Mathématiques · 2e année · Chapitre 1

Réduction des endomorphismes et des matrices carrées

Trouver la base dans laquelle une matrice devient diagonale, et s'en servir pour calculer ses puissances.

6 parties12 définitions24 propositions
×3 ×(−1)

Le cœur de l'algèbre de 2e année : il resservira toute l'année.

Au sommaire
Légende : Définition Proposition Théorème clé, par cœur Attention
I
Partie I

Somme de sous-espaces vectoriels, somme directe

1Somme de sous-espaces vectoriels

Définition 1 · Somme de sous-espaces vectoriels

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(p \in \mathbb{N}^*\), \(F_1, \dots, F_p\) des sous-espaces vectoriels de \(E\). On appelle somme des sous-espaces vectoriels \(F_1, \dots, F_p\), et on note \(F_1 + \cdots + F_p\) ou \(\displaystyle\sum_{i=1}^{p} F_i\), l'ensemble

\[F_1 + \cdots + F_p = \{x_1 + \cdots + x_p \,;\, (x_1, \dots, x_p) \in F_1 \times \cdots \times F_p\}\]

ou encore \(F_1 + \cdots + F_p = \{x \in E \mid \exists (x_1, \dots, x_p) \in F_1 \times \cdots \times F_p,\ x = x_1 + \cdots + x_p\}\).

Par définition, un vecteur \(x\) de \(E\) appartient à la somme \(F_1 + \cdots + F_p\) s'il peut s'écrire comme somme d'un vecteur de \(F_1\), d'un vecteur de \(F_2\), …, d'un vecteur de \(F_p\).

Exemple Si \(u, v, w\) sont trois vecteurs d'un espace vectoriel \(E\), alors \(\Vect(u) + \Vect(v) + \Vect(w) = \Vect(u, v) + \Vect(w) = \Vect(u, v, w)\).

Proposition 1 · Propriétés de la somme de sous-espaces vectoriels

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(p \in \mathbb{N}^*\), \(F_1, \dots, F_p\) des sous-espaces vectoriels de \(E\).

  1. \(F_1 + \cdots + F_p\) est un sous-espace vectoriel de \(E\) contenant chacun des sous-espaces vectoriels \(F_1, \dots, F_p\).
  2. \(F_1 + \cdots + F_p\) est le plus petit sous-espace vectoriel de \(E\) contenant chacun des sous-espaces \(F_1, \dots, F_p\).

2Somme directe de sous-espaces vectoriels

Définition 2 · Somme directe de sous-espaces vectoriels

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(p \in \mathbb{N}^*\), \(F_1, \dots, F_p\) des sous-espaces vectoriels de \(E\). On dit que la somme \(F_1 + \cdots + F_p\) est directe si tout vecteur du sous-espace vectoriel \(F_1 + \cdots + F_p\) peut s'écrire de façon unique comme somme d'un vecteur de \(F_1\), …, d'un vecteur de \(F_p\), autrement dit si :

\[\forall x \in F_1 + \cdots + F_p,\quad \exists!\,(x_1, \dots, x_p) \in F_1 \times \cdots \times F_p,\quad x = x_1 + \cdots + x_p.\]

Quand la somme \(F_1 + \cdots + F_p\) est directe, on la note \(F_1 \oplus \cdots \oplus F_p\), ou encore \(\displaystyle\bigoplus_{i=1}^{p} F_i\).

Exemple On a \(\mathbb{R}_3[X] = \Vect(X^3) \oplus \Vect(X^2) \oplus \Vect(X) \oplus \Vect(1)\).

Attention !

Pour \(p \geqslant 3\), la notion de somme directe est plus délicate que celle rencontrée l'an dernier dans le cas \(p = 2\). En effet, il ne suffit pas d'avoir, pour tout couple \((i, j) \in \llbracket 1, p \rrbracket^2\) d'entiers distincts, \(F_i \cap F_j = \{0_E\}\) pour que les sous-espaces \(F_1, \dots, F_p\) soient en somme directe.

Il suffit de dessiner trois droites vectorielles \(F_1\), \(F_2\), \(F_3\) du plan, deux à deux distinctes : leurs intersections deux à deux sont réduites à \(\{0_E\}\), et pourtant la somme \(F_1 + F_2 + F_3\) n'est pas directe. Sur la figure, le vecteur \(u_1 + u_2\) de \(F_3\) s'écrit de deux façons différentes : \((u_1 + u_2) = 0 + 0 + (u_1 + u_2) = u_1 + u_2 + 0\), avec \(u_1 \in F_1\) et \(u_2 \in F_2\). D'ailleurs, trois droites ne peuvent pas être en somme directe dans un plan, qui est de dimension 2.

