WikiPrépaLivrets

Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et A∈Mn(C)A \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{C}). On suppose que la suite des puissances de AA, notée (Ak)k∈N\left(A^{k}\right)_{k \in \mathbb{N}}, est une suite bornée de l'espace vectoriel normé Mn(C)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{C}).

Montrer qu'il existe une unique matrice de projecteur P∈Mn(C)P \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{C}) qui soit une valeur d'adhérence de la suite (Ak)k∈N\left(A^{k}\right)_{k \in \mathbb{N}}.

1.

Commencer par caractériser les valeurs propres de AA et la nature du polynôme minimal à l'aide de l'hypothèse de bornitude.

2.

Utiliser le lemme des noyaux pour décomposer Cn\mathbb{C}^n en sous-espaces stables selon le module des valeurs propres (égales à 1 ou strictement inférieures à 1).

3.

Pour l'existence, considérer l'adhérence de l'ensemble des puissances d'une matrice diagonale dont les éléments sont de module 1 et montrer que cet ensemble contient l'identité.

4.

Pour l'unicité, examiner les valeurs propres possibles d'une valeur d'adhérence qui serait un projecteur.

Idées clés

•

Lien entre bornitude de (Ak)(A^k) et réduction : ρ(A)≤1\rho(A) \leq 1 et les valeurs propres de module 1 sont des racines simples du polynôme minimal.

•

Utilisation de la décomposition de Dunford ou d'une forme diagonale par blocs.

•

Propriété des groupes compacts de matrices : l'adhérence d'un sous-groupe engendré par une matrice de module spectral 1 contient l'identité.

1. Analyse de la structure de AA.

Puisque la suite (Ak)k∈N(A^k)_{k \in \mathbb{N}} est bornée, ses valeurs propres λ∈Sp(A)\lambda \in \text{Sp}(A) vérifient nécessairement ∣λ∣≤1|\lambda| \leq 1.

De plus, si ∣λ∣=1|\lambda| = 1, alors λ\lambda doit être un pôle simple du polynôme minimal de AA (sinon, les termes de la forme (kj)λk−j\binom{k}{j}\lambda^{k-j} dans la réduction de Jordan ou les puissances de la partie nilpotente feraient diverger la norme de AkA^k).

Par le lemme des noyaux, on peut ainsi décomposer Cn\mathbb{C}^n en :

Cn=ker⁡(A−I)⊕⨁λ∈Sp(A)∖{1}∣λ∣=1ker⁡(A−λI)⊕E<1\mathbb{C}^n = \ker(A - I) \oplus \bigoplus_{\substack{\lambda \in \text{Sp}(A) \setminus \{1\}
|\lambda| = 1}} \ker(A - \lambda I) \oplus E_{<1}

où E<1E_{<1} est la somme des sous-espaces caractéristiques associés aux valeurs propres de module strictement inférieur à 1.

Il existe donc une matrice inversible Q∈GLn(C)Q \in GL_n(\mathbb{C}) telle que :

A=Q(Ip000Ω000B)Q−1\boxed{ A = Q \begin{pmatrix} I_p & 0 & 0
0 & \Omega & 0
0 & 0 & B \end{pmatrix} Q^{-1} }

où :

  • IpI_p est la matrice identité d'ordre p=dim⁡(ker⁡(A−I))p = \dim(\ker(A-I)).
  • Ω=diag(λ1,…,λr)\Omega = \text{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_r) avec ∣λj∣=1|\lambda_j| = 1 et λj≠1\lambda_j \neq 1.
  • BB est une matrice dont le rayon spectral vérifie ρ(B)<1\rho(B) < 1, ce qui implique Bk→k→∞0B^k \xrightarrow{k \to \infty} 0.

2. Identification des valeurs d'adhérence.

Soit Mk=diag(Ip,Ωk,Bk)M_k = \text{diag}(I_p, \Omega^k, B^k). Les valeurs d'adhérence de (Ak)(A^k) sont de la forme :

L=Q(Ip000Ω∞0000)Q−1L = Q \begin{pmatrix} I_p & 0 & 0
0 & \Omega_\infty & 0
0 & 0 & 0 \end{pmatrix} Q^{-1}

où Ω∞\Omega_\infty est une valeur d'adhérence de la suite (Ωk)k∈N(\Omega^k)_{k \in \mathbb{N}}.

Comme chaque λj\lambda_j est de module 1, les éléments diagonaux de Ω∞\Omega_\infty sont également de module 1.

3. Existence du projecteur.

Considérons l'ensemble G={Ωk,k∈N}‾G = \overline{ \{ \Omega^k, k \in \mathbb{N} \} }. C'est un sous-groupe compact de GLr(C)GL_r(\mathbb{C}). En effet, il est fermé par construction et borné, donc compact. Il est stable par produit.

Pour tout U∈GU \in G, la suite (Um)m∈N(U^m)_{m \in \mathbb{N}} possède une valeur d'adhérence dans GG. Par un argument classique sur les semi-groupes compacts, cela implique que GG est un groupe.

En particulier, la matrice identité IrI_r appartient à GG. Il existe donc une sous-suite (km)(k_m) telle que Ωkm→m→∞Ir\Omega^{k_m} \xrightarrow{m \to \infty} I_r. La valeur d'adhérence correspondante pour AkA^k est :

P=Q(Ip000Ir0000)Q−1\boxed{ P = Q \begin{pmatrix} I_p & 0 & 0
0 & I_r & 0
0 & 0 & 0 \end{pmatrix} Q^{-1} }

On vérifie immédiatement que P2=PP^2 = P, donc PP est un projecteur.

4. Unicité du projecteur.

Supposons que LL soit une valeur d'adhérence de (Ak)(A^k) qui soit un projecteur. D'après la forme générale trouvée au point 2, LL est semblable à diag(Ip,Ω∞,0)\text{diag}(I_p, \Omega_\infty, 0).

Pour que LL soit un projecteur, il faut que L2=LL^2 = L, soit :

diag(Ip,Ω∞2,0)=diag(Ip,Ω∞,0)  ⟹  Ω∞2=Ω∞\text{diag}(I_p, \Omega_\infty^2, 0) = \text{diag}(I_p, \Omega_\infty, 0) \implies \Omega_\infty^2 = \Omega_\infty

Or, les éléments diagonaux ωj\omega_j de Ω∞\Omega_\infty vérifient ωj2=ωj\omega_j^2 = \omega_j, donc ωj∈{0,1}\omega_j \in \{0, 1\}. Mais nous avons établi que ∣ωj∣=1|\omega_j| = 1, ce qui impose ωj=1\omega_j = 1 pour tout jj.

Ainsi, Ω∞=Ir\Omega_\infty = I_r, ce qui montre que :

L=P\boxed{ L = P }

Le projecteur valeur d'adhérence est donc unique.

Ne pas oublier de traiter le cas des valeurs propres de module 1. Si on suppose seulement ρ(A)≤1\rho(A) \leq 1, la suite n'est pas forcément bornée (cas des blocs de Jordan de taille >1>1). L'énoncé assure la bornitude, ce qui garantit la diagonalisabilité pour les valeurs propres de module 1.