[<] Diagonalisabilité [>] Diagonalisabilité d'une matrice par étude des éléments propres

 
Exercice 1  4339  

Soit u un endomorphisme d’un espace vectoriel réel E représenté dans une base e=(e1,e2,e3) par la matrice

A=(01-1101110).
  • (a)

    Justifier que u est diagonalisable.

  • (b)

    Déterminer une base de diagonalisation de u.

 
Exercice 2  3776    CCINP (MP)Correction  

Soient E un -espace vectoriel de dimension finie non nulle et e=(e1,,en) une base de E.

On considère l’endomorphisme f de E déterminé par

k{1,,n},f(ek)=ek+i=1nei.
  • (a)

    Donner la matrice de f dans e.

  • (b)

    Déterminer les sous-espaces propres de f.

  • (c)

    L’endomorphisme f est-il diagonalisable?

  • (d)

    Calculer le déterminant de f. L’endomorphisme f est-il inversible?

Solution

  • (a)

    On obtient

    Mate(f)=(2(1)(1)2).
  • (b)

    D’une part

    f(e1++en)=(n+1)(e1++en)

    et d’autre part, pour x=x1e1++xnen avec x1++xn=0 on a

    f(x)=x.

    On en déduit que 1 et n+1 sont valeurs propres de f. Puisque le sous-espace propre associé à la valeur propre 1 contient un hyperplan et que le sous-espace propre associé à la valeur n+1 contient au moins une droite, il ne peut y avoir d’autres valeurs propres et les sous-espaces propres sont respectivement un hyperplan et une droite.

    En résumé, Sp(f)={1,n+1} et

    E1(f)={x|x1++xn=0} et En+1(f)=Vect(e1++en).
  • (c)

    L’endomorphisme f est diagonalisable car

    dimE1(f)+dimEn+1(f)=n.
  • (d)

    Par les valeurs propres

    det(f)=(n+1)0

    et l’endomorphisme f est inversible…

 
Exercice 3  799  Correction  

Soit u un endomorphisme d’un 𝕂-espace vectoriel de dimension finie E.
On suppose que

Im(u-IdE)Im(u+IdE)={0E}.

Montrer que u est diagonalisable.

Solution

Puisque Im(u-IdE)Im(u+IdE)={0E}, on a

rg(u-IdE)+rg(u+IdE)dimE.

Par la formule du rang,

dimKer(u-IdE)+dimKer(u+IdE)dimE.

On en déduit que u est diagonalisable de valeurs propres possibles 1 et -1.

 
Exercice 4  801  Correction  

Soit E=n[X]. Pour PE, on pose

φ(P)=(X2-1)P′′(X)+2XP(X).
  • (a)

    Montrer que φ définit un endomorphisme de E.

  • (b)

    Former la matrice de φ relative à la base canonique de E.

  • (c)

    En déduire la diagonalisabilité de φ ainsi que ses valeurs propres et la dimension des sous-espaces propres associés.

Solution

  • (a)

    L’application φ est clairement linéaire de [X] vers lui-même. De plus, si deg(P)n, il est aisé d’observer que deg(φ(P))n. On peut donc conclure que φ est un endomorphisme de n[X].

  • (b)

    Pour tout k{0,,n},

    φ(Xk)=k(k+1)Xk-k(k-1)Xk-2.

    Cela permet de former la représentation matricielle souhaitée.

  • (c)

    On constate que la matrice de φ est triangulaire de coefficients diagonaux 0,,k(k+1),,n(n+1) deux à deux distincts. Il est ensuite aisé de calculer le polynôme caractéristique de φ et de conclure que φ est diagonalisable car admet exactement n+1=dimE valeurs propres qui sont 0,,k(k+1),,n(n+1). De plus, les sous-espaces propres de φ sont de dimension 1.

 
Exercice 5  800   Correction  

Soit E=n[X]. Pour PE, on pose

φ(P)=P-(X+1)P.
  • (a)

    Justifier que φ définit un endomorphisme de n[X].

