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Soient EE et FF deux espaces vectoriels de dimensions finies sur K\mathbb{K} (R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}). Pour un endomorphisme u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E), on définit l'application :

Φu:{L(E,F)→L(E,F)v↦v∘u\Phi_{u} : \begin{cases} \mathcal{L}(E, F) \to \mathcal{L}(E, F)
v \mapsto v \circ u \end{cases}
De même, pour a∈L(F)a \in \mathcal{L}(F), on définit :
Ψa:{L(E,F)→L(E,F)v↦a∘v\Psi_{a} : \begin{cases} \mathcal{L}(E, F) \to \mathcal{L}(E, F)
v \mapsto a \circ v \end{cases}

  1. Justifier que Φu\Phi_{u} et Ψa\Psi_{a} sont des endomorphismes de l'espace vectoriel L(E,F)\mathcal{L}(E, F).
  2. Étude par les polynômes annulateurs
    1. Pour tout polynôme P∈K[X]P \in \mathbb{K}[X], exprimer P(Φu)P(\Phi_{u}) en fonction de P(u)P(u).
    2. En déduire que uu est diagonalisable si et seulement si Φu\Phi_{u} est diagonalisable.
    3. Montrer de même que aa est diagonalisable si et seulement si Ψa\Psi_{a} est diagonalisable.

  3. Étude par les éléments propres On suppose ici E=FE=F.
    1. Déterminer le spectre de Φu\Phi_{u} en fonction de celui de uu.
    2. Soit λ∈Sp(u)\lambda \in \text{Sp}(u). Caractériser les éléments de ker⁡(Φu−λidL(E))\ker(\Phi_{u} - \lambda \text{id}_{\mathcal{L}(E)}) à l'aide de l'image de u−λidEu - \lambda \text{id}_E.
    3. En déduire que dim⁡(ker⁡(Φu−λidL(E)))=dim⁡(E)⋅dim⁡(ker⁡(u−λidE))\dim(\ker(\Phi_{u} - \lambda \text{id}_{\mathcal{L}(E)})) = \dim(E) \cdot \dim(\ker(u - \lambda \text{id}_E)).
    4. Retrouver l'équivalence de la question 2.(b) par un argument dimensionnel.

  4. Application aux matrices Soit A∈Mn(K)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}). On considère LA:M∈Mn,p(K)↦AML_A : M \in \mathcal{M}_{n,p}(\mathbb{K}) \mapsto AM. Montrer que LAL_A est diagonalisable si et seulement si AA est diagonalisable.

1.

Pour les polynômes, remarquer par récurrence que (Φu)k(v)=v∘uk(\Phi_u)^k(v) = v \circ u^k.

2.

Pour le spectre, v∘(u−λid)=0v \circ (u - \lambda \text{id}) = 0 signifie que Im(u−λid)⊂ker⁡(v)\text{Im}(u - \lambda \text{id}) \subset \ker(v).

3.

Pour la dimension du noyau de Φu−λid\Phi_u - \lambda \text{id}, utiliser le fait qu'une application linéaire est déterminée par les images des vecteurs d'une base.

4.

Pour le cas matriciel, identifier LAL_A à un endomorphisme de type Ψa\Psi_a en choisissant les bases canoniques.

Idées clés

•

Relation entre polynômes d'endomorphismes : P(Φu)(v)=v∘P(u)P(\Phi_u)(v) = v \circ P(u).

•

Caractérisation de la diagonalisabilité par l'existence d'un polynôme scindé à racines simples.

•

Lien entre ker⁡(v)\ker(v) et Im(u−λid)\text{Im}(u - \lambda \text{id}) pour les vecteurs propres.

Résolution.

  1. Soient v1,v2∈L(E,F)v_1, v_2 \in \mathcal{L}(E, F) et α∈K\alpha \in \mathbb{K}. Par linéarité de la composition à gauche :
    Φu(αv1+v2)=(αv1+v2)∘u=α(v1∘u)+(v2∘u)=αΦu(v1)+Φu(v2)\Phi_u(\alpha v_1 + v_2) = (\alpha v_1 + v_2) \circ u = \alpha (v_1 \circ u) + (v_2 \circ u) = \alpha \Phi_u(v_1) + \Phi_u(v_2)
    Le raisonnement est identique pour Ψa\Psi_a en utilisant la linéarité de la composition à droite. Φu\Phi_u et Ψa\Psi_a sont bien des applications linéaires de L(E,F)\mathcal{L}(E, F) dans lui-même.

    1. Par une récurrence immédiate, on montre que pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, (Φu)k(v)=v∘uk(\Phi_u)^k(v) = v \circ u^k. Par linéarité de la composition, pour tout polynôme P=∑akXkP = \sum a_k X^k, on a :
      P(Φu)(v)=v∘P(u)\boxed{P(\Phi_u)(v) = v \circ P(u)}

    2. Un endomorphisme est diagonalisable si et seulement s'il admet un polynôme annulateur scindé à racines simples sur K\mathbb{K}. D'après la relation précédente, P(Φu)=0P(\Phi_u) = 0 si et seulement si pour tout v∈L(E,F)v \in \mathcal{L}(E, F), v∘P(u)=0v \circ P(u) = 0. En prenant v=idEv = \text{id}_E (si E=FE=F) ou en testant sur une base, on voit que :
      P(Φu)=0  ⟺  P(u)=0P(\Phi_u) = 0 \iff P(u) = 0
      Ainsi, uu et Φu\Phi_u possèdent exactement les mêmes polynômes annulateurs. L'existence d'un polynôme scindé à racines simples pour l'un équivaut à son existence pour l'autre.
      u est diag.   ⟺  Φu est diag.\boxed{u \text{ est diag. } \iff \Phi_u \text{ est diag.}}

