Diagonalisation

Diagonaliser une matrice carrée d'ordre 33 : Mise en pratique dans le cas où les racines du polynôme caractéristique sont multiples. - Exercice 1

1 h
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Soit EE un R\mathbb{R}-espace vectoriel de dimension trois.
On désigne l'élément identité de EE par IdE\mathrm{Id}_E.
Soit uL(E)u \in \mathcal{L}(E) représentée, dans une certaine base B\mathcal{B} de EE, par la matrice AA suivante :
A=(341111032)A = \begin{pmatrix} 3 & 4 & -1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 0 & 3 & 2 \end{pmatrix}
Question 1

Déterminer les éléments propres de uu.
Ceci signifie qu'il vous faut déterminer l'ensemble des valeurs propres de AA (c'est-à-dire le spectre SpR(A)\mathrm{Sp}_{\mathbb{R}}(A)) et les vecteurs propres associés.

Correction
Soit λ\lambda une valeur propre réelle de uu.
Le polynôme caractéristique est donné par :
P(λ)=det(AλI3)=det((341111032)λ(100010001))=det((341111032)+(λ000λ000λ))P(\lambda) = \det(A - \lambda I_3) = \det \left( \begin{pmatrix} 3 & 4 & -1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 0 & 3 & 2 \end{pmatrix} - \lambda \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \right) = \det \left( \begin{pmatrix} 3 & 4 & -1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 0 & 3 & 2 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} - \lambda & 0 & 0 \\ 0 & - \lambda & 0 \\ 0 & 0 & - \lambda \end{pmatrix} \right)
Soit :
P(λ)=det((3λ4111λ1032λ))=3λ4111λ1032λP(\lambda) = \det \left( \begin{pmatrix} 3- \lambda & 4 & -1 \\ -1 & 1- \lambda & 1 \\ 0 & 3 & 2- \lambda \end{pmatrix} \right) = \begin{vmatrix} 3- \lambda & 4 & -1 \\ -1 & 1- \lambda & 1 \\ 0 & 3 & 2- \lambda \end{vmatrix}
Si on effectue la substitution C1C1+C3C_1 \longleftarrow C_1 + C_3 on obtient alors :
P(λ)=2λ4101λ12λ32λP(\lambda) = \begin{vmatrix} 2- \lambda & 4 & -1 \\ 0 & 1- \lambda & 1 \\ 2-\lambda & 3 & 2- \lambda \end{vmatrix}
En factorisant par le terme 2λ2-\lambda issu de la première colonne, on obtient :
P(λ)=(2λ)×14101λ1132λP(\lambda) = (2- \lambda) \times \begin{vmatrix} 1 & 4 & -1 \\ 0 & 1- \lambda & 1 \\ 1 & 3 & 2- \lambda \end{vmatrix}
Si on effectue maintenant la substitution L3L3L1L_3 \longleftarrow L_3 - L_1 alors on obtient :
P(λ)=(2λ)×14101λ1013λP(\lambda) = (2- \lambda) \times \begin{vmatrix} 1 & 4 & -1 \\ 0 & 1- \lambda & 1 \\ 0 & -1 & 3-\lambda \end{vmatrix}
On va donc développer le déterminant trouvé selon la première colonne. On a alors :
P(λ)=(2λ)×(1)1+1×1×1λ113λ=(2λ)×1λ113λP(\lambda) = (2- \lambda) \times (-1)^{1+1} \times 1 \times \begin{vmatrix} 1- \lambda & 1 \\ -1 & 3-\lambda \end{vmatrix} = (2- \lambda) \times \begin{vmatrix} 1- \lambda & 1 \\ -1 & 3-\lambda \end{vmatrix}
Donc :
P(λ)=(2λ)×((1λ)×(3λ)(1)×1)=(2λ)×((1λ)×(3λ)+1)P(\lambda) = (2- \lambda) \times \big( (1-\lambda) \times (3-\lambda) - (-1) \times 1 \big) = (2- \lambda) \times \big( (1-\lambda) \times (3-\lambda) + 1 \big)
Soit :
P(λ)=(2λ)×(λ24λ+1)=(2λ)×(λ2)2=(2λ)×(1)2(λ2)2=(2λ)×(2λ)2P(\lambda) = (2- \lambda) \times \big( \lambda^2 -4\lambda + 1 \big) = (2- \lambda) \times (\lambda - 2)^2 = (2- \lambda) \times (-1)^2(\lambda - 2)^2 = (2- \lambda) \times (2 - \lambda)^2
Finalement, on trouve que :
P(λ)=(2λ)3P(\lambda) = (2- \lambda)^3
De fait :
P(λ)=0(2λ)3=02λ=0λ=2P(\lambda) = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, (2- \lambda)^3 = 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, 2- \lambda = 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \lambda = 2
Donc uu présente une seule valeur propre λ=2\lambda = 2 et qui est triplement dégénérée. On a alors :
SpR(A)={2}\mathrm{Sp}_{\mathbb{R}}(A)= \{\, 2 \,\}
Notons par xx un vecteur propre. Afin de déterminer le sous-espace propre associé, noté V(2)V(2), utilisons sa définition :
V(2)=ker(u2IdE)={u(x)=2xxE}V(2) = \ker(u -2\mathrm{Id}_E)= \left\lbrace \, u(x) = 2x\, | \, x \in E \, \right\rbrace
Introduisons la représentation matricielle XX du vecteur propre xx dans la base B\mathcal{B} de EE suivante :
X=(abc)avec(a;b;c)R3X = \begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} \,\,\,\,\, \mathrm{avec} \, (a \,;\, b \,;\, c) \in \mathbb{R}^3
En utilisant la représentation matricielle on a alors :
AX=2XAX2X=O3;1(A2I3)X=O3;1A X = 2X \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, AX - 2X = \mathcal{O}_{3\,;\,1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, (A - 2I_3)X = \mathcal{O}_{3\,;\,1}
Soit :
((341111032)2(100010001))(abc)=(000)(324111210322)(abc)=(000)\left( \begin{pmatrix} 3 & 4 & -1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 0 & 3 & 2 \end{pmatrix} - 2 \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \right) \begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \begin{pmatrix} 3-2 & 4 & -1 \\ -1 & 1-2 & 1 \\ 0 & 3 & 2-2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
Soit encore :
(141111030)(abc)=(000)\begin{pmatrix} 1 & 4 & -1 \\ -1 & -1 & 1 \\ 0 & 3 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
Ce qui nous donne le système linéaire suivant :
{ac=0a+c=0b=0{aRb=0c=a\left\lbrace \begin{array}{rcl} a - c & = & 0 \\ -a + c & = & 0 \\ b & = & 0 \\\end{array} \right. \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} a & \in & \mathbb{R} \\ b & = & 0 \\ c & = & a \\\end{array} \right.
Donc :
X=(a0a)avecaRX = \begin{pmatrix} a \\ 0 \\ a \end{pmatrix} \,\,\,\,\, \mathrm{avec} \, a \in \mathbb{R}
Soit encore :
X=a(101)avecaRX = a\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \,\,\,\,\, \mathrm{avec} \, a \in \mathbb{R}
De fait, on peut en conclure que :
V(2)=Vect{(101)}V(2) = \mathrm{Vect}\left\lbrace \, \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \, \right\rbrace
Question 2