  • (b)

    Déterminer les valeurs propres de φ et justifier que φ est diagonalisable.

Solution

  • (a)

    φ est clairement linéaire et à valeurs dans E.

  • (b)

    Pour k0;n,

    φ(Xk)=Xk-k(X+1)Xk-1=(1-k)Xk-kXk-1.

    La matrice de φ dans la base canonique de E est triangulaire supérieure. Les coefficients diagonaux sont alors les racines du polynôme caractéristique et ce sont donc les valeurs propres de φ à savoir 1,0,-1,,(1-n). Cela détermine n+1=dimE valeurs propres distinctes, l’endomorphisme φ est donc diagonalisable (et ses sous-espaces propres sont des droites vectorielles).

 
Exercice 6  5542     ENSEA (MP)Correction  

On considère l’application φ définie sur n[X] par

φ(P)=(X21)PnXP.
  • (a)

    Vérifier que φ définit un endomorphisme de n[X].

  • (b)

    Déterminer les valeurs propres et les vecteurs propres de φ.

Solution

  • (a)

    L’application φ est bien définie au départ de n[X] et à valeurs dans n[X] car transforme un polynôme de degré inférieur à n en un autre après une éventuelle simplification des termes Xn+1.

    La linéarité de φ est immédiate.

  • (b)

    La matrice de φ dans la base canonique est tridiagonale et ne permet11 1 En revanche, la matrice de φ dans la base des (X1)k pour k=0,,n est triangulaire et permet ce calcul! pas un calcul simple du polynôme caractéristique de φ. Étudions les valeurs propres de φ par résolution de l’équation aux éléments propres. Pour λ,

    φ(P)=λPP=nX+λ(X1)(X+1)

    Résolvons alors sur ]1;1[, l’équation différentielle linéaire

    y=nx+λx21y

    Par décomposition en éléments simples,

    nx+λx21=12(λ+nx1+λnx+1)

    La solution générale de cette équation s’exprime

    y(x)=C(x1)λ+n2(x+1)λn2 avec C

    Cette expression détermine une fonction polynomiale non nulle de degré au plus n si, et seulement si, λ{n2k|k0;n}. Plus précisément, pour

    Pk=(X1)nk(X+1)k

    on observe

    φ(Pk)=λkPk avec λk=n2k

    L’endomorphisme φ possède donc (au moins) n+1 valeurs propres deux à deux distinctes. Puisque dimn[X]=n+1, on peut conclure que φ ne possède pas d’autres valeurs propres et que les sous-espaces propres associés sont de dimension 1: les vecteurs propres associés à λk sont les polynômes non nuls colinéaires à Pk (et φ est diagonalisable).

 
Exercice 7  3395     NAVALE (MP)Correction  

Soient n* et

A=(0100n020020n0010)n+1().

Soit f l’endomorphisme de n[X] figuré par la matrice A dans la base canonique.

  • (a)

    Exprimer f(P) en fonction de P et P pour tout Pn[X].

  • (b)

    Que dire de deg(f(P)) pour P polynôme non nul?

  • (c)

    La matrice A est-elle diagonalisable?

Solution

  • (a)

    Dans la base canonique, la matrice de l’endomorphisme PP est

    B=(01000020000n0000)n+1().

    Dans la base canonique, la matrice de l’endomorphisme11 1 L’application considérée est linéaire et l’on vérifie, après une éventuelle simplification qu’un polynôme de degré au plus n est transformé en un polynôme de degré au plus n. PnXP-X2P est

    C=(0000n00002000010)n+1().

    Puisque A=B+C, on obtient

    f(P)=nXP+(1-X2)P.
  • (b)

    Si P est un polynôme de degré k avec k1;n-1 et de coefficient dominant a* alors nXP et (1-X2)P sont des polynômes de degrés k+1 et de coefficients dominants na et -ka. Le polynôme f(P) est alors de degré k+1.

    Si P est un polynôme de degré 0, c’est-à-dire un polynôme constant non nul, f(P) est de degré 1.

