Le cours
Résumé en cinq points
- Une somme de sous-espaces est directe quand la décomposition du vecteur nul est triviale, et la dimension d'une somme est majorée par la somme des dimensions avec égalité exactement dans le cas direct.
- Un sous-espace stable par se lit sur la matrice de dans une base adaptée sous forme triangulaire par blocs, une décomposition en somme directe de sous-espaces stables donne une matrice diagonale par blocs.
- Si et commutent, le noyau et l'image de sont stables par .
- La trace est linéaire, vérifie et est invariante par similitude, ce qui la rend définissable pour un endomorphisme.
- Un polynôme annulateur permet d'inverser, de calculer des puissances et, au chapitre suivant, de localiser les valeurs propres.
Pourquoi ce chapitre
C'est le chapitre d'outillage de l'algèbre linéaire de deuxième année. Il a trois fonctions.
- Réactiver les acquis de première année : familles libres, bases, rang, matrices, déterminants.
- Installer les objets sans lesquels la réduction des endomorphismes est impossible à écrire proprement : somme directe d'une famille de sous-espaces, sous-espaces stables, matrices par blocs, trace et polynômes d'endomorphismes.
- Entraîner le va-et-vient permanent entre le point de vue vectoriel et le point de vue matriciel.
Aux concours, ce chapitre apparaît rarement seul. Il apparaît comme première question d'un problème de réduction, sous la forme « montrer que est stable par » ou « trouver un polynôme annulateur de ».
1Produit d'espaces vectoriels, somme de sous-espaces
1.1Produit d'un nombre fini d'espaces vectoriels
Définition 1.1Produit d'espaces vectoriels
Si sont des -espaces vectoriels, le produit est muni des lois définies coordonnée par coordonnée. C'est un -espace vectoriel.
Propriété 1.2Dimension d'un produit
Hypothèse
- chaque est de dimension finie.
Alors
Démonstration
On construit une base du produit en prenant, pour chaque , les vecteurs où parcourt une base de et occupe la place . Cette famille est libre et génératrice.
Exemple 1.3
est isomorphe à , de dimension 5.
1.2Somme et somme directe d'une famille finie de sous-espaces
Définition 1.4Somme de sous-espaces
Soient des sous-espaces de . Leur somme est l'ensemble des vecteurs avec . C'est un sous-espace de , le plus petit contenant tous les .
Définition 1.5Somme directe
La somme est directe quand la décomposition est unique : tout vecteur de la somme s'écrit d'une seule façon avec . On note alors .
Propriété 1.6Critère pratique
La somme est directe si et seulement si la seule décomposition du vecteur nul est la décomposition triviale : si avec , alors tous les sont nuls.
C'est ce critère que l'on utilise en pratique, exactement comme pour prouver qu'une famille est libre.
Attention
Pour , la somme est directe si et seulement si . Pour , cette condition ne suffit plus.
Exemple 1.7Contre-exemple dans
Soient , , les droites engendrées par , et . Elles sont deux à deux d'intersection nulle, pourtant est une décomposition non triviale du vecteur nul. La somme n'est pas directe.
1.3Bases adaptées
Définition 1.8Base adaptée
Soit de dimension finie. Une base adaptée à un sous-espace est une base de dont les premiers vecteurs forment une base de . Une base adaptée à une décomposition est obtenue en concaténant une base de , puis une base de , et ainsi de suite.
Réciproquement, partitionner une base de en paquets fournit une décomposition de en somme directe des sous-espaces engendrés par chaque paquet.
1.4Dimension d'une somme
Propriété 1.9Dimension d'une somme
Hypothèse
- sont de dimension finie.
Alors avec égalité si et seulement si la somme est directe.
Démonstration
On concatène une base de chaque . La famille obtenue engendre la somme, donc la dimension de la somme est au plus le cardinal de cette famille, qui vaut la somme des dimensions. Il y a égalité exactement quand cette famille concaténée est libre, ce qui équivaut au fait que la somme est directe.
À retenir
Si les sont en somme directe et si la somme des dimensions vaut , alors .
C'est l'argument de dimension qui conclut la plupart des exercices de diagonalisation.
2Matrices par blocs et sous-espaces stables
2.1Calcul par blocs
Une matrice peut être découpée en blocs rectangulaires.
- Deux matrices découpées de façon compatible s'additionnent bloc par bloc.