L'endomorphisme uu est-il diagonalisable ? Justifier votre réponse.

Correction
Effectuons un raisonnement par l'absurde. Supposons que l'endomorphisme étudié uu soit effectivement diagonalisable.
Si uu est diagonalisable alors il existe une matrice PP inversible appartenant à M3(R)\mathcal{M}_3(\mathbb{R}) telle que nous ayons :
P1AP=(200020002)P^{-1} A P = \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}
Soit :
P1AP=2(100010001)P^{-1} A P = 2 \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}
Soit encore :
P1AP=2I3P^{-1} A P = 2 I_3
Ainsi :
PP1APP1=P2I3P1I3AI3=P2P1I3A=2PP1A=2I3PP^{-1} A PP^{-1} = P 2 I_3P^{-1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, I_3 A I_3 = P 2 P^{-1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, I_3 A = 2P P^{-1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, A = 2I_3
On trouve alors que :
A=(200020002)A = \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}
Ceci est clairement en contradiction avec la définition de AA par l'énoncé, puisque A=(341111032)A = \begin{pmatrix} 3 & 4 & -1 \\ -1 & 1 & 1 \\ 0 & 3 & 2 \end{pmatrix}. De fait, notre supposition initiale est fausse.
En conclusion, l'endomorphisme étudié uu n'est pas diagonalisable.