Cours – Réduction des matrices carrées
Chapitre 07
ECT2 (2e année) — Chapitre 07. Valeurs propres, vecteurs propres, matrices diagonalisables, polynômes annulateurs, application aux puissances de matrices.
Ce chapitre a été réalisé conformément au programme marocain de mathématiques de la filière ECT.
Dans tout ce chapitre, \mathbb{K} désigne \mathbb{R} ou \mathbb{C}, et E un \mathbb{K}-espace vectoriel de dimension finie n.
1 Valeurs propres et vecteurs propres
1.1 Définitions
Définition 1.1 — (Valeur propre, vecteur propre)
Soit u \in \mathcal{L}(E). Un scalaire \lambda \in \mathbb{K} est une valeur propre de u s’il existe x \in E \setminus \{0_E\} tel que : u(x) = \lambda x Le vecteur x est appelé vecteur propre associé à \lambda.
Définition 1.2 — (Sous-espace propre)
Le sous-espace propre associé à \lambda est : E_\lambda(u) = \ker(u - \lambda \mathrm{Id}_E)
Définition 1.3 — (Spectre)
Le spectre de u, noté \mathrm{Sp}(u), est l’ensemble des valeurs propres de u.
Proposition 1.1
Soient \lambda_1, \ldots, \lambda_r des valeurs propres distinctes de u. Alors la somme E_{\lambda_1} + \cdots + E_{\lambda_r} est directe.
Proposition 1.2
Le spectre d’un endomorphisme d’un espace de dimension finie n est fini de cardinal au plus n.
1.2 Polynôme caractéristique
Définition 1.4 — (Polynôme caractéristique)
Soit A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}). Le polynôme caractéristique de A est : \chi_A(X) = \det(XI_n - A)
Proposition 1.3
- \chi_A est unitaire de degré n.
- \lambda est valeur propre de A \iff \chi_A(\lambda) = 0.
- Deux matrices semblables ont même polynôme caractéristique.
- \chi_A(X) = X^n - \mathrm{tr}(A) X^{n-1} + \cdots + (-1)^n \det(A)
Exemple 1.1
Pour A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} : \chi_A(X) = \det \begin{pmatrix} X-1 & -2 \\ 0 & X-3 \end{pmatrix} = (X-1)(X-3) Les valeurs propres sont \lambda_1 = 1 et \lambda_2 = 3.
2 Diagonalisation
2.1 Définition
Définition 2.1 — (Matrice diagonalisable)
Une matrice A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) est diagonalisable s’il existe P \in GL_n(\mathbb{K}) et D diagonale telles que : A = PDP^{-1}
2.2 Caractérisations
Théorème 2.1 — (Caractérisation par les sous-espaces propres)
A est diagonalisable si et seulement si : \mathbb{K}^n = E_{\lambda_1} \oplus \cdots \oplus E_{\lambda_r} où \lambda_1, \ldots, \lambda_r sont les valeurs propres distinctes de A.
Théorème 2.2 — (Caractérisation par le polynôme caractéristique)
A est diagonalisable si et seulement si :
- \chi_A est scindé sur \mathbb{K}
- Pour toute valeur propre \lambda_k de multiplicité \mu_k, \dim E_{\lambda_k} = \mu_k
Proposition 2.1 — (Cas des valeurs propres distinctes)
Si A admet n valeurs propres distinctes, alors A est diagonalisable.
Théorème 2.3 — (Caractérisation par le polynôme minimal)
A est diagonalisable si et seulement si son polynôme minimal P_A est scindé à racines simples.
Exemple 2.1 — (Matrice diagonalisable)
Pour A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} : - \chi_A(X) = (X-1)(X-3) - E_1 = \mathrm{Vect}\left(\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}\right) - E_3 = \mathrm{Vect}\left(\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}\right)
Donc A est diagonalisable : A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}^{-1}
Exemple 2.2 — (Matrice non diagonalisable)
Pour A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} : - \chi_A(X) = (X-1)^2 - E_1 = \mathrm{Vect}\left(\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}\right) de dimension 1
Comme \dim E_1 = 1 < 2, A n’est pas diagonalisable.