- Elles se multiplient bloc par bloc, en respectant l'ordre des facteurs, à condition que les tailles rendent les produits de blocs définis.
- La transposée s'obtient en transposant le tableau de blocs puis chaque bloc.
Attention
Les blocs ne commutent pas. Dans un produit par blocs on écrit , jamais .
2.2Déterminant d'une matrice triangulaire par blocs
Propriété 2.1Déterminant par blocs
Hypothèse
- est triangulaire supérieure (ou inférieure) par blocs, de blocs diagonaux carrés .
Alors
Attention
Ce résultat n'a pas d'analogue pour un découpage quelconque. Pour une matrice de blocs , , , tous non nuls, n'est pas égal à en général.
2.3Sous-espaces stables
Définition 2.2Sous-espace stable
Un sous-espace de est stable par l'endomorphisme si . On définit alors l'endomorphisme induit par sur , noté souvent , qui à associe , vu comme élément de .
Propriété 2.3Traduction matricielle
Hypothèses
- est de dimension finie ;
- est un sous-espace de dimension stable par .
Alors dans une base adaptée à , la matrice de est triangulaire supérieure par blocs, le bloc en haut à gauche, de taille , étant la matrice de l'endomorphisme induit. Réciproquement, si la matrice de dans une base est triangulaire supérieure par blocs, le sous-espace engendré par les premiers vecteurs est stable.
Propriété 2.4Décomposition en sous-espaces stables
Hypothèses
- ;
- tous les sont stables par .
Alors dans une base adaptée à cette décomposition, la matrice de est diagonale par blocs.
C'est exactement le mécanisme de la réduction.
2.4Commutation et stabilité
Propriété 2.5Noyau et image
Hypothèse
- et commutent.
Alors et sont stables par .
Démonstration
Soit . Alors , donc . Soit . Alors .
Ce lemme d'une ligne est utilisé tout le temps, en particulier avec , ce qui donne la stabilité de et par lui-même.
3Trace
3.1Trace d'une matrice
Définition 3.1Trace
La trace d'une matrice carrée de taille , notée , est la somme de ses coefficients diagonaux.
L'application trace est une forme linéaire sur l'espace des matrices carrées de taille . On a .
3.2La relation fondamentale
Propriété 3.2Relation
Hypothèse
- est de taille et de taille .
Alors .
Démonstration
est la somme sur des coefficients diagonaux de , c'est-à-dire la double somme sur et de . En échangeant les noms des indices on reconnaît la double somme qui définit .
Attention
n'est pas égal à en général. Seule la permutation circulaire est licite : .
3.3Invariance par similitude et trace d'un endomorphisme
Propriété 3.3Invariance par similitude
Hypothèse
- et sont semblables : .
Alors
La trace est donc un invariant de similitude. Cela permet de définir la trace d'un endomorphisme d'un espace de dimension finie comme la trace de sa matrice dans une base quelconque, le résultat ne dépendant pas de la base.
Exemple 3.4Trace d'un projecteur
Si est un projecteur de de dimension finie, alors . En effet, dans une base adaptée à , la matrice de est diagonale avec coefficients égaux à 1 et le reste nul, où est le rang.
4Polynômes d'endomorphismes et de matrices carrées
4.1Définition
Définition 4.1Polynôme d'un endomorphisme
Soit un endomorphisme de et . On pose où désigne la composée de avec lui-même fois, avec la convention . Même définition pour une matrice carrée , avec .
4.2Propriétés
Propriété 4.2Calcul sur les polynômes d'endomorphismes
L'application qui à associe est linéaire, et elle transforme le produit en composée : Comme dans , deux polynômes du même endomorphisme commutent toujours.
Conséquence : le noyau de est stable par , puisque et commutent. On applique ici le lemme de la section précédente.
4.3Polynôme annulateur
Définition 4.3Polynôme annulateur
Un polynôme est annulateur de si , l'endomorphisme nul. Même définition pour une matrice.
Propriété 4.4Inversibilité et inverse
Hypothèses
- est annulateur de ;
- .
Alors est inversible et son inverse est un polynôme en .
Exemple 4.5
Si , alors , donc est inversible d'inverse .
MéthodeCalculer avec un polynôme annulateur
- Effectuer la division euclidienne avec .
- En déduire .
Exemple 4.6
Si annule , on écrit . En évaluant en 1 et 2 on obtient et , d'où puis .
