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Soit nNn \in \mathbb{N}^* et MMn(C)M \in M_{n}(\mathbb{C}). On note C[M]\mathbb{C}[M] l'algèbre des polynômes en MM et on considère l'ensemble des éléments involutifs de cette algèbre :

IM={AC[M]A2=In}I_{M} = \left\{ A \in \mathbb{C}[M] \mid A^{2} = I_{n} \right\}

  1. Dans cette question, on suppose que la matrice MM est diagonalisable.
    1. Déterminer la dimension de l'espace vectoriel C[M]\mathbb{C}[M].
    2. Déterminer le nombre d'éléments de l'ensemble IMI_{M}.

  2. On suppose dans cette question que la matrice MM est nilpotente. Déterminer explicitement l'ensemble IMI_{M}.

  3. Dans le cas général, exprimer le cardinal de IMI_{M} en fonction des propriétés spectrales de MM.

1.

Pour la question 1, utiliser le lien entre la dimension de C[M]\mathbb{C}[M] et le degré du polynôme minimal de MM. Pour le cardinal de IMI_M, on pourra utiliser une base de diagonalisation ou l'isomorphisme issu du théorème des restes chinois.

2.

Pour la question 2, si A=P(M)A = P(M) avec A2=IA^2 = I, utiliser le fait que P21P^2 - 1 doit être annulé par MM. Étudier les racines de ce polynôme.

3.

Pour la question 3, généraliser le raisonnement à l'aide de la décomposition de Dunford ou du théorème des restes chinois appliqué au polynôme minimal de MM.

Idées clés

Lien entre C[M]\mathbb{C}[M] et le polynôme minimal μM\mu_M.

Théorème des restes chinois pour les polynômes.

Propriétés des polynômes annulateurs et décomposition spectrale.

Résolution.

  1. Supposons MM diagonalisable.
    1. On sait que la dimension de l'algèbre C[M]\mathbb{C}[M] est égale au degré du polynôme minimal de MM, noté μM\mu_M. Comme MM est diagonalisable, son polynôme minimal est scindé à racines simples sur C\mathbb{C}. Ces racines sont exactement les valeurs propres distinctes de MM. Notons pp le nombre de valeurs propres distinctes de MM, que l'on appelle λ1,,λp\lambda_1, \dots, \lambda_p. On a alors μM=i=1p(Xλi)\mu_M = \prod_{i=1}^p (X - \lambda_i). Par conséquent :
      dim(C[M])=p\boxed{\dim(\mathbb{C}[M]) = p}

    2. Un élément AC[M]A \in \mathbb{C}[M] s'écrit A=P(M)A = P(M)PC[X]P \in \mathbb{C}[X]. La condition A2=InA^2 = I_n équivaut à P(M)2In=0P(M)^2 - I_n = 0, soit (P21)(M)=0(P^2 - 1)(M) = 0. Cela signifie que le polynôme minimal μM\mu_M divise le polynôme P21=(P1)(P+1)P^2 - 1 = (P-1)(P+1). Puisque μM=i=1p(Xλi)\mu_M = \prod_{i=1}^p (X - \lambda_i), chaque facteur (Xλi)(X - \lambda_i) doit diviser soit (P1)(P-1), soit (P+1)(P+1), mais pas les deux simultanément car (P+1)(P1)=2(P+1) - (P-1) = 2 (les polynômes P1P-1 et P+1P+1 n'ont pas de racine commune). Pour chaque valeur propre λi\lambda_i, on a donc deux choix : P(λi)=1P(\lambda_i) = 1 ou P(λi)=1P(\lambda_i) = -1. D'après le théorème d'interpolation de Lagrange, pour n'importe quel choix de valeurs (ϵ1,,ϵp){1,1}p(\epsilon_1, \dots, \epsilon_p) \in \{-1, 1\}^p, il existe un unique polynôme PP de degré inférieur à pp tel que P(λi)=ϵiP(\lambda_i) = \epsilon_i pour tout ii. Ainsi, il y a autant d'éléments dans IMI_M que de pp-uplets de signes possibles.
      card(IM)=2p\boxed{\text{card}(I_M) = 2^p}