    Si P est un polynôme de degré n de la forme P=aXn+bXn-1+ avec a0 alors

    f(P)=naXn+1+nbXn++(1-X2)(naXn-1+(n-1)bXn-2+)=bXn+

    Le polynôme f(P) est alors de degré n si le coefficient de Xn-1 est non nul et de degré strictement inférieur à n sinon.

  • (c)

    Soit λ. Résoudre l’équation f(P)=λP d’inconnue Pn[X] conduit à étudier l’équation différentielle

    (1-x2)y+(nx-λ)y=0.

    Sur ]1;+[, la solution générale de cette équation différentielle linéaire d’ordre 1 s’exprime

    y(x)=C(x+1)(n+λ)/2(x-1)(n-λ)/2 avec C.

    Pour λ{-n+2k|k0;n}, on obtient f(Pλ)=λPλ avec

    Pλ=(X+1)(n+λ)/2(X-1)(n-λ)/2

    polynôme non nul de n[X]. On en déduit que l’endomorphisme f (et donc la matrice A) possède n+1 valeurs propres deux à deux distinctes. La matrice A est diagonalisable.

 
Exercice 8  802   Correction  

Soient E=n[X] et deux réels ab. Pour PE, on pose

φ(P)=(X-a)(X-b)P-nXP.
  • (a)

    Montrer que φ est un endomorphisme de E.

  • (b)

    Déterminer les valeurs propres de φ et en déduire que φ est diagonalisable.

Solution

  • (a)

    Si deg(P)n-1, il est clair que φ(P)E.

    Si deg(P)=n après simplification des termes en Xn+1, on obtient que φ(P)E.

    La linéarité de φ est claire et on peut donc conclure que φ est un endomorphisme de n[X].

  • (b)

    La matrice de φ dans la base canonique est tridiagonale et peu pratique.

    Formons plutôt la matrice de φ dans la base des (X-a)k pour k=0,,n.

    φ((X-a)k)=k(X-a)k(X-b)-nX(X-a)k

    donc

    φ((X-a)k)=(k-n)(X-a)k+1+(k(a-b)-na)(X-a)k

    et, cette fois-ci, la matrice de φ est triangulaire inférieure à coefficients diagonaux distincts:

    -nb,-(a+(n-1)b),-(2a+(n-2)b),,-((n-1)a+b),-na.

    Ce sont les valeurs propres de φ. Puisque φ admet n+1 valeurs propres distinctes et que dimE=n+1, on peut conclure que φ est diagonalisable

 
Exercice 9  2511     CCINP (MP)Correction  

Soient E=n[X] (avec n2) et a. Pour PE, on pose

ϕ(P)(X)=(X-a)(P(X)-P(a))-2(P(X)-P(a)).
  • (a)

    Montrer que ϕ définit un endomorphisme de n[X].

  • (b)

    À l’aide de la formule de Taylor, déterminer l’image et le noyau de ϕ.

  • (c)

    Trouver les éléments propres de Φ. Cet endomorphisme est-il diagonalisable?

Solution

  • (a)

    La linéarité est immédiate et sans peine deg(ϕ(P))n pour Pn[X].

  • (b)

    On a

    P(X)=k=0nP(k)(a)k!(X-a)k.
    P(X)=k=1nP(k)(a)(k-1)!(X-a)k-1

    puis

    ϕ(P)(X)=k=2nP(k)(a)(k-1)!(X-a)k-2k=1nP(k)(a)k!(X-a)k

    donc

    ϕ(P)(X)=k=3n(k-2)P(k)(a)k!(X-a)k-2P(a)(X-a).

    Ainsi,

    PKer(ϕ)P(a)=0 et 3kn,P(k)(a)=0

    et donc

    Ker(ϕ)=Vect(1,(X-a)2).

    Aussi,

    PIm(ϕ)P(a)=P′′(a)=0

    et donc

    Im(ϕ)=(X-a)3n-3[X]+Vect(X-a).
  • (c)

    On a

    ϕ(P)=λP{0=λP(a)-2P(a)=λP(a)(k-2)P(k)(a)=λP(k)(a) pour k{2,,n}.