Attention
Un polynôme annulateur n'est pas unique : tout multiple d'un polynôme annulateur est annulateur. La notion de polynôme minimal est hors programme en PC.
5Interpolation de Lagrange et déterminant de Vandermonde
5.1Polynômes interpolateurs
Définition 5.1Polynômes interpolateurs de Lagrange
Soient des éléments distincts de . Pour chaque , on pose Chaque est de degré et vérifie et pour .
Théorème 5.2Base de Lagrange
La famille est une base de , l'espace des polynômes de degré au plus .
Démonstration
La famille a éléments et est de dimension , il suffit donc de prouver la liberté. Si une combinaison linéaire de coefficients est nulle, on l'évalue en et on obtient .
Propriété 5.3Expression dans cette base
Tout s'écrit
On le voit en évaluant la relation en chaque , ou en remarquant que la différence des deux membres est un polynôme de degré au plus ayant racines. En prenant , on obtient .
5.2Déterminant de Vandermonde
Théorème 5.4Déterminant de Vandermonde
Le déterminant de Vandermonde associé à est le déterminant de la matrice dont la ligne est . Il vaut
Démonstration
On raisonne par récurrence sur . On fixe et on voit le déterminant comme une fonction polynomiale de , de degré au plus . Ce polynôme s'annule en , il est donc divisible par le produit des pour . Le coefficient dominant est le déterminant de Vandermonde d'ordre , ce qui permet de conclure.
Le déterminant est non nul si et seulement si les sont deux à deux distincts. Cela redonne le problème d'interpolation : le système linéaire qui cherche les coefficients d'un polynôme de degré au plus prenant des valeurs imposées en points distincts a une solution unique.
Méthodes
MéthodeMontrer qu'une somme est directe
- Partir d'une décomposition du vecteur nul.
- Prouver que tous les termes sont nuls.
Ne jamais utiliser les intersections deux à deux quand il y a trois sous-espaces ou plus.
MéthodeMontrer qu'une décomposition remplit
- Vérifier la somme directe.
- Comparer la somme des dimensions à .
MéthodeProuver qu'un sous-espace est stable par
- Prendre un vecteur générique de .
- Vérifier que son image est encore dans .
Quand est un noyau ou une image, chercher d'abord une commutation.
MéthodeFabriquer un polynôme annulateur
- Chercher une relation entre , , par calcul direct.
- Ou exploiter une propriété géométrique, par exemple pour un projecteur et pour une symétrie.
MéthodeCalculer
- Privilégier la division euclidienne par un polynôme annulateur.
- Ne se lancer dans une diagonalisation qu'ensuite.
MéthodeManipuler la trace
- Penser à .
- Utiliser l'invariance par similitude, qui permet de passer d'une matrice à l'endomorphisme.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Donner un contre-exemple montrant que trois sous-espaces deux à deux d'intersection nulle ne sont pas forcément en somme directe.
- Démontrer l'inégalité sur la dimension d'une somme et caractériser le cas d'égalité.
- Écrire la matrice de dans une base adaptée à un sous-espace stable, et reconnaître la stabilité sur une matrice triangulaire par blocs.
- Prouver que si et commutent alors est stable par .
- Démontrer , en déduire l'invariance de la trace par similitude.
- Montrer que la trace d'un projecteur est son rang.
- Utiliser un polynôme annulateur pour inverser une matrice puis pour calculer ses puissances par division euclidienne.
- Prouver que les polynômes interpolateurs de Lagrange forment une base de et calculer un déterminant de Vandermonde d'ordre 3.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Dimension d'un produit fini d'espaces de dimension finie, égale à la somme des dimensions. Exigible avec démonstration par construction d'une base.
- Caractérisation d'une somme directe par l'unicité de la décomposition du vecteur nul. Exigible avec démonstration, c'est la définition reformulée.
- Pour deux sous-espaces, somme directe si et seulement si intersection nulle. Exigible avec démonstration. Pour trois sous-espaces ou plus, la condition sur les intersections deux à deux ne suffit pas, contre-exemple exigible.
- Une partition d'une base de E en p paquets donne une décomposition de E en somme directe des p sous-espaces engendrés. Exigible.
- dim(F₁ + … + Fp) ≤ dim F₁ + … + dim Fp, avec égalité si et seulement si la somme est directe. Exigible avec démonstration par concaténation de bases.
- Opérations par blocs, combinaison linéaire, produit, transposition, pour des découpages compatibles. Admises, à savoir manipuler en respectant l'ordre des facteurs.