F₁F₂F₃u₁u₂u₁ + u₂
Trois droites du plan deux à deux distinctes : \(F_i \cap F_j = \{0\}\) pour \(i \neq j\), mais la somme \(F_1 + F_2 + F_3\) n'est pas directe.
Proposition 2 · Somme directe et concaténation de familles libres

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(p \in \mathbb{N}^*\), \(F_1, \dots, F_p\) des sous-espaces vectoriels de \(E\). Pour tout \(i \in \llbracket 1, p \rrbracket\), on suppose que \(\mathscr{L}_i\) est une famille de vecteurs de \(F_i\). Soit \(\mathscr{L}\) la famille obtenue en concaténant les familles \(\mathscr{L}_1, \dots, \mathscr{L}_p\). Alors :

\[\left.\begin{array}{l} \mathscr{L}_1, \dots, \mathscr{L}_p \text{ libres} \\ F_1, \dots, F_p \text{ en somme directe} \end{array}\right\} \implies \mathscr{L} \text{ libre}.\]
Proposition 3 · Caractérisation d'une somme directe par concaténation de basespar cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(p \in \mathbb{N}^*\), \(F_1, \dots, F_p\) des sous-espaces vectoriels de \(E\). Pour tout \(i \in \llbracket 1, p \rrbracket\), on suppose \(F_i\) de dimension finie et on note \(\BB_i\) une base de \(F_i\) (si \(F_i = \{0_E\}\), on pose \(\BB_i = \varnothing\)). Soit \(\mathscr{F}\) la famille obtenue en concaténant \(\BB_1, \dots, \BB_p\). Alors :

\[\mathscr{F} \text{ base de } E \iff E = \bigoplus_{i=1}^{p} F_i.\]

Exemple La famille \((1 + X,\ X^2 - 1,\ 1 + X + X^2,\ X^3 - 1,\ X^3 + X^4)\) est libre (vérification facile), de cardinal 5 dans l'espace \(\mathbb{R}_4[X]\) de dimension 5, donc en constitue une base ; d'après la proposition précédente, on en déduit par exemple :

\[\mathbb{R}_4[X] = \Vect(1 + X, X^2 - 1) \oplus \Vect(1 + X + X^2) \oplus \Vect(X^4 + X^3, X^3 - 1).\]
Proposition 4 · Dimension d'une somme directe

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(p \in \mathbb{N}^*\), \(F_1, \dots, F_p\) des sous-espaces vectoriels de \(E\) en somme directe. Si chacun des sous-espaces \(F_1, \dots, F_p\) est de dimension finie, alors la somme \(F_1 \oplus F_2 \oplus \cdots \oplus F_p\) est de dimension finie égale à :

\[\dim(F_1 \oplus F_2 \oplus \cdots \oplus F_p) = \dim F_1 + \dim F_2 + \cdots + \dim F_p.\]
II
Partie II

Changement de base pour un endomorphisme, matrices semblables

1Matrice de passage

Définition 3 · Matrice de passage

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie \(n \geqslant 1\), \(\BB = (e_1, \dots, e_n)\) et \(\BB' = (e'_1, \dots, e'_n)\) deux bases de \(E\). On appelle matrice de passage de la base \(\BB\) à la base \(\BB'\) la matrice carrée d'ordre \(n\) dont les vecteurs colonnes sont les vecteurs de la base \(\BB'\) exprimés dans la base \(\BB\) :

\[P_{\BB,\BB'} = \Mat_{\BB}(\BB') = \begin{array}{c} \begin{array}{ccc} e'_1 & \cdots & e'_n \end{array} \\[-0.1em] \left(\begin{array}{ccc} \phantom{e'_1} & \phantom{\cdots} & \phantom{e'_n} \\ & & \\ & & \end{array}\right) \end{array} \begin{array}{l} \\ e_1 \\ \vdots \\ e_n \end{array}\]
Proposition 5 · Lien entre matrices de passage et matrices inversibles

Soit \(E\) un espace vectoriel de dimension finie non nulle.

  1. Soient \(\BB\) et \(\BB'\) deux bases de \(E\). Alors \(P_{\BB,\BB'}\) est la matrice de l'identité \(\Id_E\) de \(\BB'\) dans \(\BB\), i.e. \(P_{\BB,\BB'} = \Mat_{\BB,\BB'}(\Id_E)\) (la \(j\)-ème colonne contient les coordonnées de \(\Id_E(e'_j) = e'_j\) dans la base \(\BB\)). En particulier, \(P_{\BB,\BB'}\) est inversible, d'inverse \((P_{\BB,\BB'})^{-1} = P_{\BB',\BB}\).
  2. Soient \(\BB\) une base de \(E\) et \(P\) une matrice de \(\MM_n(\mathbb{R})\) inversible. Alors : (i) il existe une base \(\BB'\) de \(E\) telle que \(P = P_{\BB,\BB'}\) ; (ii) il existe une base \(\BB''\) de \(E\) telle que \(P = P_{\BB'',\BB}\). En particulier, toute matrice inversible peut être vue comme une matrice de passage.