    Cette équation possède une solution non nulle si, et seulement si, λ=0, λ=-2 ou λ=k-2 avec k{2,,n}.

    Ainsi,

    Sp(ϕ)={-2,0,1,,n-2}.

    On a

    E-2(ϕ)=Vect(X-a),E0(ϕ)=Ker(ϕ),Ek-2(ϕ)=Vect(X-a)k

    pour k{3,,n}. La somme des dimensions des sous-espaces propres valant dimn[X], l’endomorphisme est diagonalisable.

    En fait, la base des (X-a)k est une base de diagonalisation de l’endomorphisme ϕ.

 
Exercice 10  5975     CCINP (MP)Correction  

On note E=n[X]. Soient F et G deux polynômes de degrés n+1. On note f l’application qui à un polynôme P de E associe le reste de la division euclidienne de FP par G.

  • (a)

    Montrer que f est un endomorphisme de E.

  • (b)

    Dans quels cas f est-il un automorphisme de E?

    On pourra discuter selon que les polynômes F et G sont premiers entre eux ou non.

  • (c)

    On suppose que G est scindé à racines simples.

    Trouver les valeurs propres de f. L’endomorphisme f est-il diagonalisable?

Solution

  • (a)

    Le polynôme G étant de degré n+1, le reste d’une division euclidienne par G est un polynôme de n[X]: l’application f est donc bien définie de n[X] vers lui-même. Il reste à étudier sa linéarité. Soient λ1,λ2 et P1,P2n[X]. Les divisions euclidiennes de FP1 et FP2 par G s’écrivent

    FP1=GQ1+R1etFP2=GQ2+R2

    avec Q1,Q2 des polynômes et R1=f(P1), R2=f(P2) des polynômes de degrés inférieurs à n. On a alors

    F(λ1P1+λ2P2)=G(λ1Q1+λ2Q2)+λ1R1+λ2R2.

    Par combinaison linéaire, le polynôme λ1R1+λ2R2 est de degré strictement inférieur à celui de G et correspond donc au reste de la division euclidienne de F(λ1P1+λ2P2) par G. Ainsi, on obtient l’identité de linéarité

    f(λ1P1+λ2P2)=λ1R1+λ2R2=λ1f(P1)+λ2f(P2).

    Finalement, f est un endomorphisme de n[X].

  • (b)

    Soit PKer(f). Le reste de la division euclidienne de FP par G est nul et donc G divise FP.

    Si FG=1 alors G divise P. Or deg(P)<deg(G) et donc P=0. Le noyau de f est alors réduit au polynôme nul. L’endomorphisme f est alors injectif donc bijectif puisqu’il opère dans un espace de dimension finie.

    Si FG1 alors on peut introduire D un diviseur commun à F et G non constant. En écrivant G=DH avec Hn[X], on remarque que G divise FH et donc HKer(f). L’endomorphisme f n’est alors pas bijectif.

  • (c)

    Notons x0,,xn les racines deux à deux distinctes de G.

    Soient λ et Pn[X]. Étudions l’équation f(P)=λP. Puisque le polynôme λP est de degré inférieur à n, on a f(P)=λP si, et seulement si, il existe un polynôme Q tel que FP=GQ+λP ce qui revient encore à dire que G divise (Fλ)P:

    f(P)=λPG(Fλ)P.

    Le polynôme G étant le produit des Xxi avec les xi deux à deux distincts, on a encore

    G(Fλ)P (i0;n,xi est racine de (Fλ)P)
    (i0;n,(F(xi)λ)P(xi)=0).

    Distinguons alors deux cas.

    Cas: λ{F(x0),,F(xn)}. La condition xi est racine de (Fλ)P signifie P(xi)=0. Le polynôme P admet alors au moins n+1 racines distinctes et c’est le polynôme nul. L’équation f(P)=λP n’admet donc pas d’autres solutions que la solution nulle, le réel λ n’est pas valeur propre de f.