- Déterminant d'une matrice triangulaire par blocs, égal au produit des déterminants des blocs diagonaux. Exigible, la preuve par récurrence sur la taille du premier bloc est rarement demandée en khôlle.
- F stable par u si et seulement si, dans une base adaptée à F, la matrice de u est triangulaire supérieure par blocs. Exigible avec démonstration.
- E somme directe de sous-espaces stables si et seulement si la matrice de u est diagonale par blocs dans une base adaptée. Exigible.
- Si u et v commutent, ker u et Im u sont stables par v. Exigible avec démonstration.
- Linéarité de la trace, tr(Aᵀ) = tr(A), et tr(AB) = tr(BA) pour A de taille n × p et B de taille p × n. Exigibles avec démonstration.
- Invariance de la trace par similitude, définition de la trace d'un endomorphisme. Exigible avec démonstration.
- (PQ)(u) = P(u) ∘ Q(u), deux polynômes en u commutent, le noyau de P(u) est stable par u. Exigibles avec démonstration.
- Si P annule u avec P(0) ≠ 0, alors u est inversible et son inverse est un polynôme en u. Exigible avec démonstration.
- Calcul de un par division euclidienne de Xn par un polynôme annulateur. Exigible.
- Les polynômes interpolateurs de Lagrange en n + 1 points distincts forment une base de Kn[X], tout P s'écrit Σ P(xi) Li, et Σ Li = 1. Exigibles avec démonstration.
- Déterminant de Vandermonde, égal au produit des (xj − xi) pour i < j, non nul si et seulement si les points sont distincts. Exigible avec démonstration par récurrence, lien avec l'unicité de l'interpolation.
- Hors programme en PC, à signaler, le polynôme minimal, le lemme des noyaux, la dimension du commutant en général, et le déterminant d'une matrice par blocs quelconque via un complément de Schur.
Clés de démonstration
Dimension d'une somme. On concatène une base de chaque Fi, la famille obtenue engendre la somme, donc la dimension est majorée par son cardinal. Elle est libre si et seulement si toute combinaison nulle a ses paquets nuls, ce qui est exactement la somme directe. Astuce, ne pas séparer liberté et somme directe, c'est le même énoncé lu deux fois.
Contre-exemple à trois sous-espaces. Trois droites distinctes du plan sont deux à deux d'intersection nulle. Leur somme est le plan, de dimension 2, alors que la somme des dimensions vaut 3. L'inégalité stricte prouve que la somme n'est pas directe, sans même exhiber une décomposition non triviale de 0.
Stabilité et blocs. Si F est stable et si (e₁, …, er) est une base de F complétée en base de E, l'image de chaque ei avec i ≤ r se décompose sur e₁, …, er seulement, donc les r premières colonnes ont des zéros sous la ligne r. Réciproquement, une colonne à zéros en bas dit que u(ei) ∈ F. Astuce, lire une matrice colonne par colonne, une colonne est l'image d'un vecteur de base.
tr(AB) = tr(BA). Le coefficient diagonal (i, i) de AB vaut Σj aij bji, on somme sur i, on obtient une double somme symétrique en échangeant les noms des indices. Astuce, les deux matrices ne sont pas carrées, seuls les produits AB et BA le sont, le résultat vaut quand même.
Inverse par polynôme annulateur. Si a₀ + a₁u + … + ad ud = 0 avec a₀ ≠ 0, on isole a₀ id = −u ∘ (a₁ id + … + ad ud−1), et on divise par −a₀. Astuce, l'inverse obtenu commute avec u, ce qui est parfois la vraie question.
Puissances par division euclidienne. Xn = QP + R avec deg R < deg P, on évalue en u, P(u) = 0 donc un = R(u). Pour trouver R, on évalue en les racines de P, et si une racine est multiple on dérive. Astuce, ne jamais calculer Q.
Base de Lagrange. La famille a n + 1 éléments dans un espace de dimension n + 1, il suffit de prouver la liberté, on évalue une combinaison nulle en chaque xi. Pour Σ Li = 1, le polynôme Σ Li − 1 est de degré au plus n et s'annule en n + 1 points. Astuce, un polynôme de degré au plus n avec n + 1 racines est nul, c'est l'argument de tout le paragraphe.