2Formules de changement de base

Proposition 6 · Formule de changement de base pour un vecteur

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie \(n \geqslant 1\), \(\BB\) et \(\BB'\) deux bases de \(E\), \(x \in E\), \(X = \Mat_{\BB}(x)\) et \(X' = \Mat_{\BB'}(x)\). Alors :

\[X = P_{\BB,\BB'}\,X'.\]
Proposition 7 · Formule de changement de base pour un endomorphismepar cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie non nulle, \(\BB\) et \(\BB'\) deux bases de \(E\), \(f \in \LL(E)\), \(A = \Mat_{\BB}(f)\) et \(A' = \Mat_{\BB'}(f)\). Posons \(P = P_{\BB,\BB'}\). Alors :

\[A' = P^{-1} A P.\]

3Matrices semblables

Définition 4 · Matrices semblables

Soient \(A\) et \(B\) deux matrices carrées de \(\MM_n(\mathbb{R})\). On dit que les matrices \(A\) et \(B\) sont semblables s'il existe une matrice \(P\) de \(\MM_n(\mathbb{R})\) inversible telle que \(B = P^{-1} A P\).

Remarques
  1. S'il existe une matrice \(P \in \GL_n(\mathbb{R})\) vérifiant \(B = P^{-1} A P\), alors il existe une matrice \(Q \in \GL_n(\mathbb{R})\) vérifiant \(A = Q^{-1} B Q\) (il suffit de poser \(Q = P^{-1}\)). Par conséquent, les matrices \(A\) et \(B\) jouent des rôles symétriques dans la définition ci-dessus. Ceci légitime la formulation « \(A\) et \(B\) sont semblables », qui accorde le même rôle aux matrices \(A\) et \(B\).
  2. La seule matrice de \(\MM_n(\mathbb{R})\) semblable à la matrice nulle est la matrice nulle.
  3. La seule matrice de \(\MM_n(\mathbb{R})\) semblable à la matrice identité \(I_n\) est la matrice identité \(I_n\).
Proposition 8 · Deux matrices sont semblables si et seulement si elles représentent un même endomorphismepar cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie non nulle, \(\BB\) une base de \(E\), \(f \in \LL(E)\), \(A = \Mat_{\BB}(f)\) et \(B \in \MM_n(\mathbb{R})\). Alors :

\[\big[\text{il existe une base } \BB' \text{ de } E \text{ vérifiant } B = \Mat_{\BB'}(f)\big] \iff A \text{ et } B \text{ sont semblables}.\]
III
Partie III

Trace d'une matrice carrée

1La trace est une forme linéaire

Définition 5 · Trace d'une matrice carrée

On appelle trace d'une matrice carrée \(A = (a_{i,j})_{1 \leqslant i,j \leqslant n}\), et on note \(\tr(A)\), la somme de ses éléments diagonaux :

\[\tr(A) = \sum_{i=1}^{n} a_{i,i}.\]

On définit ainsi une application, appelée trace et notée \(\tr\), de \(\MM_n(\mathbb{R})\) dans \(\mathbb{R}\) : \(\tr : A \in \MM_n(\mathbb{R}) \longmapsto \tr(A) \in \mathbb{R}\).

La proposition suivante est claire :

Proposition 9 · Linéarité de la trace

La trace est une application linéaire de \(\MM_n(\mathbb{R})\) dans \(\mathbb{R}\), i.e. c'est une forme linéaire sur \(\MM_n(\mathbb{R})\).

2Deux matrices semblables ont même trace

Proposition 10 · Deux matrices semblables ont même tracepar cœur

Pour tout couple \((A, B)\) de matrices de \(\MM_n(\mathbb{R})\), on a :

\[\tr(AB) = \tr(BA).\]

Conséquence importante : deux matrices semblables ont même trace, c'est-à-dire

\[\forall (A, P) \in \MM_n(\mathbb{R}) \times \GL_n(\mathbb{R}), \qquad \tr(P^{-1} A P) = \tr(A).\]

Exemple Les matrices \(\begin{pmatrix} 6 & 7 \\ -5 & -3 \end{pmatrix}\) et \(\begin{pmatrix} 1 & -1 \\ -5 & 3 \end{pmatrix}\) n'ont pas même trace (3 et 4), donc ne sont pas semblables.

IV
Partie IV

Éléments propres d'un endomorphisme, d'une matrice carrée

1Éléments propres d'un endomorphisme, d'une matrice

Définition 6 · Valeur propre, vecteur propre

Soient \(E\) un espace vectoriel (pas nécessairement de dimension finie) et \(f\) un endomorphisme de \(E\).

