Ce qu'il faut savoir sur la diagonalisation

On note par nn un nombre entier naturel non nul.
On désigne par K\mathbb{K} l'ensemble R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}.
On désigne par EE un K\mathbb{K}-espace vectoriel et uu est un endomorphisme de EE.
L'élément identité de EE est noté IdE\mathrm{Id}_E.
Vecteurspropresetvaleurspropresdunendomorphisme{\color{red}{\bf{\blacksquare \,\, Vecteurs \,\, propres \,\, et \,\, valeurs \,\, propres \,\, d'un \,\, endomorphisme}}}
Deˊfinitions{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Définitions \,\, }}}
On appelle vecteurproprevecteur \,\, propre de uu, tout élément XEX \in E tel qu'il existe un élément λK\lambda \in \mathbb{K} qui vérifie la relation, qui sera notée ()(\star), suivante :
()u(X)=λX(\star) \,\,\,\, u(X) = \lambda X
Un élément λK\lambda \in \mathbb{K}, satisfaisant à ()(\star), s'appelle une valeurproprevaleur \,\, propre de uu à la condition qu'il existe un vecteur XX de EE qui vérifie la relation ()(\star).
L'ensemble des valeurs propres de uu se note le spectre de uu dans K\mathbb{K} et se note SpK(u)\mathrm{Sp}_{\mathbb{K}}(u).
Theˊoreˋmes{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Théorèmes \,\, }}}
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \,\, }}} A tout vecteur propre XX, non nul, de uu il correspond une et une seule valeur propre dite valeurpropreassocieˊevaleur \,\, propre \,\, associée à XuX \in u.
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \,\, }}} A toute valeur propre λ\lambda de uu il correspond un sous-espace vectoriel V(λ)EV(\lambda) \in E qui est constitué des vecteurspropresvecteurs \,\, propres admettant λ\lambda comme valeur propre. On l'appelle le sousespacepropresous-espace \,\, propre associé à λ\lambda. Ce sous-espace propre n'est pas nul et est stable par uu.
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright\,\, }}} On a l'équivalence entre la proposition "λ\lambda est valeur propre de uu" et la proposition "uλIdEu - \lambda \mathrm{Id}_E est non injectif".
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \,\, }}} Si uu admet plusieurs valeurs propres, alors pour toute famille {λ1;; λs}\{\lambda_1 \,;\, \cdots \,;\ \lambda_s \} (avec s2s \geqslant 2) de ss valeurs propres distinctes de uu on a :
i=1sV(λi)={0}\bigcap_{i=1}^s V(\lambda_i) = \{ 0 \}
Toute famille (Xi)i{1;;s}(X_i )_{i \in \{ 1 \,;\, \cdots \,;\, s \}} de vecteurs propres non nuls, tels que λi\lambda_i soit associée à XiX_i, est une famille libre.
Proprieˊteˊ{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Propriété \,\, }}}
Si EE est de dimension finie, nn, sur K\mathbb{K}, il est possible, sous réserve de connaitre une base de EE, d'associer une matrice carrée AMn(K)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) à un endomorphisme uu. Les propriétés s'appliquent à AA comme à uu.
Polyno^mecaracteˊristiquesdunendomorphismedunespacevectorieldedimensionfinie{\color{red}{\bf{\blacksquare \,\, Polynôme\,\, caractéristiques \,\, d'un \,\, endomorphisme \,\, d'un \,\, espace \,\, vectoriel \,\, de \,\, dimension \,\, finie \,\, }}}
Theˊoreˋme{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Théorème \,\, }}}
On pose dimK(E)=n\dim_{\mathbb{K}}(E) = n et on désigne par AA la matrice représentative de uu dans une certaine base donnée de EE.
Pour tout λK\lambda \in \mathbb{K} il y a équivalence entre les propositions ci-dessous :
i)i) \,\, le scalaire λ\lambda est valeur propre de la matrice AA ;
ii)ii) \,\, la matrice AλInA - \lambda I_n n'est pas inversible ;
iii)iii) \,\, on a det(AλIn)=0\det(A - \lambda I_n) = 0 n'est pas inversible.
Le polynôme P(λ)=det(AλIn)P(\lambda) = \det(A - \lambda I_n) s'appelle lepolyno^me caracteˊristique{\color{red}{\bf{le \,\, polynôme \,\ caractéristique}}} de AA (ou de uu) et λ\lambda joue le rôle d'indéterminée. D'ailleurs, remarquons que deux matrices semblables ont le même polynôme caractéristique.