3 Trigonalisation
Définition 3.1 — (Matrice trigonalisable)
A est trigonalisable s’il existe P \in GL_n(\mathbb{K}) et T triangulaire supérieure telles que : A = PTP^{-1}
Théorème 3.1 — (Caractérisation)
A est trigonalisable si et seulement si \chi_A est scindé sur \mathbb{K}.
Corollaire 3.1
En particulier, toute matrice de \mathcal{M}_n(\mathbb{C}) est trigonalisable.
Exemple 3.1
Pour A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, A est déjà triangulaire supérieure, donc trigonalisable.
4 Polynômes annulateurs
Définition 4.1 — (Polynôme annulateur)
Un polynôme P \in \mathbb{K}[X] est un polynôme annulateur de A si P(A) = 0.
Définition 4.2 — (Polynôme minimal)
Le polynôme minimal P_A de A est le polynôme annulateur unitaire de plus petit degré.
Théorème 4.1 — (Théorème de Cayley-Hamilton)
Le polynôme caractéristique annule la matrice : \chi_A(A) = 0.
Proposition 4.1
Tout polynôme annulateur de A est divisible par P_A.
Exemple 4.1
Pour A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} : - \chi_A(X) = (X-1)^2 - A - I = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \neq 0 - (A - I)^2 = 0
Donc P_A(X) = (X-1)^2.
5 Application aux puissances de matrices
Théorème 5.1 — (Calcul de \boldsymbol{A^n} par diagonalisation)
Si A est diagonalisable avec A = PDP^{-1}, alors : A^n = PD^nP^{-1} où D^n est la matrice diagonale dont les coefficients diagonaux sont \lambda_i^n.
Exemple 5.1
Pour A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} diagonalisée en A = PDP^{-1} : A^n = P \begin{pmatrix} 1^n & 0 \\ 0 & 3^n \end{pmatrix} P^{-1} = P \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 3^n \end{pmatrix} P^{-1}
Théorème 5.2 — (Calcul de \boldsymbol{A^n} par trigonalisation)
Si A est trigonalisable avec A = PTP^{-1}, alors : A^n = PT^nP^{-1} où T^n se calcule par récurrence.
Exemple 5.2
Pour A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, on a A = I + N avec N^2 = 0. Donc : A^n = (I + N)^n = I + nN = \begin{pmatrix} 1 & n \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
6 Exercices
Exercice 6.1
Soit A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- Déterminer les valeurs propres et les sous-espaces propres.
- A est-elle diagonalisable ? Si oui, diagonaliser A.
- Calculer A^n pour tout n \in \mathbb{N}.
Exercice 6.2
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- A est-elle diagonalisable ? Trigonalisable ?
- Déterminer le polynôme minimal de A.
- Calculer A^n pour tout n \in \mathbb{N}.
Exercice 6.3
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- Déterminer les valeurs propres et les sous-espaces propres.
- A est-elle diagonalisable ?
Exercice 6.4
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- A est-elle diagonalisable ? Trigonalisable ?
- Déterminer le polynôme minimal de A.
Exercice 6.5
Soit A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- A est-elle diagonalisable ?
- Déterminer le polynôme minimal de A.
Exercice 6.6
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- A est-elle diagonalisable ? Trigonalisable ?
- Calculer A^n pour tout n \in \mathbb{N}.
Exercice 6.7
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- A est-elle diagonalisable ?
- Calculer A^n pour tout n \in \mathbb{N}.
Exercice 6.8
Soit A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}.
- Calculer \chi_A(X).
- A est-elle diagonalisable ? Trigonalisable ?
- Déterminer le polynôme minimal de A.