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Soit A∈Mn(R)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) une matrice stochastique.

  1. Soit N∈Mn(C)N \in \mathcal{M}_n(\mathbb{C}) une matrice nilpotente. On suppose que la suite ((In+N)k)k∈N((I_n + N)^k)_{k \in \mathbb{N}} est bornée. Montrer que N=0N=0.
  2. Soit λ\lambda une valeur propre de AA de module 11. Montrer que le sous-espace caractéristique associé à λ\lambda, noté Cλ(A)C_\lambda(A), est égal au sous-espace propre Eλ(A)E_\lambda(A).
  3. On suppose dans cette question que tous les coefficients de AA sont strictement positifs. Montrer que la suite (Ak)k∈N(A^k)_{k \in \mathbb{N}} converge vers une matrice de rang 1 dont toutes les lignes sont égales.
  4. Donner un exemple de matrice stochastique telle que la suite (Ak)(A^k) diverge.

1.

Pour la question 1, utiliser le développement du binôme de Newton et considérer l'indice de nilpotence.

2.

Pour la question 2, utiliser le fait que (Ak)(A^k) est bornée pour toute matrice stochastique.

3.

Pour la question 3, utiliser la décomposition de Dunford (ou la réduction de la matrice) et le fait que 1 est l'unique valeur propre de module 1 et qu'elle est simple.

Idées clés

•

Une matrice MM telle que (Mk)(M^k) est bornée a ses valeurs propres de module ≤1\le 1, et celles de module 1 sont de multiplicité égale dans le polynôme minimal et le polynôme caractéristique (pas de blocs de taille >1>1).

•

Convergence des suites géométriques complexes.

Résolution.

  1. Supposons N≠0N \neq 0. Soit p≥2p \ge 2 l'indice de nilpotence de NN (Np=0N^p=0 et Np−1≠0N^{p-1} \neq 0). Pour k≥p−1k \ge p-1, le binôme de Newton donne :
    (I+N)k=∑j=0p−1(kj)Nj=I+kN+⋯+(kp−1)Np−1(I+N)^k = \sum_{j=0}^{p-1} \binom{k}{j} N^j = I + k N + \dots + \binom{k}{p-1} N^{p-1}
    Le terme prédominant en norme est (kp−1)Np−1\binom{k}{p-1} N^{p-1} car c'est un polynôme en kk de degré p−1p-1. Comme Np−1≠0N^{p-1} \neq 0, la norme ∥(I+N)k∥\|(I+N)^k\| tend vers +∞+\infty quand k→+∞k \to +\infty. Par contraposée, si la suite est bornée, alors p−1=0p-1=0, donc p=1p=1 et :
    N=0\boxed{N = 0}

  2. Soit AA une matrice stochastique. On remarque que pour tout kk, AkA^k est encore stochastique (le produit de deux matrices stochastiques l'est). Comme les coefficients de AkA^k sont dans [0,1][0,1], la suite (Ak)k∈N(A^k)_{k \in \mathbb{N}} est bornée dans Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}). Soit λ∈Sp(A)\lambda \in \text{Sp}(A) avec ∣λ∣=1|\lambda|=1. Dans une base adaptée à la décomposition de Dunford, la restriction de AA à Cλ(A)C_\lambda(A) s'écrit λI+N\lambda I + N avec NN nilpotente. Alors la restriction de AkA^k est (λI+N)k=λk(I+λ−1N)k(\lambda I + N)^k = \lambda^k (I + \lambda^{-1} N)^k. Puisque ∣λ∣=1|\lambda|=1, la suite (λk(I+λ−1N)k)(\lambda^k (I + \lambda^{-1} N)^k) est bornée si et seulement si (I+λ−1N)k(I + \lambda^{-1} N)^k l'est. D'après la question 1, λ−1N=0\lambda^{-1} N = 0, donc N=0N=0. Ainsi :
    Cλ(A)=Eλ(A)\boxed{C_\lambda(A) = E_\lambda(A)}

  3. Si A>0A > 0, d'après l'exercice précédent, Sp(A)∩U={1}\text{Sp}(A) \cap \mathbb{U} = \{1\} et dim⁡E1(A)=1\dim E_1(A) = 1. De plus, d'après la question 2, la multiplicité de 11 dans le polynôme minimal est 1. On peut donc écrire AA sous la forme A=Pdiag(1,λ2,…,λn)P−1A = P \text{diag}(1, \lambda_2, \dots, \lambda_n) P^{-1} avec ∣λi∣<1|\lambda_i| < 1 pour i≥2i \ge 2 (en passant éventuellement par une forme trigonalisée puisque CλiC_{\lambda_i} peut avoir une dimension >1>1, mais les blocs de Jordan sont de taille 1 pour ∣λ∣=1|\lambda|=1 et les autres puissances tendent vers 0). Alors Ak=Pdiag(1,λ2k,…,λnk)P−1→k→+∞Pdiag(1,0,…,0)P−1=LA^k = P \text{diag}(1, \lambda_2^k, \dots, \lambda_n^k) P^{-1} \xrightarrow[k \to +\infty]{} P \text{diag}(1, 0, \dots, 0) P^{-1} = L. La matrice LL est de rang 1. Comme AkU=UA^k U = U, on a LU=ULU = U, et comme les lignes de AkA^k somment à 1, celles de LL aussi.
    Ak→L avec rg(L)=1\boxed{A^k \to L \text{ avec } \text{rg}(L)=1}

  4. Soit A=(0110)A = \begin{pmatrix} 0 & 1
    1 & 0 \end{pmatrix}
    . AA est stochastique. On a A2k=I2A^{2k} = I_2 et A2k+1=AA^{2k+1} = A. La suite (Ak)(A^k) diverge.

Ne pas dire que AA est diagonalisable. Elle l'est pour les valeurs propres de module 1, mais elle peut avoir des blocs de Jordan pour des valeurs propres de module strictement inférieur à 1. Cependant, ces blocs tendent vers 0.