],[0,1,k],[0,0,1]].
piège : Oublier le terme en N², non nul ici contrairement à des exemples de taille 2, ce qui fausse le coefficient en position (1,3).
Exercice 8
Approfondissement · Type écrit Centrale ou Mines, plus délicat
Soit u dans L(E), E de dimension finie, tel que u soit à la fois diagonalisable et nilpotent. Montrer que u = 0.
Technique combiner les deux caractérisations par le polynôme minimal.
Voir le corrigé
- u nilpotent signifie up = 0 pour un entier p, donc πu divise Xp, donc πu est de la forme Xq pour un certain q.
- u diagonalisable signifie que πu est scindé à racines simples.
- Le seul polynôme de la forme Xq scindé à racines simples est X lui-même, car pour q ≥ 2, la racine 0 aurait une multiplicité au moins 2.
- Donc πu = X, ce qui équivaut exactement à u = 0.
piège : Croire qu'un endomorphisme nilpotent non nul pourrait rester diagonalisable dans des cas particuliers, alors que la forme du polynôme minimal l'exclut toujours.
Erreurs fréquentes
- Croire que dim E_λ égale toujours la multiplicité m_λ, alors que seule l'inégalité 1 ≤ dim E_λ ≤ m_λ est garantie.
- Utiliser un polynôme annulateur quelconque pour lire le spectre exact, alors que seules les racines du polynôme minimal sont exactement les valeurs propres.
- Croire que deux matrices ayant le même polynôme caractéristique sont semblables.
- Appliquer la formule Mk = PDkP⁻¹ à une matrice qui n'est pas diagonalisable.
- Confondre trigonalisable et diagonalisable, en oubliant que sur C tout endomorphisme est trigonalisable sans être nécessairement diagonalisable.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de mathématiques de MP, section « Réduction des endomorphismes et des matrices carrées », paragraphes b à j. Les compléments d'algèbre linéaire, sommes directes, matrices par blocs, sous-espaces stables et polynômes d'endomorphismes, font l'objet de la fiche précédente et sont supposés acquis.