Puis on a :
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \,\, }}} deg(P(λ))=n\deg(P(\lambda)) = n ;
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \,\, }}} deg(P(λ))=n\deg(P(\lambda)) = n ;
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright\,\, }}} P(λ)=(1)nλn+(1)n1Tr(A)λn1++det(A)P(\lambda) = (-1)^n \lambda^n + (-1)^{n-1} \mathrm{Tr}(A) \lambda^{n-1} + \cdots + \det(A) ;
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \,\, }}} les zéros, dans K\mathbb{K}, de P(λ)P(\lambda) sont les valeurs propres de AA (ou uu) ;
{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \,\, }}} Si λ0\lambda_0 est un zéro de P(λ)P(\lambda) d'ordre kk alors on a : 1dim(V(λ0))k1 \leqslant \dim(V(\lambda_0)) \leqslant k.
Diagonalisation{\color{red}{\bf{\blacksquare \,\, Diagonalisation \,\, }}}
On suppose que EE un K\mathbb{K}-espace vectoriel de dimension finie nn non nulle.
Deˊfinitions{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Définitions \,\, }}}
On dit que uu est diagonalisable s'il existe une base B\mathcal{B} de EE telle que la matrice associée à uu soit diagonale dans cette ase B\mathcal{B}.
On dit que que la matrice AMn(K)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) est diagonalisable si elle est semblable à une matrice diagonale de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}).
Theˊoreˋme{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Théorème\,\, }}}
Il y a équivalence entre :
i)i) \,\, l'endomorphisme uu est diagonalisable ;
ii)ii) \,\, il existe une base de EE formée des vecteurs propre de uu, c'est la baseproprebase \,\, propre ;
iii)iii) \,\, le polynôme caractéristique de uu à ses nn zéros dans K\mathbb{K} et pour chacun de ses zéros λi\lambda_i d'ordre kik_i on a : dim(V(λi))=ki{\color{red}{\dim (V(\lambda_i))= k_i}} ;
iv)iv) \,\, la somme directe de tous les sous-espaces propre de uu est égale à EE.
Conditionsuffisantedediagonalisation{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Condition \,\, suffisante \,\, de \,\, diagonalisation}}}
Une condition suffisante pour que uu soit diagonalisable est qu'il possède nn valeurs propres toutes distinctes.
Conditionneˊcessaireetsuffisantedediagonalisation{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Condition \,\, nécessaire \,\, et \,\, suffisante \,\, de \,\, diagonalisation}}}
Une condition nécessaire et suffisante pour qu'une matrice soit diagonalisable est que son polynôme minimal n'admette que des zéros simples tous dans K\mathbb{K}.
On rappelle que la polynôme unitaire, noté Π\Pi, de plus faible degré annulant AA s'appelle le polynôme minimal de AA. Tout polynôme annulateur de AA est un multiple de ce polynôme minimal. En général il est délicat de déterminer le polynôme minimal Π\Pi et on calcule le polynôme caractéristique P(λ)=det(AλIn)P(\lambda) = \det(A - \lambda I_n).
Trigonalisation{\color{red}{\bf{\blacksquare \,\, Trigonalisation \,\, }}}
On suppose que EE un K\mathbb{K}-espace vectoriel de dimension finie nn non nulle.
Theˊoreˋme{\color{blue}{\bf{\,\,\,\,\,\,\, \bullet \,\, Théorème \,\, }}}
Pour tout endomorphisme uu de EE tel que son polynôme caractéristique ait tous ses zéros dans K\mathbb{K} (ce qui est toujours le cas dans K=C\mathbb{K} = \mathbb{C}) il existe une base de EE sur laquelle la matrice associée à uu soit triangulaire. Les éléments diagonaux étant les valeurs propres de uu.
LetheˊoreˋmedeCayley&Hamilton{\color{red}{\bf{\blacksquare \,\, Le \,\, théorème \,\, de \,\, Cayley \, \& \, Hamilton}}}
Tout endomorphisme uu de EE ou toute matrice AA de Matn(K)\mathcal{M}\mathrm{at}_n(\mathbb{K}) est zéro de son polynôme caractéristique (qui est donc un polynôme d'endomorphisme ou un polynôme matriciel).
De fait le polynôme minimal divise le polynôme caractéristique.