Vandermonde. On voit le déterminant comme un polynôme en xn, de degré au plus n, dont le coefficient de xnn est le Vandermonde d'ordre n − 1 par développement selon la dernière ligne. Il s'annule en x₀, …, xn−1 car deux lignes deviennent égales. Astuce, la récurrence porte sur le coefficient dominant, pas sur le déterminant entier.
Exemples et contre-exemples à connaître
- Trois droites distinctes du plan, deux à deux d'intersection nulle, somme non directe. C'est le contre-exemple numéro un du chapitre.
- Une matrice par blocs de quatre blocs non nuls n'a pas pour déterminant det(A)det(D) − det(B)det(C). Avec les quatre blocs de taille 1 c'est vrai, avec des blocs de taille 2 c'est faux en général.
- La matrice de lignes (1, 1) et (0, 1) laisse stable la droite du premier vecteur de base, mais aucune autre droite. Une matrice triangulaire n'a pas forcément de décomposition diagonale par blocs.
- tr(ABC) ≠ tr(ACB) en général, seules les permutations circulaires sont permises. Avec A = E₁₂, B = E₂₁, C = E₁₁ dans M₂(K), tr(ABC) = 1 et tr(ACB) = 0.
- Une matrice de trace nulle n'est pas nulle, la matrice E₁₂ en est un exemple. La trace ne détermine ni le rang ni l'inversibilité.
- Un projecteur a pour trace son rang, une symétrie a pour trace dim F − dim G où F et G sont les sous-espaces des vecteurs invariants et anti-invariants.
- Le polynôme X² annule la matrice E₁₂, pourtant E₁₂ ≠ 0. Un polynôme annulateur peut avoir des racines multiples sans que u soit « simple ».
- Le polynôme X² − 1 annule l'identité, X − 1 aussi. Un polynôme annulateur n'est pas unique, tout multiple en est un.
- Les polynômes de Lagrange en 0 et 1 sont L₀ = 1 − X et L₁ = X. Tout polynôme de degré au plus 1 s'écrit P(0)(1 − X) + P(1)X, c'est l'interpolation affine.
- Le déterminant de Vandermonde de 1, 2, 3 vaut (2 − 1)(3 − 1)(3 − 2) = 2. Une vérification numérique à savoir faire en dix secondes.
Techniques du chapitre
Prouver qu'une somme est directe par le vecteur nul. Mini-exercice, dans K2[X], F₁ = Vect(1), F₂ = Vect(X), F₃ = Vect(X²). Si a + bX + cX² = 0 avec a ∈ F₁, bX ∈ F₂, cX² ∈ F₃, l'identification des coefficients donne a = b = c = 0. Somme directe, et par dimension elle vaut K2[X].
Conclure par argument de dimension. Mini-exercice, dans Mn(R), symétriques et antisymétriques. Leur intersection est nulle car une matrice égale à sa transposée et à son opposée est nulle. Les dimensions valent n(n + 1)/2 et n(n − 1)/2, de somme n². Donc Mn(R) est la somme directe des deux.
Prouver une stabilité par commutation. Mini-exercice, si u² = u et v commute avec u, alors Im u est stable par v. Pour y = u(x), v(y) = v(u(x)) = u(v(x)) ∈ Im u. On n'a même pas utilisé u² = u, la commutation suffit.
Lire une stabilité sur une matrice. Mini-exercice, A de lignes (2, 1, 0), (0, 3, 0), (1, 1, 5). Les deux premières colonnes ont un coefficient non nul en troisième ligne, donc Vect(e₁, e₂) n'est pas stable. En revanche la troisième colonne est (0, 0, 5), donc Vect(e₃) est stable.
Calculer une trace sans calculer le produit. Mini-exercice, pour X colonne non nulle de Rn, la matrice XXᵀ est de rang 1 et tr(XXᵀ) = tr(XᵀX) = Σ x_i², qui est le carré de la norme de X.
Inverser par polynôme annulateur. Mini-exercice, A vérifie A² − 5A + 6I = 0. Alors A(A − 5I) = −6I, donc A est inversible et A⁻¹ = (5I − A)/6. Vérification, A × (5I − A)/6 = (5A − A²)/6 = 6I/6.
Puissances par division euclidienne. Mini-exercice, même A. Xn = Q(X − 2)(X − 3) + aX + b, évaluation en 2 et 3, 2a + b = 2n et 3a + b = 3n, donc a = 3n − 2n et b = 3 × 2n − 2 × 3n. Ainsi An = (3n − 2n)A + (3 × 2n − 2 × 3n)I.
