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Soit nNn \in \mathbb{N}^* et K\mathbb{K} un corps (R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}). On s'intéresse à la structure topologique du groupe général linéaire GLn(K)GL_n(\mathbb{K}) muni de la topologie induite par une norme quelconque sur Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}).

  1. Cas complexe : Démontrer que GLn(C)GL_n(\mathbb{C}) est connexe par arcs.
  2. Cas réel :
    1. À l'aide de l'application déterminant, établir que GLn(R)GL_n(\mathbb{R}) n'est pas connexe par arcs.
    2. On considère l'ensemble GLn+(R)={MGLn(R)det(M)>0}GL_n^+(\mathbb{R}) = \{ M \in GL_n(\mathbb{R}) \mid \det(M) > 0 \}. En utilisant la génération de SLn(R)SL_n(\mathbb{R}) par les matrices de transvection, montrer que GLn+(R)GL_n^+(\mathbb{R}) est connexe par arcs.
    3. Déterminer alors les composantes connexes par arcs de GLn(R)GL_n(\mathbb{R}).

1.

Pour le cas complexe, utiliser la trigonalisation pour ramener le problème aux matrices diagonales, puis utiliser la connexité par arcs de C\mathbb{C}^*.

2.

Pour GLn(R)GL_n(\mathbb{R}), l'image d'un connexe par arcs par une application continue est un connexe par arcs.

3.

Pour GLn+(R)GL_n^+(\mathbb{R}), se souvenir qu'une transvection T=In+λEi,jT = I_n + \lambda E_{i,j} peut être reliée à l'identité par le chemin γ(t)=In+tλEi,j\gamma(t) = I_n + t\lambda E_{i,j}.

4.

Toute matrice de GLn+(R)GL_n^+(\mathbb{R}) peut s'écrire comme produit de transvections et d'une matrice de dilatation diag(1,,1,detM)\text{diag}(1, \dots, 1, \det M).

Idées clés

Réduction (trigonalisation) pour simplifier la structure des matrices.

Utilisation de l'application déterminant (continue) comme invariant topologique.

Décomposition d'une matrice en opérations élémentaires (transvections) pour construire un chemin continu.

Résolution.

  1. Étude de GLn(C)GL_n(\mathbb{C)} Soit AGLn(C)A \in GL_n(\mathbb{C}). Puisque le polynôme caractéristique de AA est scindé sur C\mathbb{C}, la matrice AA est trigonalisable. Il existe donc PGLn(C)P \in GL_n(\mathbb{C}) et une matrice triangulaire supérieure TT telles que :
    A=PTP1A = P T P^{-1}
    On décompose T=D+NT = D + ND=diag(λ1,,λn)D = \text{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n) est la partie diagonale et NN est strictement triangulaire. Considérons le chemin continu γ1:[0,1]GLn(C)\gamma_1 : [0,1] \to GL_n(\mathbb{C}) défini par :
    γ1(t)=P(D+(1t)N)P1\gamma_1(t) = P (D + (1-t)N) P^{-1}
    Ce chemin est bien dans GLn(C)GL_n(\mathbb{C}) car det(γ1(t))=i=1nλi=det(A)0\det(\gamma_1(t)) = \prod_{i=1}^n \lambda_i = \det(A) \neq 0. On a γ1(0)=A\gamma_1(0) = A et γ1(1)=PDP1\gamma_1(1) = P D P^{-1}. Ainsi AA est reliée à une matrice diagonale. Comme C=C{0}\mathbb{C}^* = \mathbb{C} \setminus \{0\} est connexe par arcs, pour chaque i{1,,n}i \in \{1, \dots, n\}, il existe un chemin continu fi:[0,1]Cf_i : [0,1] \to \mathbb{C}^* tel que fi(0)=λif_i(0) = \lambda_i et fi(1)=1f_i(1) = 1. On définit alors le chemin γ2:[0,1]GLn(C)\gamma_2 : [0,1] \to GL_n(\mathbb{C}) par :
    γ2(t)=Pdiag(f1(t),,fn(t))P1\gamma_2(t) = P \text{diag}(f_1(t), \dots, f_n(t)) P^{-1}
    Ce chemin relie PDP1P D P^{-1} à PInP1=InP I_n P^{-1} = I_n. Par transitivité, tout élément de GLn(C)GL_n(\mathbb{C}) est relié à InI_n.
    GLn(C) est connexe par arcs.\boxed{GL_n(\mathbb{C}) \text{ est connexe par arcs.}}