  2. Supposons MM nilpotente. Soit AIMA \in I_M, il existe PC[X]P \in \mathbb{C}[X] tel que A=P(M)A = P(M). Comme précédemment, A2=InA^2 = I_n implique que μM\mu_M divise P21P^2 - 1. Puisque MM est nilpotente, son polynôme minimal est de la forme μM=Xk\mu_M = X^k pour un certain k{1,,n}k \in \{1, \dots, n\}. On a donc Xk(P1)(P+1)X^k \mid (P-1)(P+1). Les polynômes Q1=P1Q_1 = P-1 et Q2=P+1Q_2 = P+1 sont premiers entre eux dans C[X]\mathbb{C}[X] car leur différence est la constante non nulle 22. Si une puissance d'un polynôme irréductible (ici XX) divise un produit de deux polynômes premiers entre eux, elle doit diviser l'un des deux. Ainsi, on a soit XkP1X^k \mid P-1, soit XkP+1X^k \mid P+1. Premier cas : XkP1X^k \mid P-1. Alors P(M)=InP(M) = I_n. Second cas : XkP+1X^k \mid P+1. Alors P(M)=InP(M) = -I_n. Réciproquement, InI_n et In-I_n appartiennent bien à C[M]\mathbb{C}[M] (ce sont les images des polynômes constants 11 et 1-1) et sont des involutions.
    IM={In,In}\boxed{I_M = \{I_n, -I_n\}}

  3. Soit MMn(C)M \in M_n(\mathbb{C}) une matrice quelconque. Notons λ1,,λp\lambda_1, \dots, \lambda_p ses valeurs propres distinctes. Le polynôme minimal de MM se décompose sous la forme μM=i=1p(Xλi)mi\mu_M = \prod_{i=1}^p (X - \lambda_i)^{m_i} avec mi1m_i \geq 1. L'application Φ:C[X]/(μM)C[M]\Phi : \mathbb{C}[X]/(\mu_M) \to \mathbb{C}[M] définie par P(modμM)P(M)P \pmod{\mu_M} \mapsto P(M) est un isomorphisme d'algèbres. D'après le théorème des restes chinois, on a l'isomorphisme :
    C[X]/(μM)i=1pC[X]/((Xλi)mi)\mathbb{C}[X]/(\mu_M) \cong \prod_{i=1}^p \mathbb{C}[X]/((X - \lambda_i)^{m_i})
    Chercher AC[M]A \in \mathbb{C}[M] tel que A2=IA^2 = I revient à chercher les éléments a=(a1,,ap)a = (a_1, \dots, a_p) dans le produit tels que ai2=1a_i^2 = 1 pour chaque ii. Dans chaque algèbre locale Ai=C[X]/((Xλi)mi)\mathcal{A}_i = \mathbb{C}[X]/((X - \lambda_i)^{m_i}), l'équation ai2=1a_i^2 = 1 équivaut à dire que le polynôme (Xλi)mi(X - \lambda_i)^{m_i} divise Pi21=(Pi1)(Pi+1)P_i^2 - 1 = (P_i-1)(P_i+1). Comme (Pi1)(P_i-1) et (Pi+1)(P_i+1) sont premiers entre eux, le même raisonnement qu'à la question 2 montre que (Xλi)mi(X - \lambda_i)^{m_i} doit diviser soit Pi1P_i-1, soit Pi+1P_i+1. Il y a donc exactement 2 solutions pour chaque composante aia_i (à savoir 11 et 1-1). Comme il y a pp composantes indépendantes, le nombre total de solutions est 2p2^p.
    card(IM)=2pouˋ p=card(Sp(M))\boxed{\text{card}(I_M) = 2^p   \text{où } p = \text{card}(\text{Sp}(M))}

Attention à ne pas confondre le cardinal de IMI_M avec le nombre de racines carrées de l'identité dans Mn(C)M_n(\mathbb{C}) tout entier. Ici, on se restreint aux matrices qui sont des polynômes en MM. Si on cherchait toutes les matrices AMn(C)A \in M_n(\mathbb{C}) telles que A2=IA^2 = I, il y en aurait une infinité dès que n2n \geq 2.