    Cas: λ{F(x0),,F(xn)}. Formons I l’ensemble (non vide) des i de 0;n tels que λ=F(xi). Pour tout iI, le réel xi est assurément racine de (Fλ)P et, pour tout iI, xi est racine de (Fλ)P si, et seulement si, xi est racine de P. Par conséquent,

    f(P)=λP (iI,xi est racine de P)
    GIPavecGI=0iniI(Xxi).

    Le polynôme GI étant de degré inférieur à n, il existe des polynômes non nuls solutions de l’équation f(P)=λP et l’on peut affirmer que λ est valeur propre de f.

    Au surplus l’espace propre associé11 1 La condition sur le degré de Q provient du fait que le produit GIQ doit être élément de n[X]. s’exprime

    Eλ(f)={GIQ|Q[X],deg(Q)<Card(I)}.

    Cet espace propre associé a pour dimension le cardinal de l’ensemble I des indices i0;n tels que λ=F(xi). La somme des dimensions des sous-espaces propres de f correspond alors au cardinal de l’ensemble 0;n de tous les indices, c’est-à-dire à n+1 qui est la dimension de l’espace n[X]. On en déduit que l’endomorphisme f est diagonalisable.

 
Exercice 11  803  Correction  

Étudier la diagonalisabilité de l’endomorphisme ϕ de n() défini par

ϕ(M)=M+tr(M).In.

Solution

Si M appartient à l’hyperplan des matrices de trace nulle alors ϕ(M)=M et donc ME1(ϕ).

Ainsi, l’espace E1(ϕ) est de dimension au moins égale à n2-1.

De plus, ϕ(In)=(n+1)In donc l’espace propre En+1(ϕ) est de dimension au moins égale à 1.

Puisque la somme des dimensions des sous-espaces propres est au moins égale à n2=dimn(), l’endomorphisme ϕ est diagonalisable (et les inégalités précédentes étaient des égalités).

 
Exercice 12  810  Correction  

Soient D=diag(λ1,,λn) et φ:MDM-MD endomorphisme de n(𝕂).

  • (a)

    Calculer φ(Ei,j)Ei,j désigne la matrice élémentaire d’indice (i,j) de n(𝕂).
    Quelle particularité présente la matrice de φ relativement à la base canonique de n(𝕂)?

  • (b)

    Soit f un endomorphisme diagonalisable d’un 𝕂-espace vectoriel E de dimension finie.
    L’endomorphisme ϕ:ufu-uf de (E) est-il diagonalisable?

Solution

  • (a)

    φ(Ei,j)=(λi-λj)Ei,j. La matrice de φ relative à la base canonique de n(𝕂) est diagonale.

  • (b)

    Soit une base de E dans laquelle l’endomorphisme f est représenté par une matrice diagonale D. En introduisant l’image réciproque de la base canonique de n(𝕂) par l’isomorphisme de représentation matricielle dans , on obtient une base de (E) dans laquelle ϕ est représenté par une matrice diagonale.

 
Exercice 13  1324     CENTRALE (PSI)Correction  

Soient E=𝒮2(),

A=(abcd)2()

et Φ:𝒮2()𝒮2() définie par

Φ(S)=AS+SA.
  • (a)

    Déterminer la matrice de Φ dans une base de E.

  • (b)

    Pour λ, quelle relation existe-t-il entre χΦ(2λ) et χA(λ)?

  • (c)

    Si Φ est diagonalisable, la matrice A l’est-elle?

  • (d)

    Si A est diagonalisable, l’endomorphisme Φ l’est-il?

Solution

On vérifie aisément que Φ est endomorphisme de 𝒮2().

  • (a)

    En choisissant la base de 𝒮2() formée des matrices E1,1,E2,2 et E1,2+E2,1, on obtient la matrice de Φ suivante

    (2a02b02d2ccba+d).
  • (b)

    Par la règle de Sarrus, on calcule χΦ(λ) et l’on obtient

    χΦ(2λ)=8(λ-a+d2)χA(λ).
  • (c)

    Posons Δ égal au discriminant de χA.
    Si Δ>0 alors χΦ possède trois racines réelles distinctes

    a+d,a+d+Δeta+d-Δ.