  2. Étude de GLn(R)GL_n(\mathbb{R)}

    1. L'application det:Mn(R)R\det : \mathcal{M}_n(\mathbb{R}) \to \mathbb{R} est continue (car polynomiale en les coefficients). Par restriction, det:GLn(R)R\det : GL_n(\mathbb{R}) \to \mathbb{R}^* est également continue. Si GLn(R)GL_n(\mathbb{R}) était connexe par arcs, son image par le déterminant, qui est R=],0[]0,+[\mathbb{R}^* = ]-\infty, 0[ \cup ]0, +\infty[, serait également connexe par arcs. Or, R\mathbb{R}^* n'est pas connexe par arcs (une fonction continue sur [0,1][0,1] à valeurs dans R\mathbb{R}^* ne peut pas changer de signe sans s'annuler d'après le théorème des valeurs intermédiaires).
      GLn(R) n’est pas connexe par arcs.\boxed{GL_n(\mathbb{R}) \text{ n'est pas connexe par arcs.}}

    2. Soit MGLn+(R)M \in GL_n^+(\mathbb{R}). D'après l'algorithme du pivot de Gauss, MM peut être transformée en une matrice diagonale D=diag(1,,1,detM)D = \text{diag}(1, \dots, 1, \det M) par une suite d'opérations élémentaires de transvection. Cela signifie qu'il existe des matrices de transvection T1,,TkT_1, \dots, T_k telles que :
      M=T1Tkdiag(1,,1,detM)M = T_1 \dots T_k \text{diag}(1, \dots, 1, \det M)
      Rappelons qu'une transvection Ti,j(λ)=In+λEi,jT_{i,j}(\lambda) = I_n + \lambda E_{i,j} (avec iji \neq j) est reliée à InI_n par le chemin continu tIn+tλEi,jt \mapsto I_n + t\lambda E_{i,j} qui reste dans SLn(R)GLn+(R)SL_n(\mathbb{R}) \subset GL_n^+(\mathbb{R}). Posons d=detM>0d = \det M > 0. La matrice D=diag(1,,1,d)D = \text{diag}(1, \dots, 1, d) est reliée à InI_n par le chemin :
      δ(t)=diag(1,,1,(1t)d+t1)\delta(t) = \text{diag}(1, \dots, 1, (1-t)d + t \cdot 1)
      Ce chemin reste dans GLn+(R)GL_n^+(\mathbb{R}) car (1t)d+t>0(1-t)d + t > 0 pour tout t[0,1]t \in [0,1] (combinaison convexe de réels strictement positifs). Comme produit de chemins continus dans GLn+(R)GL_n^+(\mathbb{R}), MM est reliée à InI_n.
      GLn+(R) est connexe par arcs.\boxed{GL_n^+(\mathbb{R}) \text{ est connexe par arcs.}}

    3. On a montré que GLn+(R)GL_n^+(\mathbb{R}) est connexe par arcs. Considérons GLn(R)={MGLn(R)det(M)<0}GL_n^-(\mathbb{R}) = \{ M \in GL_n(\mathbb{R}) \mid \det(M) < 0 \}. L'application ϕ:Mdiag(1,1,,1)M\phi : M \mapsto \text{diag}(-1, 1, \dots, 1) \cdot M est un homéomorphisme de GLn(R)GL_n(\mathbb{R}) qui échange GLn+(R)GL_n^+(\mathbb{R}) et GLn(R)GL_n^-(\mathbb{R}). La connexité par arcs étant préservée par homéomorphisme, GLn(R)GL_n^-(\mathbb{R}) est aussi connexe par arcs. Comme GLn(R)=GLn+(R)GLn(R)GL_n(\mathbb{R}) = GL_n^+(\mathbb{R}) \cup GL_n^-(\mathbb{R}) et que ces deux ensembles sont ouverts et disjoints :
      Les composantes connexes par arcs sont GLn+(R) et GLn(R).\boxed{\text{Les composantes connexes par arcs sont } GL_n^+(\mathbb{R}) \text{ et } GL_n^-(\mathbb{R}).}

Attention à ne pas dire que GLn(R)GL_n(\mathbb{R}) est connexe par arcs sous prétexte que "les matrices sont presque toutes inversibles". La densité ne garantit pas la connexité. L'argument du déterminant est imparable.