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Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^*. On considère l'ensemble des matrices inversibles GLn(C)\mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}).

Déterminer l'ensemble des matrices A∈GLn(C)A \in \mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}) dont la classe de similitude, définie par O(A)={PAP−1∣P∈GLn(C)}\mathcal{O}(A) = \{ PAP^{-1} \mid P \in \mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}) \}, est un ensemble fini.

1.

Commencer par tester le cas des matrices scalaires (homothéties), c'est-à-dire les matrices de la forme λIn\lambda I_n avec λ∈C∗\lambda \in \mathbb{C}^*.

2.

Pour le cas général, si AA n'est pas une homothétie, utiliser le fait qu'il existe un vecteur x∈Cnx \in \mathbb{C}^n tel que la famille (x,Ax)(x, Ax) soit libre.

3.

Construire une famille infinie de bases à partir de ce vecteur pour montrer que la classe de similitude contient une infinité d'éléments.

4.

Utiliser le fait que le corps C\mathbb{C} est infini.

Idées clés

•

Caractérisation des homothéties : uu est une homothétie si et seulement si pour tout xx, (x,u(x))(x, u(x)) est liée.

•

Lien entre classe de similitude et matrices d'un même endomorphisme dans différentes bases.

•

Utilisation de la liberté de (x,u(x))(x, u(x)) pour faire varier les coefficients de la matrice.

Résolution.

Soit A∈GLn(C)A \in \mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}). On note uu l'endomorphisme de E=CnE = \mathbb{C}^n canoniquement associé à AA. La classe de similitude de AA correspond à l'ensemble des matrices de uu dans toutes les bases possibles de EE.

Cas 1 : AA est une homothétie.

Supposons qu'il existe λ∈C∗\lambda \in \mathbb{C}^* tel que A=λInA = \lambda I_n.

Alors, pour toute matrice P∈GLn(C)P \in \mathrm{GL}_n(\mathbb{C}), on a :

PAP−1=P(λIn)P−1=λPP−1=λInPAP^{-1} = P (\lambda I_n) P^{-1} = \lambda P P^{-1} = \lambda I_n

Dans ce cas, la classe de similitude est réduite à un singleton :

O(A)={λIn}\mathcal{O}(A) = \{ \lambda I_n \}

L'ensemble est fini (de cardinal 1). Ainsi, toutes les homothéties de GLn(C)\mathrm{GL}_n(\mathbb{C}) conviennent.

Cas 2 : AA n'est pas une homothétie.

Si AA n'est pas une homothétie, il existe au moins un vecteur x∈Ex \in E tel que la famille (x,u(x))(x, u(x)) soit libre. En effet, si pour tout x∈Ex \in E, (x,u(x))(x, u(x)) était liée, alors uu serait une homothétie (résultat classique d'algèbre linéaire).

Complétons la famille libre (x,u(x))(x, u(x)) en une base B=(e1,e2,e3,…,en)\mathcal{B} = (e_1, e_2, e_3, \dots, e_n) de EE, en posant :

e1=xete2=u(x)e_1 = x   \text{et}   e_2 = u(x)

Dans cette base, la première colonne de la matrice M=MatB(u)M = \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(u) est :

Col1(M)=(010⋮0)\mathrm{Col}_1(M) = \begin{pmatrix} 0
1
0
\vdots
0 \end{pmatrix}

Pour chaque μ∈C∗\mu \in \mathbb{C}^*, considérons la nouvelle base Bμ\mathcal{B}_\mu définie par :

Bμ=(μe1,e2,e3,…,en)\mathcal{B}_\mu = ( \mu e_1, e_2, e_3, \dots, e_n )

Notons Mμ=MatBμ(u)M_\mu = \mathrm{Mat}_{\mathcal{B}_\mu}(u) la matrice de uu dans cette base. Par définition, toutes ces matrices MμM_\mu appartiennent à la classe de similitude de AA.

Déterminons la première colonne de MμM_\mu. On a :

u(μe1)=μu(e1)=μe2u(\mu e_1) = \mu u(e_1) = \mu e_2

Comme e2e_2 est le deuxième vecteur de la base Bμ\mathcal{B}_\mu, ses coordonnées dans Bμ\mathcal{B}_\mu sont (0,1,0,…,0)(0, 1, 0, \dots, 0). Par conséquent, les coordonnées de u(μe1)u(\mu e_1) dans Bμ\mathcal{B}_\mu sont :

(0μ0⋮0)\begin{pmatrix} 0
\mu
0
\vdots
0 \end{pmatrix}

Ainsi, la matrice MμM_\mu possède la valeur μ\mu à la position (2,1)(2,1). Comme le corps C\mathbb{C} est infini, l'ensemble des valeurs {μ∣μ∈C∗}\{\mu \mid \mu \in \mathbb{C}^*\} est infini.

Chaque valeur de μ\mu distincte produit une matrice MμM_\mu distincte dans O(A)\mathcal{O}(A). On en déduit que O(A)\mathcal{O}(A) est un ensemble infini.

Conclusion.

Les matrices de GLn(C)\mathrm{GL}_n(\mathbb{C}) dont la classe de similitude est finie sont exactement les homothéties inversibles.

Solutions ={λIn∣λ∈C∗}\boxed{ \text{Solutions } = \{ \lambda I_n \mid \lambda \in \mathbb{C}^* \} }

L'énoncé précise GLn(C)\mathrm{GL}_n(\mathbb{C}), il ne faut pas oublier d'exclure la matrice nulle (λ≠0\lambda \neq 0), car bien que sa classe de similitude soit finie, elle n'est pas dans GLn(C)\mathrm{GL}_n(\mathbb{C}).