Interpoler. Mini-exercice, le polynôme de degré au plus 2 valant 1 en 0, 3 en 1 et 7 en 2. Avec Lagrange, L₀ = (X − 1)(X − 2)/2, L₁ = −X(X − 2), L₂ = X(X − 1)/2, et P = L₀ + 3L₁ + 7L₂ = X² + X + 1 après développement. Contrôle en 1, 1 + 1 + 1 = 3.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Somme directe et supplémentaire
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit u un endomorphisme de E de dimension finie vérifiant u³ = u. Montrer que E = ker u ⊕ ker(u − id) ⊕ ker(u + id).
Technique décomposition explicite d'un vecteur, puis vecteur nul.
Voir le corrigé
- Analyse, on cherche x = x₀ + x₁ + x₂ avec u(x₀) = 0, u(x₁) = x₁, u(x₂) = −x₂. En appliquant u et u², u(x) = x₁ − x₂ et u²(x) = x₁ + x₂. 2. Donc x₁ = (u(x) + u²(x))/2, x₂ = (u²(x) − u(x))/2, x₀ = x − u²(x). 3. Synthèse, u(x − u²(x)) = u(x) − u³(x) = 0, et (u − id)(u(x) + u²(x)) = u²(x) + u³(x) − u(x) − u²(x) = 0 grâce à u³ = u, de même pour x₂. 4. Unicité, si x₀ + x₁ + x₂ = 0 avec les mêmes conditions, en appliquant u et u² on obtient x₁ − x₂ = 0 et x₁ + x₂ = 0, donc x₁ = x₂ = 0 puis x₀ = 0.
piège : Vérifier seulement que les trois noyaux sont deux à deux d'intersection nulle, ce qui ne suffit pas pour trois sous-espaces.
Exercice 2. Sous-espace stable et endomorphisme induit
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit u un endomorphisme de E et F un sous-espace stable par u. Montrer que si u est injectif et E de dimension finie, l'endomorphisme induit uF est bijectif de F sur F. Que se passe-t-il en dimension infinie ?
Technique injectivité héritée puis dimension.
Voir le corrigé
- uF est injectif car ker uF ⊂ ker u = {0}. 2. F est de dimension finie et uF est un endomorphisme injectif de F, donc bijectif. 3. En dimension infinie, contre-exemple, E = K[X], u la multiplication par X, F = E lui-même. u est injectif mais pas surjectif, le polynôme 1 n'est pas atteint.
piège : Dire que uF est surjectif « parce que u l'est », alors que u(F) ⊂ F n'a rien à voir avec u(E) = E.
Exercice 3. Commutation et noyau
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soient u et v deux endomorphismes de E qui commutent. Montrer que ker u et Im u sont stables par v. En déduire que si u est un projecteur, v commute avec u si et seulement si Im u et ker u sont stables par v.
Technique lemme de commutation dans un sens, décomposition sur la somme directe dans l'autre.
Voir le corrigé
- Sens direct, si u(x) = 0 alors u(v(x)) = v(u(x)) = 0. Si y = u(x), alors v(y) = u(v(x)) ∈ Im u. 2. Réciproque pour un projecteur, E = Im u ⊕ ker u. Pour x = x₁ + x₂ avec x₁ ∈ Im u et x₂ ∈ ker u, u(x) = x₁. 3. v(x) = v(x₁) + v(x₂) avec v(x₁) ∈ Im u et v(x₂) ∈ ker u par stabilité, donc u(v(x)) = v(x₁). 4. Et v(u(x)) = v(x₁). Les deux coïncident pour tout x.
piège : Oublier que u(x₁) = x₁ pour x₁ ∈ Im u n'est vrai que pour un projecteur.
Exercice 4. Trace d'un projecteur
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit p un projecteur d'un espace de dimension finie. Montrer tr(p) = rg(p). En déduire que si p et q sont deux projecteurs avec p + q projecteur, alors rg(p + q) = rg(p) + rg(q).
Technique base adaptée à E = Im p ⊕ ker p, puis linéarité de la trace.
Voir le corrigé
- Dans une base adaptée, p a pour matrice diag(1, …, 1, 0, …, 0) avec r = rg(p) coefficients 1, donc tr(p) = r. 2. Si p + q est un projecteur, rg(p + q) = tr(p + q) = tr(p) + tr(q) = rg(p) + rg(q).
piège : Croire que le rang est additif en général, il ne l'est que par ce détour via la trace.