    Si Δ=0 alors χΦ possède une racine réelle triple

    a+d.

    Si Δ<0 alors χΦ possède une racine réelle et deux racines complexes non réelles.

    Supposons Φ diagonalisable.

    Le polynôme caractéristique de Φ est scindé sur donc Δ0.

    Si Δ>0 alors χA possède deux racines réelles distinctes et la matrice A est donc diagonalisable.

    Si Δ=0 alors Φ est diagonalisable et ne possède qu’une seule valeur propre λ=a+d donc l’endomorphisme Φ est une homothétie vectorielle de rapport égal à cette valeur propre. On obtient matriciellement

    (2a02b02d2ccba+d)=(a+d000a+d000a+d).

    On en déduit

    A=(abcd)=(a00a)

    et donc la matrice A est diagonalisable.

  • (d)

    Supposons A diagonalisable
    Le polynôme caractéristique de A est scindé sur donc Δ0.
    Si Δ>0 alors Φ est diagonalisable car possède 3 valeurs propres réelles distinctes.
    Si Δ=0 alors A possède une seule valeur propre et étant diagonalisable, c’est une matrice scalaire

    A=(a00a)

    et alors la matrice de Φ est diagonale

    (2a0002a0002a).
 
Exercice 14  6009   Correction  

Soient (a,b)2. On considère l’endomorphisme u de n() donné par

Mn(),u(M)=aM+bM.
  • (a)

    Vérifier que les sous-espaces des matrices symétriques et antisymétriques sont stables par u.

  • (b)

    Établir que u est diagonalisable et préciser ses valeurs propres.

  • (c)

    Calculer la trace et le déterminant de u.

Solution

  • (a)

    Supposons M𝒮n(). On a M=M et donc

    u(M)=aM+bM=(a+b)M𝒮n().

    Supposons M𝒜n(). On a M=-M et donc

    u(M)=aM-bM=(a-b)M𝒜n().
  • (b)

    Dans une base adaptée à l’écriture n()=𝒮n()𝒜n(), la matrice de u est diagonale de coefficients diagonaux a+b ( dim𝒮n() fois) et a-b ( dim𝒜n() fois). L’endomorphisme u est diagonalisable.

  • (c)

    Par la représentation diagonale précédente,

    tr(u)=(a+b)dim𝒮n()+(a-b)dim𝒜n().

    Sachant

    dim𝒮n()=n(n+1)2etdim𝒜n()=n(n-1)2

    on obtient

    tr(u)=an2+bn.

    Aussi,

    det(u)=(a+b)dim𝒮n()(a-b)dim𝒜n()=(a+b)n(a2-b2)n(n-1)/2.
 
Exercice 15  3450     CCINP (MP)Correction  

On considère un -espace vectoriel de dimension finie E, u un endomorphisme de E, U=(ui,j) la matrice de u dans une base de E, ei,j les projecteurs associés à cette base et Ei,j la matrice de ces projecteurs.
On considère φ l’endomorphisme dans (E) tel que

φ(v)=uv.
  • (a)

    Montrer que φ et u ont les mêmes valeurs propres.

  • (b)

    Calculer UEi,j en fonction des Ek,j. En déduire qu’il existe une base de (E) dans laquelle la matrice de φ est diagonale par blocs et exprimer cette matrice.

Solution

  • (a)

    Soit λ une valeur propre de φ.
    Il existe v(E){0~} tel que uv=λv.
    Soit alors xE tel que v(x)0 (ce qui est possible puisque v0~)
    Puisque u(v(x))=λv(x), on peut affirmer que λ est valeur propre de u.
    Inversement, soit λ une valeur propre de u et x0 un vecteur propre associé.
    Considérons v l’endomorphisme de E déterminé par

    1in,v(ei)=x.