    3. De la même manière, on montre que P(Ψa)(v)=P(a)∘vP(\Psi_a)(v) = P(a) \circ v. L'équivalence P(Ψa)=0  ⟺  P(a)=0P(\Psi_a) = 0 \iff P(a) = 0 mène au même résultat :
      a est diag.   ⟺  Ψa est diag.\boxed{a \text{ est diag. } \iff \Psi_a \text{ est diag.}}

    1. λ∈Sp(Φu)\lambda \in \text{Sp}(\Phi_u) s'il existe v≠0v \neq 0 tel que v∘u=λvv \circ u = \lambda v, soit v∘(u−λidE)=0v \circ (u - \lambda \text{id}_E) = 0. Ceci impose que u−λidEu - \lambda \text{id}_E n'est pas inversible (sinon v=0∘(u−λidE)−1=0v = 0 \circ (u - \lambda \text{id}_E)^{-1} = 0). Comme EE est de dimension finie, u−λidEu - \lambda \text{id}_E non inversible équivaut à λ∈Sp(u)\lambda \in \text{Sp}(u). Inversement, si λ∈Sp(u)\lambda \in \text{Sp}(u), il existe une forme linéaire non nulle ϕ\phi telle que ϕ∘(u−λidE)=0\phi \circ (u - \lambda \text{id}_E) = 0 (en prenant ϕ\phi s'annulant sur l'image). On construit alors v≠0v \neq 0 et on conclut :
      Sp(Φu)=Sp(u)\boxed{\text{Sp}(\Phi_u) = \text{Sp}(u)}

    2. v∈ker⁡(Φu−λidL(E))  ⟺  ∀x∈E,v(u(x))=λv(x)  ⟺  ∀x∈E,v((u−λidE)(x))=0v \in \ker(\Phi_{u} - \lambda \text{id}_{\mathcal{L}(E)}) \iff \forall x \in E, v(u(x)) = \lambda v(x) \iff \forall x \in E, v((u - \lambda \text{id}_E)(x)) = 0. Cela équivaut exactement à :
      Im(u−λidE)⊂ker⁡(v)\boxed{\text{Im}(u - \lambda \text{id}_E) \subset \ker(v)}

    3. Notons H=Im(u−λidE)H = \text{Im}(u - \lambda \text{id}_E) et r=rg(u−λidE)r = \text{rg}(u - \lambda \text{id}_E). Une application linéaire v∈L(E)v \in \mathcal{L}(E) est dans le sous-espace propre si et seulement si elle s'annule sur HH. Soit (e1,…,er)(e_1, \dots, e_r) une base de HH, complétée en une base B=(e1,…,en)\mathcal{B} = (e_1, \dots, e_n) de EE. vv est caractérisée par les images des vecteurs de B\mathcal{B}. Ici : v(e1)=⋯=v(er)=0v(e_1) = \dots = v(e_r) = 0, et v(er+1),…,v(en)v(e_{r+1}), \dots, v(e_n) sont libres dans EE. Il y a n−rn-r vecteurs dont l'image est libre dans un espace de dimension nn. La dimension du sous-espace est donc (n−r)×n(n-r) \times n. Or n−r=dim⁡E−rg(u−λidE)=dim⁡ker⁡(u−λidE)n-r = \dim E - \text{rg}(u - \lambda \text{id}_E) = \dim \ker(u - \lambda \text{id}_E). D'où :
      dim⁡(ker⁡(Φu−λid))=dim⁡(E)⋅dim⁡(ker⁡(u−λid))\boxed{\dim(\ker(\Phi_u - \lambda \text{id})) = \dim(E) \cdot \dim(\ker(u - \lambda \text{id}))}

    4. L'endomorphisme Φu\Phi_u est diagonalisable si et seulement si la somme des dimensions de ses sous-espaces propres est égale à la dimension de son espace de départ L(E)\mathcal{L}(E), soit n2n^2.
      ∑λ∈Sp(u)dim⁡(ker⁡(Φu−λid))=∑λ∈Sp(u)n⋅dim⁡(ker⁡(u−λid))=n∑λ∈Sp(u)dim⁡(ker⁡(u−λid))\sum_{\lambda \in \text{Sp}(u)} \dim(\ker(\Phi_u - \lambda \text{id})) = \sum_{\lambda \in \text{Sp}(u)} n \cdot \dim(\ker(u - \lambda \text{id})) = n \sum_{\lambda \in \text{Sp}(u)} \dim(\ker(u - \lambda \text{id}))
      Cette somme vaut n2n^2 si et seulement si ∑dim⁡(ker⁡(u−λid))=n\sum \dim(\ker(u - \lambda \text{id})) = n, ce qui définit la diagonalisabilité de uu.

  2. Soit Bn\mathcal{B}_n et Bp\mathcal{B}_p les bases canoniques de Kn\mathbb{K}^n et Kp\mathbb{K}^p. L'application LAL_A est la représentation matricielle de Ψa\Psi_a où aa est l'endomorphisme de Kn\mathbb{K}^n canoniquement associé à AA, agissant sur L(Kp,Kn)\mathcal{L}(\mathbb{K}^p, \mathbb{K}^n). D'après la question 2.(c), Ψa\Psi_a est diagonalisable si et seulement si aa l'est. Par conséquent, LA est diag.   ⟺  A est diag.\boxed{L_A \text{ est diag. } \iff A \text{ est diag.}}

Ne pas confondre Φu(v)=v∘u\Phi_u (v) = v \circ u et Ψu(v)=u∘v\Psi_u (v) = u \circ v. Bien que les propriétés de diagonalisabilité soient identiques, les structures des sous-espaces propres diffèrent (l'un dépend de l'image, l'autre du noyau).