Exercice 5. Une forme linéaire sur Mn(K)
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit f une forme linéaire sur Mn(K) telle que f(AB) = f(BA) pour toutes matrices A, B. Montrer qu'il existe λ ∈ K tel que f = λ tr.
Technique calcul sur les matrices élémentaires Eij.
Voir le corrigé
- Pour i ≠ j, Eij = EiiEij et EijEii = 0, donc f(Eij) = f(EiiEij) = f(EijEii) = f(0) = 0. 2. Pour tout i, Eii = Ei1E1i et E1iEi1 = E₁₁, donc f(Eii) = f(E₁₁). On note λ cette valeur commune. 3. Par linéarité, f(A) = Σ aij f(Eij) = λ Σ aii = λ tr(A).
piège : Ne pas justifier les produits EijEkl = δjk Eil, qui sont tout l'exercice.
Exercice 6. Polynôme annulateur et inverse
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit A de lignes (0, 1, 1), (1, 0, 1), (1, 1, 0). Calculer A², en déduire un polynôme annulateur de degré 2, puis A⁻¹ et An.
Technique relation A² = aA + bI, division euclidienne.
Voir le corrigé
- A² a pour coefficients diagonaux 2 et non diagonaux 1, donc A² = A + 2I. Le polynôme X² − X − 2 = (X − 2)(X + 1) annule A. 2. A(A − I) = 2I, donc A⁻¹ = (A − I)/2. 3. Xn = Q(X − 2)(X + 1) + aX + b, évaluation, 2a + b = 2n et −a + b = (−1)n, donc a = (2n − (−1)n)/3, b = (2n + 2(−1)n)/3. 4. An = aA + bI avec ces valeurs. Contrôle n = 1, a = 1, b = 0.
piège : Se tromper de signe dans (−1)n, le contrôle n = 1 ou n = 2 l'attrape toujours.
Exercice 7. Noyau et image d'un polynôme en u
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP
Soit u un endomorphisme et P, Q deux polynômes. Montrer que ker P(u) et Im P(u) sont stables par u et par Q(u). Montrer que si P divise Q, alors ker P(u) ⊂ ker Q(u).
Technique commutation des polynômes en u.
Voir le corrigé
- P(u) commute avec u et avec Q(u), car ce sont tous des polynômes en u et K[X] est commutatif. 2. Le lemme de commutation donne la stabilité de ker P(u) et Im P(u) par u et par Q(u). 3. Si Q = PR, alors Q(u) = R(u) ∘ P(u), donc si P(u)(x) = 0 alors Q(u)(x) = R(u)(0) = 0.
piège : Écrire Q(u) = P(u) ∘ R(u) sans remarquer que l'ordre est indifférent ici, puis se croire bloqué.
Exercice 8. Commutant d'une matrice
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP
Soit A la matrice de lignes (1, 1) et (0, 1). Déterminer l'ensemble des matrices M de M₂(K) qui commutent avec A. Montrer que c'est Vect(I, A).
Technique résolution du système MA = AM.
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- Pour M de lignes (a, b) et (c, d), AM a pour lignes (a + c, b + d) et (c, d), MA a pour lignes (a, a + b) et (c, c + d). 2. L'égalité impose c = 0 et a = d, b libre. 3. Donc M = aI + b(A − I) = (a − b)I + bA, ce qui décrit Vect(I, A), de dimension 2.
piège : Conclure « le commutant est Vect(I, A) » pour toute matrice, alors que pour A = I le commutant est tout M₂(K).
Exercice 9. Vandermonde d'ordre 3 et interpolation
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP
Calculer le déterminant de la matrice de lignes (1, a, a²), (1, b, b²), (1, c, c²). En déduire que trois points d'abscisses distinctes déterminent une unique parabole y = αx² + βx + γ.
Technique opérations sur les colonnes pour factoriser.
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- C₃ ← C₃ − aC₂ puis C₂ ← C₂ − aC₁ donnent la première ligne (1, 0, 0), la deuxième (1, b − a, b(b − a)), la troisième (1, c − a, c(c − a)). 2. Développement selon la première ligne, déterminant (b − a)(c − a) fois le déterminant de lignes (1, b) et (1, c), soit (b − a)(c − a)(c − b). 3. Le système en (γ, β, α) donné par les trois conditions a pour matrice la matrice de Vandermonde, inversible car les abscisses sont distinctes, d'où l'unicité et l'existence de la parabole.
piège : Écrire le produit avec les mauvais signes, la convention est (xj − xi) pour i < j.