    L’endomorphisme v est bien déterminé puisque l’on a ici fixé l’image d’une base.
    Puisque a uv=λv (car cette égalité vaut pour les vecteurs d’une base), on obtient φ(v)=λv avec v0~. Ainsi, λ est aussi valeur propre de φ.

  • (b)

    Sachant Ei,jEk,=δj,kEi,,

    UEi,j=k,=1nuk,Ek,Ei,j=k=1nuk,iEk,j.

    Dans la base ((E1,1,,En,1),(E1,2,,En,2),,(E1,n,,En,n)), la matrice de φ est diagonale par blocs avec des blocs diagonaux chacun égaux à U.

 
Exercice 16  3015     ENSTIM (MP)Correction  

Soient E un espace vectoriel de dimension finie, p un projecteur fixé de E et :(E)(E) définie par

:f12(fp+pf).
  • (a)

    L’application est-elle linéaire?

  • (b)

    L’endomorphisme est-il diagonalisable?

  • (c)

    Quelle est la dimension des sous-espaces propres associés?

Solution

  • (a)

    Par bilinéarité du produit de composition, on vérifie aisément que est linéaire.

  • (b)

    Soit f(E).

    Cas: Im(f)Im(p) et Ker(p)Ker(f). On a (f)=f.

    Un tel endomorphisme f est entièrement déterminé par sa restriction de Im(p) vers Im(p). On en déduit

    dimE1()(dimIm(p))2.

    Cas: Im(f)Ker(p) et Im(p)Ker(f). On a (f)=0.

    Un tel endomorphisme f est entièrement déterminé par sa restriction de Ker(p) vers Ker(p). On en déduit

    dimE0()(dimKer(p))2.

    Cas: Im(f)Im(p) et Im(p)Ker(f). On a (f)=12f.

    Un tel endomorphisme f est entièrement déterminé par sa restriction de Ker(p) vers Im(p).

    Cas: Im(f)Ker(p) et Ker(p)Ker(f). On a (f)=12f.

    Un tel endomorphisme f est entièrement déterminé par sa restriction de Im(p) vers Ker(p).

    De plus, un endomorphisme appartenant à ces deux dernières catégories est nécessairement nul. On en déduit

    dimE1/2()2dimKer(p)×dimIm(p).

    Or

    (dimIm(p))2+2dimKer(p)dimIm(p)+(dimKer(p))2=(dimIm(p)+dimKer(p))2=dimE2=dim(E)

    donc est diagonalisable.

  • (c)

    Les inégalités sur les dimensions précédentes sont alors des égalités dimE1()=(dimIm(p))2, dimE0()=(dimKer(p))2 et dimE1/2()=2dimKer(p)×dimIm(p).

 
Exercice 17  2723     MINES (MP)Correction  

Soient E un espace vectoriel réel de dimension finie et f(E). On définit T:(E)(E) par

T(g)=fg-gfpour tout g(E).
  • (a)

    Montrer que si f est diagonalisable, alors T est diagonalisable.

  • (b)

    Montrer que si f est nilpotent, alors T est nilpotent.

Solution

  • (a)

    Supposons f diagonalisable et soit =(e1,,en) une base de vecteurs propres de f. Pour 1i,jn, on pose gi,j l’endomorphisme de E déterminé par

    gi,j(ek)=δj,k.ei.

    La famille (gi,j) est une base de (E) et l’on observe

    T(gi,j)=(λi-λj).gi,j

    donc T est diagonalisable (et ses valeurs propres sont les λi-λj).

  • (b)

    Supposons f nilpotent et soit n* tel que fn=0. Puisque par développement Tp(g) est combinaison linéaire de termes de la forme

    fkgfp-k avec k0;p

    il est assuré que T2n=0 car chacun des termes précédents comporte un facteur nul (à droite ou à gauche). L’endomorphisme T est donc nilpotent.

[<] Diagonalisabilité [>] Diagonalisabilité d'une matrice par étude des éléments propres



Édité le 20-09-2025

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