  1. On appelle valeur propre de \(f\) tout réel \(\lambda\) tel qu'il existe un vecteur \(x\) non nul de \(E\) tel que \(f(x) = \lambda x\).
  2. On appelle vecteur propre de \(f\) tout vecteur \(x\) non nul de \(E\) tel qu'il existe un réel \(\lambda\) tel que \(f(x) = \lambda x\).
Définition 7 · Spectre, sous-espace propre, éléments propres
  1. On appelle spectre de \(f\), et on note \(\Sp(f)\), l'ensemble de toutes les valeurs propres de \(f\).
  2. Si \(\lambda\) est une valeur propre de \(f\), on appelle sous-espace propre de \(f\) associé à la valeur propre \(\lambda\) le sous-espace vectoriel \(\Ker(f - \lambda\Id_E) = \{x \in E \,;\, f(x) = \lambda x\}\) de \(E\), constitué du vecteur nul et des vecteurs propres de \(f\) associés à \(\lambda\). On le note aussi \(E_\lambda(f)\).
  3. Si \(\lambda\) est un réel et \(x\) un vecteur non nul de \(E\) tels que \(f(x) = \lambda x\), alors \(\lambda\) est une valeur propre de \(f\) et \(x\) un vecteur propre de \(f\), qui sont dits associés l'un à l'autre.
  4. Déterminer les éléments propres d'un endomorphisme, c'est déterminer ses valeurs propres et ses vecteurs propres.
Remarques
  1. Si \(x\) est un vecteur propre associé à une valeur propre \(\lambda\) de \(f\), alors le vecteur \(x\) ne peut pas être associé à une autre valeur propre de \(f\) (vérification immédiate).
  2. Si \(x\) est un vecteur propre associé à la valeur propre \(\lambda\) et si \(\alpha\) est un réel non nul, alors \(\alpha x\) est encore un vecteur propre associé à \(\lambda\).
Définition 8 · Valeur propre, vecteur propre d'une matrice

Soit \(A\) une matrice de \(\MM_n(\mathbb{R})\) (c'est donc une matrice carrée).

  1. On dit qu'un réel \(\lambda\) est une valeur propre de \(A\) s'il existe une matrice colonne non nulle \(X\) de \(\MM_{n,1}(\mathbb{R})\) telle que \(AX = \lambda X\). On appelle spectre de \(A\) l'ensemble des valeurs propres de \(A\), et on le note \(\Sp(A)\).
  2. On dit qu'une matrice \(X\) non nulle de \(\MM_{n,1}(\mathbb{R})\) est un vecteur propre de \(A\) s'il existe un réel \(\lambda\) tel que \(AX = \lambda X\).
  3. Si \(\lambda\) est une valeur propre de \(A\), on appelle sous-espace propre de \(A\) associé à \(\lambda\) le sous-espace vectoriel \(\Ker(A - \lambda I_n)\) de \(\MM_{n,1}(\mathbb{R})\).
Proposition 11 · Lien entre les éléments propres d'une matrice et d'un endomorphisme qu'elle représente

Soit \(E\) un espace vectoriel de dimension finie \(n \geqslant 1\) muni d'une base \(\BB\), \(f \in \LL(E)\), \(A = \Mat_{\BB}(f)\), \(x \in E\) et \(X = \Mat_{\BB}(x)\). Alors :

  1. \(\Sp(f) = \Sp(A)\) ;
  2. \(\forall \lambda \in \Sp(f) = \Sp(A),\quad x \in E_\lambda(f) \iff X \in E_\lambda(A)\) ;
  3. si \(B\) est une matrice semblable à \(A\), alors \(\Sp(A) = \Sp(B)\) et, pour tout \(\lambda \in \Sp(A) = \Sp(B)\), on a \(\dim E_\lambda(A) = \dim E_\lambda(B)\).

2Caractériser les valeurs propres en dimension finie

La proposition suivante découle directement des propriétés étudiées en algèbre linéaire en première année :

Proposition 12 · Diverses caractérisations de « \(\lambda\) est valeur propre de \(f\) »par cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie \(n \in \mathbb{N}^*\), \(f\) un endomorphisme de \(E\) et \(\lambda\) un réel. Les assertions suivantes sont équivalentes :

  1. \(\lambda \in \Sp(f)\) ;
  2. \(\Ker(f - \lambda\Id_E) \neq \{0_E\}\) ;
  3. \(\dim \Ker(f - \lambda\Id_E) \geqslant 1\) ;
  4. l'endomorphisme \(f - \lambda\Id_E\) n'est pas injectif ;
  5. l'endomorphisme \(f - \lambda\Id_E\) n'est pas bijectif ;
  6. l'endomorphisme \(f - \lambda\Id_E\) n'est pas surjectif ;
  7. \(\rg(f - \lambda\Id_E) \lt n\).

On peut traduire cette dernière proposition en termes matriciels :

Proposition 13 · Diverses caractérisations de « \(\lambda\) est valeur propre de \(A\) »par cœur

Soient \(n \in \mathbb{N}^*\), \(A \in \MM_n(\mathbb{R})\) et \(\lambda \in \mathbb{R}\). Les assertions suivantes sont équivalentes :

  1. \(\lambda \in \Sp(A)\) ;
  2. \(\Ker(A - \lambda I_n) \neq \{0_{\MM_{n,1}(\mathbb{R})}\}\) ;
  3. \(\dim \Ker(A - \lambda I_n) \geqslant 1\) ;
  4. \(A - \lambda I_n \notin \GL_n(\mathbb{R})\) ;
  5. \(\rg(A - \lambda I_n) \lt n\).

