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Soit K\mathbb{K} un corps (on pourra supposer K=C\mathbb{K} = \mathbb{C} dans un premier temps). Soient AA et BB deux matrices de M2(K)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{K}) que l'on suppose non scalaires.

  1. Montrer que AA et BB sont semblables si et seulement si elles ont le même polynôme caractéristique.
  2. Ce résultat reste-t-il vrai pour des matrices de Mn(K)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{K}) avec n≥3n \ge 3 ?

1.

Pour le sens réciproque, on pourra distinguer deux cas selon que le polynôme caractéristique possède deux racines distinctes ou une racine double dans la clôture algébrique de K\mathbb{K}.

2.

Dans le cas d'une racine double λ\lambda, utiliser le fait que AA n'est pas scalaire pour construire une base dans laquelle la matrice de l'endomorphisme associé a une forme réduite simple (type Jordan, mais à redémontrer).

3.

Pour la généralisation, chercher deux matrices nilpotentes de taille 3 ayant des rangs différents.

Idées clés

•

Utilisation de la réduction des endomorphismes en petite dimension.

•

Lien entre diagonalisabilité et racines du polynôme caractéristique.

•

Construction explicite d'une base pour les matrices non diagonalisables.

Résolution.

  1. L'implication directe (⇒\Rightarrow) est un résultat de cours : deux matrices semblables ont le même polynôme caractéristique. Montrons l'implication réciproque (⇐\Leftarrow). Soient A,B∈M2(K)A, B \in \mathcal{M}_2(\mathbb{K}) non scalaires telles que χA=χB=P\chi_A = \chi_B = P. D'après le théorème de Cayley-Hamilton, PP est un polynôme annulateur de AA et de BB. Plaçons-nous sur la clôture algébrique K‾\overline{\mathbb{K}} (ou supposons K=C\mathbb{K}=\mathbb{C}). PP est de degré 2, notons λ\lambda et μ\mu ses racines. Premier cas : PP possède deux racines distinctes λ≠μ\lambda \neq \mu. Dans ce cas, le polynôme caractéristique est scindé à racines simples sur K‾\overline{\mathbb{K}}. Par conséquent, AA et BB sont toutes deux semblables à la matrice diagonale :
    D=(λ00μ)D = \begin{pmatrix} \lambda & 0
    0 & \mu \end{pmatrix}
    Par transitivité de la relation de similitude, AA et BB sont semblables dans M2(K‾)\mathcal{M}_2(\overline{\mathbb{K}}). Un résultat classique (ou l'utilisation des invariants de similitude) assure que si deux matrices à coefficients dans K\mathbb{K} sont semblables dans Mn(K‾)\mathcal{M}_n(\overline{\mathbb{K}}), elles le sont dans Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}). Second cas : PP possède une racine double λ\lambda. Alors P=(X−λ)2P = (X - \lambda)^2. Puisque AA n'est pas une matrice scalaire, on sait que A≠λI2A \neq \lambda I_2. L'endomorphisme uu associé à AA vérifie (u−λid)2=0(u - \lambda \text{id})^2 = 0 par Cayley-Hamilton. Puisque u−λid≠0u - \lambda \text{id} \neq 0, il existe un vecteur v∈K2v \in \mathbb{K}^2 tel que (u−λid)(v)≠0(u - \lambda \text{id})(v) \neq 0. Posons e1=(u−λid)(v)e_1 = (u - \lambda \text{id})(v) et e2=ve_2 = v. Vérifions que (e1,e2)(e_1, e_2) est une famille libre : Si ae1+be2=0ae_1 + be_2 = 0, en appliquant (u−λid)(u - \lambda \text{id}), on obtient b(u−λid)(v)=0b(u - \lambda \text{id})(v) = 0, d'où b=0b = 0, puis ae1=0ae_1 = 0 donc a=0a = 0. Dans la base (e1,e2)(e_1, e_2), la matrice de uu est :
    T=(λ10λ)T = \begin{pmatrix} \lambda & 1
    0 & \lambda \end{pmatrix}
    En effet, u(e1)=(u−λid+λid)(e1)=0+λe1u(e_1) = (u-\lambda \text{id} + \lambda \text{id})(e_1) = 0 + \lambda e_1 et u(e2)=(u−λid)(v)+λv=e1+λe2u(e_2) = (u-\lambda \text{id})(v) + \lambda v = e_1 + \lambda e_2. Ainsi, toute matrice non scalaire ayant λ\lambda pour racine double est semblable à TT. Par transitivité, AA et BB sont semblables. On en conclut que :
    A∼B  ⟺  χA=χB\boxed{ A \sim B \iff \chi_A = \chi_B }

  2. La généralisation est fausse pour n≥3n \ge 3. Considérons les matrices AA et BB de M3(K)\mathcal{M}_3(\mathbb{K}) suivantes :
    A=(010000000)etB=(010001000)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0
    0 & 0 & 0
    0 & 0 & 0 \end{pmatrix}   \text{et}   B = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0
    0 & 0 & 1
    0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
    Ces deux matrices ne sont pas scalaires. Elles ont le même polynôme caractéristique :
    χA(X)=χB(X)=X3\boxed{ \chi_A(X) = \chi_B(X) = X^3 }
    Cependant, elles ne sont pas semblables car leurs rangs sont différents :
    rg(A)=1etrg(B)=2\boxed{ \text{rg}(A) = 1   \text{et}   \text{rg}(B) = 2 }
    Deux matrices semblables ayant nécessairement le même rang, l'équivalence ne tient plus dès n=3n=3.

L'hypothèse "non scalaire" est fondamentale. Si on l'omet, la matrice I2I_2 et une matrice triangulaire supérieure avec des 1 sur la diagonale et un 1 au-dessus auraient le même polynôme caractéristique (X−1)2(X-1)^2, mais ne seraient pas semblables (l'une est diagonale, l'autre non).