Diagonalisation

Exercice 6 - Exercice 1

30 min
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Toujours de l'entrainement !
Question 1
Soit EE un espace vectoriel réel de dimension 3 et B=(e1;e2;e3)B=\left(e_1 ; e_2 ; e_3\right) une base de EE. Soit ff l'endomorphisme de EE défini par :
f:{f(e1)=3e1+2e2+e3f(e2)=e1+0e2e3f(e3)=e1+e2+2e3f:\left\{\begin{array}{l} f\left(e_1\right)=3 e_1+2 e_2+e_3 \\ f\left(e_2\right)=-e_1+0 e_2-e_3 \\ f\left(e_3\right)=e_1+e_2+2 e_3 \end{array}\right.

L'endomorphisme ff est-il diagonalisable ?

Correction
Dans la base BB, la matrice ABfA_B^f qui est associée à cet endomorphisme ff est (le rangement des vecteurs s'effectue en colonne) :
ABf=(311201112)A_B^f = \left(\begin{array}{ccc} 3 & -1 & 1 \\ 2 & 0 & 1 \\ 1 & -1 & 2 \end{array}\right)
On a alors le polynôme caractéristique suivant :
Pf3(λ)=det(ABfλI3)\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=\operatorname{det}\left(A_B^f-\lambda \mathbb{I}_3\right)
Soit :
Pf3(λ)=3λ112λ1112λ\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=\left|\begin{array}{ccc} 3-\lambda & -1 & 1 \\ 2 & -\lambda & 1 \\ 1 & -1 & 2-\lambda \end{array}\right|
En développant sur la 1ieˋre 1^{\text {ière }} colonne, on a :
D'où :
Pf3(λ)=(3λ)(λ(2λ)+1)2((2λ)+1)+1(1+λ)\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(3-\lambda)(-\lambda(2-\lambda)+1)-2(-(2-\lambda)+1)+1(-1+\lambda)
Ainsi :
Pf3(λ)=(3λ)(λ22λ+1)2(λ1)+λ1\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(3-\lambda)\left(\lambda^2-2 \lambda+1\right)-2(\lambda-1)+\lambda-1
Soit encore :
Pf3(λ)=(3λ)(λ1)22(λ1)+λ1\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(3-\lambda)(\lambda-1)^2-2(\lambda-1)+\lambda-1
En factorisant par λ1\lambda-1, il vient :
Pf3(λ)=(λ1)[(3λ)(λ1)2+1]\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(\lambda-1)[(3-\lambda)(\lambda-1)-2+1]
Dès lors, on a :
Pf3(λ)=(λ1)[(3λ)(λ1)1]\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(\lambda-1)[(3-\lambda)(\lambda-1)-1]
Ou encore :
Pf3(λ)=(λ1)[3λ3λ2+λ1]\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(\lambda-1)\left[3 \lambda-3-\lambda^2+\lambda-1\right]
Ce qui nous conduit à :
Pf3(λ)=(λ1)[λ2+4λ4]\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(\lambda-1)\left[-\lambda^2+4 \lambda-4\right]
Soit :
Pf3(λ)=(λ1)[λ24λ+4]\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=-(\lambda-1)\left[\lambda^2-4 \lambda+4\right]
Finalement :
Pf3(λ)=(1)3(λ1)1(λ2)2\mathcal{P}_{f-3}(\lambda)=(-1)^3(\lambda-1)^1(\lambda-2)^2
D’après la forme du polynôme caractéristique, les valeurs propres de l’endomorphisme ff sont :
λ=2\bullet \,\, λ=2 qui est dégénérée 22 fois, donc sa multiplicité est d2=2d_2 = 2 ;
λ=1\bullet \bullet \,\, λ=1 qui n’est pas dégénérée, donc sa multiplicité est d1=1d_1=1.
\longrightarrow \,\, Cas λ=1λ=1 qui n’est pas dégénérée :
On note par E1E_1 le sous espace associé à λ=1λ=1. La dimension du sous-espace associé à une valeur propre simple est nécessairement égale à 11, donc la dimension de E1E_1 est égale à 11. D’où :
dimE1=1\dim⁡ E_1 =1
Soit :
dimE1=d1\dim⁡ E_1 = d_1
\longrightarrow \,\, Cas λ=2λ=2 qui est dégénérée 22 fois :
On note par E2E_2 le sous espace associé à λ=2λ=2 et déterminons sa dimension.
On pose v=v1e1+v2e2+v3e3v=v_1 e_1+v_2 e_2+v_3 e_3 avec (v1;v2;v3)R3(v_1 \,;\, v_2 \,;\, v_3 ) \in \mathbb{R}^3. Ainsi, on est amené à résoudre le système suivant :
(ABf2I3)v=O3(A_B^f - 2 \mathbb{I}_3 )v = \mathbb{O}_3
Soit :
(321120211122)(v1v2v1)=(000)(111221110)(v1v2v3)=(000)\left(\begin{array}{ccc} 3-2 & -1 & 1 \\ 2 & 0-2 & 1 \\ 1 & -1 & 2-2 \end{array}\right)\left(\begin{array}{l} v_1 \\ v_2 \\ v_1 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right) \Longleftrightarrow\left(\begin{array}{ccc} 1 & -1 & 1 \\ 2 & -2 & 1 \\ 1 & -1 & 0\end{array} \right) \left(\begin{array}{l} v_1 \\ v_2 \\ v_3 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right)
Cette équation équivaut à :
{v12v2+v3=02v12v2+v3=0v1v2+0v3=0\left\{\begin{array}{rcl} v_1 - 2v_2 + v_3 & = & 0 \\ 2v_1 - 2v_2 + v_3 & = & 0 \\ v_1 - v_2 + 0v_3 & = & 0\end{array} \right.
La troisième ligne permet d’écrire que v1=v2v_1=v_2, ce qui implique que le système précédent devient :
{v3=0v3=0v1=v2\left\{ \begin{array}{rcl} v_3 & = & 0 \\ v_3 & = & 0 \\ v_1 & = & v_2 \end{array} \right.
Ainsi, on peut écrire :
v=v1(e1+e2)+0e3v = v_1 (e_1 + e_2) + 0 e_3
Finalement :
v=v1(e1+e2)v=v_1 (e_1 + e_2)
Ainsi :
E2=vect{(110)}E_2 = \mathrm{vect} \left\lbrace \, \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} \, \right\rbrace
Ainsi :
dimE2=1\dim E_2 = 1
Et donc :
dimE2d2\dim E_2 \neq d_2
On en déduit immédiatement que l’endomorphisme ff n’est pas diagonalisable.