Remarque. On observe en particulier les équivalences suivantes, dans le cas où \(f\) est un endomorphisme d'un espace vectoriel de dimension finie et \(A\) une matrice carrée :

\[0 \text{ valeur propre de } f \iff \Ker f \neq \{0_E\} \iff f \text{ non injectif} \iff f \text{ non bijectif}\]
\[0 \in \Sp(A) \iff \Ker(A) \neq \{0\} \iff \rg(A) \lt n.\]

3Le cas des matrices triangulaires

Proposition 14 · Spectre d'une matrice triangulaire

Les valeurs propres d'une matrice triangulaire sont exactement ses coefficients diagonaux. Conséquence : si une matrice carrée \(A\) est semblable à une matrice triangulaire \(T\), les coefficients diagonaux de \(T\) sont exactement les valeurs propres de \(A\).

Une matrice diagonale étant en particulier triangulaire, on en déduit aisément son spectre.

4Éléments propres et polynômes d'endomorphismes

Définition 9 (rappel) · Polynôme d'endomorphisme, polynôme de matrice

Soient \(f\) un endomorphisme d'un espace vectoriel \(E\), \(A \in \MM_n(\mathbb{R})\) une matrice carrée, \(Q = \displaystyle\sum_{k=0}^{p} a_k X^k\) un polynôme. On rappelle que l'on note \(f^0 = \Id_E\) et, pour tout \(k \in \mathbb{N}^*\), \(f^k = \underbrace{f \circ \cdots \circ f}_{k \text{ fois}}\).

Par définition, \(Q(f)\) désigne l'endomorphisme \(Q(f) = \displaystyle\sum_{k=0}^{p} a_k f^k\). De même, \(Q(A)\) est, par définition, la matrice de \(\MM_n(\mathbb{R})\) définie par \(Q(A) = \displaystyle\sum_{k=0}^{p} a_k A^k\).

Un polynôme d'endomorphisme est donc un endomorphisme (et non un polynôme) ; un polynôme de matrice est une matrice (et non un polynôme).

Observation Si \(f\) est un endomorphisme d'un espace vectoriel \(E\), \(x\) un vecteur de \(E\) et \(\lambda\) un réel, alors

\[f(x) = \lambda x \implies f \circ f(x) = f(\lambda x) = \lambda f(x) = \lambda^2 x,\]

donc \(\lambda \in \Sp(f) \implies \lambda^2 \in \Sp(f^2)\) et \(x \in E_\lambda(f) \implies x \in E_{\lambda^2}(f^2)\). Ainsi, si \(\lambda\) est valeur propre de \(f\), alors \(\lambda^2\) est valeur propre de \(f^2\), et si \(x\) est un vecteur propre de \(f\), alors c'est un vecteur propre de \(f^2\). Par une récurrence immédiate, on montre, pour tout entier naturel non nul \(k\) :

\[f(x) = \lambda x \implies f^k(x) = \lambda^k x,\]

donc :

\[\lambda \in \Sp(f) \implies \lambda^k \in \Sp(f^k) \qquad \text{et} \qquad x \in E_\lambda(f) \implies x \in E_{\lambda^k}(f^k).\]
Attention !

L'implication réciproque n'est pas toujours vérifiée ! Par exemple, si \(E\) est un espace vectoriel non réduit à \(\{0_E\}\) et \(f = -\Id_E\), alors \(f^2 = \Id_E\). Pour \(\lambda = 1\), on a \(\lambda^2 \in \Sp(f^2)\) mais \(\lambda \notin \Sp(f)\).

La proposition qui suit généralise l'observation qui vient d'être faite.

Proposition 15 · Obtention de certains éléments propres d'un polynôme d'endomorphisme

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(f\) un endomorphisme de \(E\) et \(Q\) un polynôme à coefficients réels. Soient \(x \in E\) et \(\lambda \in \mathbb{R}\). Alors :

\[f(x) = \lambda x \implies Q(f)(x) = Q(\lambda)\,x.\]

En particulier, si \(x\) est un vecteur propre de \(f\) associé à la valeur propre \(\lambda\), alors \(x\) est aussi un vecteur propre de l'endomorphisme \(Q(f)\) associé à la valeur propre \(Q(\lambda)\).

Définition 10 · Polynôme annulateur d'un endomorphisme ou d'une matrice

Soient \(f\) un endomorphisme d'un espace vectoriel \(E\), \(A \in \MM_n(\mathbb{R})\) une matrice carrée et \(Q\) un polynôme. On dit que \(Q\) est un polynôme annulateur de \(f\) si \(Q(f) = 0_{\LL(E)}\). On dit que \(Q\) est un polynôme annulateur de \(A\) si \(Q(A) = 0\) (la matrice nulle de \(\MM_n(\mathbb{R})\)).

Proposition 16 · Existence d'un polynôme annulateur non nul

Tout endomorphisme d'un espace vectoriel de dimension finie admet un polynôme annulateur non nul. Toute matrice de \(\MM_n(\mathbb{R})\) admet un polynôme annulateur non nul.