Exercice 12. Déterminant par blocs
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soient A ∈ Mp(K), B ∈ Mp,q(K), D ∈ Mq(K), et M la matrice par blocs de lignes (A, B) et (0, D). Montrer que M est inversible si et seulement si A et D le sont, et donner alors M⁻¹ par blocs.
Technique déterminant triangulaire par blocs, puis résolution par blocs.
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- det(M) = det(A)det(D), donc M inversible si et seulement si A et D inversibles. 2. On cherche M⁻¹ de blocs (X, Y) et (Z, T). Le produit M M⁻¹ = I donne AX + BZ = I, AY + BT = 0, DZ = 0, DT = I. 3. D inversible impose Z = 0 et T = D⁻¹, puis X = A⁻¹ et Y = −A⁻¹BD⁻¹. 4. M⁻¹ a pour blocs (A⁻¹, −A⁻¹BD⁻¹) et (0, D⁻¹). Contrôle, le produit dans l'autre ordre donne aussi I.
piège : Écrire −BA⁻¹D⁻¹ ou −D⁻¹BA⁻¹, l'ordre des blocs n'est pas libre.
Exercice 10. Trace et nilpotence
Approfondissement · Niveau écrit Centrale
Soit A ∈ Mn(K) telle que tr(Ak) = 0 pour tout k de 1 à n. On admet le résultat, hors programme, que A est alors nilpotente. Montrer directement le cas particulier suivant, si A² = 0 dans M₂(K), alors tr(A) = 0 et det(A) = 0.
Technique polynôme annulateur et Cayley-Hamilton en taille 2, ce dernier étant au programme du chapitre suivant, on le contourne ici.
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- A n'est pas inversible, sinon A = A⁻¹A² = 0, et la matrice nulle n'est pas inversible, contradiction. Donc det(A) = 0. 2. Pour M de lignes (a, b), (c, d), un calcul direct donne M² = (a + d)M − (ad − bc)I. Avec det = 0, M² = tr(M) M. 3. Si A² = 0 et A ≠ 0, alors tr(A) A = 0 donne tr(A) = 0. Si A = 0, la trace est nulle.
piège : Invoquer « les valeurs propres sont nulles » alors que le chapitre ne dispose pas encore de la réduction, ou utiliser le résultat général admis sans l'avoir signalé.
Exercice 11. Somme de deux polynômes de Lagrange
Approfondissement · Niveau écrit Centrale
Soient x₀, …, xn distincts et Li les polynômes de Lagrange associés. Calculer Σ xi Li, puis Σ xik Li pour 0 ≤ k ≤ n. Que vaut Σ xin+1 Li ?
Technique écriture d'un polynôme de Kn[X] dans la base de Lagrange.
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- Pour P ∈ Kn[X], P = Σ P(xi) Li. Avec P = X, Σ xi Li = X. Avec P = Xk pour k ≤ n, Σ xik Li = Xk. 2. Pour k = n + 1, Xn+1 n'est pas dans Kn[X]. On effectue la division euclidienne de Xn+1 par Π(X − xi), Xn+1 = Π(X − xi) + R avec deg R ≤ n, donc R(xi) = xin+1 et Σ xin+1 Li = R = Xn+1 − Π(X − xi).
piège : Écrire Σ xin+1 Li = Xn+1, ce qui est impossible pour une raison de degré.
Erreurs fréquentes
- Prouver une somme directe de trois sous-espaces par les intersections deux à deux.
- Oublier de vérifier la compatibilité des tailles ou l'ordre des facteurs dans un produit par blocs.
- Permuter deux facteurs non adjacents dans une trace, tr(ABC) = tr(ACB) est faux en général.
- Traiter un polynôme annulateur comme s'il était unique ou minimal, alors que seule l'existence est au programme et que tout multiple convient.
- Calculer le quotient Q dans la division euclidienne de Xn par un polynôme annulateur, alors que seul le reste sert, obtenu par évaluation aux racines.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PC (2021), partie « Algèbre linéaire », section A « Compléments sur les espaces vectoriels, les endomorphismes et les matrices ». Dans tout le cours, désigne ou , et tous les espaces vectoriels sont des -espaces vectoriels.