Proposition 17 · Éléments propres et polynôme annulateurpar cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel, \(f\) un endomorphisme de \(E\) et \(Q\) un polynôme annulateur de \(f\). Alors toute valeur propre de \(f\) est racine de \(Q\). Autrement dit :

\[\Sp(f) \subset \{\text{racines de } Q\}.\]

Soient \(A\) une matrice carrée et \(Q\) un polynôme annulateur de \(A\). Alors toute valeur propre de \(A\) est racine de \(Q\) : \(\Sp(A) \subset \{\text{racines de } Q\}\).

Remarques
  1. On a déjà utilisé ce résultat dans un cas particulier : un projecteur \(p \in \LL(E)\) vérifie \(p^2 - p = 0_{\LL(E)}\), donc le polynôme \(Q = X^2 - X = X(X - 1)\) est annulateur de \(p\), d'où l'inclusion \(\Sp(p) \subset \{0, 1\}\).
  2. Trouver un polynôme annulateur d'un endomorphisme est un moyen intéressant, dans la pratique, de s'épargner des calculs fastidieux de valeurs propres. Une fois trouvées les racines (si on parvient à les trouver !) du polynôme annulateur, il « suffit » de vérifier si chacune d'elles est ou non valeur propre de l'endomorphisme.
Attention !

La réciproque est fausse : si \(Q\) est un polynôme annulateur d'un endomorphisme \(f\) ou d'une matrice carrée \(A\), toute racine de \(Q\) n'est pas nécessairement une valeur propre de \(f\) ou de \(A\). Par exemple, si \(p\) est un projecteur, \(Q = X(X - 1)(X - 2)\) est un polynôme annulateur de \(p\) ; le réel 2 est racine de \(Q\) mais n'est pas valeur propre de \(p\).

5Les sous-espaces propres sont en somme directe

Proposition 18 · Les sous-espaces propres sont en somme directepar cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel (pas nécessairement de dimension finie) et \(f \in \LL(E)\). On suppose que \(\lambda_1, \dots, \lambda_p\) sont des valeurs propres de \(f\) deux à deux distinctes. Alors les sous-espaces propres \(E_{\lambda_1}(f), \dots, E_{\lambda_p}(f)\) sont en somme directe :

\[E_{\lambda_1}(f) \oplus \cdots \oplus E_{\lambda_p}(f) \subset E.\]

Formulation équivalente : on suppose que \(\mathscr{L}_1, \dots, \mathscr{L}_p\) sont des familles libres de vecteurs appartenant respectivement aux sous-espaces propres \(E_{\lambda_1}(f), \dots, E_{\lambda_p}(f)\). Alors la famille \(\mathscr{L}\) de vecteurs obtenue en concaténant les familles \(\mathscr{L}_1, \dots, \mathscr{L}_p\) est libre.

Cas particulier où chaque famille \(\mathscr{L}_i\) est réduite à un unique vecteur non nul : une famille de vecteurs propres associés à des valeurs propres deux à deux distinctes est libre.

Exemple Si les réels \(r_1, \dots, r_n\) sont deux à deux distincts, alors la famille \(\mathscr{F} = (f_{r_1}, \dots, f_{r_n})\) de fonctions de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) définies pour tout \(i \in \llbracket 1, n \rrbracket\) par \(f_{r_i} : x \mapsto e^{r_i x}\) est une famille libre. En effet, on peut remarquer que chacune des fonctions \(f_{r_i}\) est un vecteur propre de l'endomorphisme de dérivation \(D : f \in \mathscr{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{R}) \mapsto f' \in \mathscr{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{R})\), associé à la valeur propre \(r_i\).

Proposition 19 · Un premier corollaire

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie non nulle \(n\) et \(f\) un endomorphisme de \(E\). Alors :

\[\sum_{\lambda \in \Sp(f)} \dim E_\lambda(f) \leqslant n.\]
Un endomorphisme ou une matrice peut ne pas admettre de valeur propre, autrement dit son spectre peut être vide : c'est le cas de la matrice \(\begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}\) (voir plus bas). Dans ce cas, la convention \(\displaystyle\sum_{\lambda \in \varnothing} u_\lambda = 0\) permet de voir que l'inégalité ci-dessus est encore vérifiée.
Proposition 20 · Un deuxième corollaire : le cardinal du spectre est majoré par la dimension de l'espace

Si \(E\) est un espace vectoriel de dimension finie \(n \geqslant 1\), tout endomorphisme de \(E\) possède au plus \(n\) valeurs propres. Matriciellement : \(A \in \MM_n(\mathbb{R}) \implies \Card(\Sp(A)) \leqslant n\).

V
Partie V

Diagonalisation des endomorphismes en dimension finie et des matrices carrées

1Définitions

Définition 11 · Endomorphisme diagonalisable

Soit \(E\) un espace vectoriel de dimension finie \(n\) non nulle. On dit que l'endomorphisme \(f\) est diagonalisable s'il existe une base \((e_1, \dots, e_n)\) de \(E\) dans laquelle la matrice de \(f\) est diagonale. Ainsi, l'endomorphisme \(f\) est diagonalisable si et seulement si \(E\) admet une base de vecteurs propres pour \(f\).

Si \(\BB = (e_1, \dots, e_n)\) est une base de vecteurs propres de \(f\) associés respectivement aux valeurs propres \(\lambda_1, \dots, \lambda_n\), la matrice de \(f\) dans la base \(\BB\) est diagonale :

\[\Mat_{\BB}(f) = \begin{pmatrix} \lambda_1 & & \\ & \ddots & \\ & & \lambda_n \end{pmatrix}\]

La \(j\)-ème colonne contient les coordonnées de \(f(e_j) = \lambda_j e_j\).

Réciproquement, si la matrice de \(f\) dans une base \(\BB = (e_1, \dots, e_n)\) est diagonale, alors chacun des vecteurs \(e_1, \dots, e_n\) est vecteur propre de \(f\).

Définition 12 · Matrice diagonalisable

Soit \(A \in \MM_n(\mathbb{R})\). On dit que la matrice \(A\) est diagonalisable si elle est semblable à une matrice diagonale.

Proposition 21 · Diagonalisabilité d'un endomorphisme et d'une matrice associée

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie non nulle \(n\), \(f \in \LL(E)\), \(\BB\) une base de \(E\) et \(A = \Mat_{\BB}(f)\). Alors :

\[f \text{ diagonalisable} \iff A \text{ diagonalisable}.\]

2Exemples de matrices diagonalisables et non diagonalisables

Quelques exemples de référence, qui découlent directement des résultats de ce chapitre :

  • Les matrices diagonales sont diagonalisables (elles sont semblables à elles-mêmes).
  • Les projecteurs d'un espace de dimension finie sont diagonalisables (voir l'exemple d'application de la section 4).
  • La matrice \(R = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}\) n'est pas diagonalisable : pour tout réel \(\lambda\), \(\det(R - \lambda I_2) = \lambda^2 + 1 \neq 0\), donc \(R - \lambda I_2\) est inversible et \(R\) n'a aucune valeur propre réelle. Une matrice semblable à une matrice diagonale \(D\) aurait les coefficients diagonaux de \(D\) pour valeurs propres.
  • La matrice \(N = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}\) n'est pas diagonalisable : elle est triangulaire, donc \(\Sp(N) = \{0\}\) ; si elle était diagonalisable, elle serait semblable à la matrice nulle, donc égale à la matrice nulle, ce qui n'est pas le cas.

3Une condition suffisante de diagonalisabilité

Proposition 22 · Une condition suffisante de diagonalisabilitépar cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie non nulle \(n\) et \(f\) un endomorphisme de \(E\). Si l'endomorphisme \(f\) admet \(n\) valeurs propres distinctes, alors il est diagonalisable :

\[\Card(\Sp(f)) = \dim E \implies f \text{ diagonalisable}.\]

De plus, les sous-espaces propres sont tous des droites vectorielles. En termes matriciels : pour toute matrice \(A \in \MM_n(\mathbb{R})\), \(\Card(\Sp(A)) = n \implies A\) diagonalisable.

Bien entendu, la réciproque est fausse (penser à l'endomorphisme nul, diagonalisable, qui n'a qu'une seule valeur propre).

4Une condition nécessaire et suffisante de diagonalisabilité

Rappelons la convention, qui n'est pas propre à ce chapitre : \(\displaystyle\sum_{i \in \varnothing} u_i = 0\).

Proposition 23 · Condition nécessaire et suffisante de diagonalisabilitépar cœur

Soient \(E\) un espace vectoriel de dimension finie non nulle \(n\) et \(f\) un endomorphisme de \(E\). Alors :

\[f \text{ diagonalisable} \iff \bigoplus_{\lambda \in \Sp(f)} E_\lambda(f) = E \iff \sum_{\lambda \in \Sp(f)} \dim E_\lambda(f) = n.\]

Traduction matricielle. Soit \(A \in \MM_n(\mathbb{R})\). Les conditions suivantes sont équivalentes :

\[A \text{ diagonalisable} \iff \bigoplus_{\lambda \in \Sp(A)} E_\lambda(A) = \MM_{n,1}(\mathbb{R}) \iff \sum_{\lambda \in \Sp(A)} \dim E_\lambda(A) = n.\]

Exempleles projecteurs. On a démontré, dans les rappels sur les projecteurs, que si \(p\) est un projecteur d'un espace vectoriel \(E\), alors \(E = \Img p \oplus \Ker p\) et \(\Img p = \{x \in E \,;\, p(x) = x\}\), autrement dit \(\Img p = \Ker(p - \Id_E)\), donc \(E = \Ker(p - \Id_E) \oplus \Ker p\). Supposons de plus l'espace \(E\) de dimension finie.

  • Si \(p = 0_{\LL(E)}\), alors évidemment \(p\) est diagonalisable.
  • Si \(p = \Id_E\), alors évidemment \(p\) est diagonalisable.
  • Si \(p \neq 0_{\LL(E)}\) et \(p \neq \Id_E\), alors l'égalité ci-dessus s'écrit \(E = E_1(p) \oplus E_0(p)\). La condition nécessaire et suffisante de diagonalisabilité montre que le projecteur \(p\) est diagonalisable.
Méthode · Diagonaliser une matrice en 4 étapes
  1. 1Valeurs propresChercher les \(\lambda\) pour lesquels \(A - \lambda I_n\) n'est pas inversible.
  2. 2Sous-espaces propresRésoudre \((A - \lambda I_n)X = 0\) pour chaque valeur propre.
  3. 3CompterLa somme des dimensions vaut-elle \(n\) ? Sinon, \(A\) n'est pas diagonalisable.
  4. 4Écrire \(P\) et \(D\)Vecteurs propres en colonnes dans \(P\), valeurs propres dans le même ordre sur la diagonale de \(D\).

5Le cas des matrices symétriques à coefficients réels

On admet le théorème qui suit. On y reviendra plus tard dans l'année, en en donnant une version plus précise :

Proposition 24 · Diagonalisabilité des matrices symétriques à coefficients réelspar cœur

Toute matrice symétrique réelle est diagonalisable.

VI
Partie VI

Application de la diagonalisation au calcul des puissances d'une matrice

1Puissances d'une matrice diagonalisable

Si \(A \in \MM_n(\mathbb{R})\) est diagonalisable, il existe une matrice \(D \in \MM_n(\mathbb{R})\) diagonale et une matrice \(P \in \GL_n(\mathbb{R})\) vérifiant \(A = PDP^{-1}\). Ainsi, on obtient

\[A^2 = PD\underbrace{P^{-1}P}_{= I_n}DP^{-1} = PD^2P^{-1},\]

puis, par une récurrence immédiate :

À retenir · Puissances d'une matrice diagonalisablepar cœur
\[\forall k \in \mathbb{N}, \qquad A^k = PD^kP^{-1}.\]

Si de plus la matrice \(A\) est inversible, alors la matrice \(D\) l'est aussi (en tant que produit de matrices inversibles : \(D = P^{-1}AP\)), et on a :

\[A^{-1} = \big((PD)P^{-1}\big)^{-1} = (P^{-1})^{-1}(PD)^{-1} = PD^{-1}P^{-1}.\]

Puis, par une récurrence immédiate, \(\forall k \in \mathbb{N},\ (A^{-1})^k = P(D^{-1})^kP^{-1}\). Ainsi, dans le cas où la matrice \(A\) est inversible, on a :

\[\forall k \in \mathbb{Z}, \qquad A^k = PD^kP^{-1}.\]
Exemple traité, pas à pas
  1. \(A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}\) est symétrique réelle, donc diagonalisable (proposition 24).
  2. \(A\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} = 3\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix}\) et \(A\begin{pmatrix} 1 \\ -1 \end{pmatrix} = -\begin{pmatrix} 1 \\ -1 \end{pmatrix}\), donc \(\Sp(A) = \{3, -1\}\).
  3. \(P = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix}\), \(D = \begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}\) et \(P^{-1} = \dfrac{1}{2}\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix}\).
  4. D'où, pour tout \(k \in \mathbb{N}\) :
\[A^k = PD^kP^{-1} = \frac{1}{2}\begin{pmatrix} 3^k + (-1)^k & 3^k - (-1)^k \\ 3^k - (-1)^k & 3^k + (-1)^k \end{pmatrix}.\]

2Avantages et limites de la méthode

  • Avantage : les puissances d'une matrice diagonale se calculent immédiatement : il suffit d'élever chaque coefficient diagonal à la puissance \(k\).
  • Inconvénients : la méthode nécessite de calculer les éléments propres de \(A\) (sauf cas particuliers), ainsi que la matrice inverse \(P^{-1}\). De plus, toutes les matrices ne sont pas diagonalisables.

Il existe d'autres techniques, exposées en première année (voir aussi la fiche de révisions d'algèbre linéaire, en particulier le binôme de Newton), de calcul des puissances d'une matrice carrée, qui peuvent être plus efficaces que la diagonalisation.

Ce qu'il faut retenir

I. Somme directe = écriture unique. On la prouve en recollant des bases, et les dimensions s'additionnent.

II. \(A' = P^{-1}AP\) : deux matrices semblables représentent le même endomorphisme dans deux bases.

III. \(\tr(AB) = \tr(BA)\), donc deux matrices semblables ont même trace.

IV. \(\lambda\) est valeur propre si et seulement si \(A - \lambda I_n\) n'est pas inversible. Les valeurs propres sont parmi les racines d'un polynôme annulateur.

V. Diagonalisable si et seulement si la somme des dimensions des sous-espaces propres vaut \(n\). Il suffit d'avoir \(n\) valeurs propres distinctes, ou une matrice symétrique réelle.

VI. \(A = PDP^{-1} \implies A^k = PD^kP^{-1}\), pour tout \(k \in \mathbb{Z}\) si \(A\) est inversible.