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Soit AMn(C)A \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{C}) une matrice dont le polynôme minimal est donné par :

πA=i=1r(Xλi)mi\pi_{A} = \prod_{i=1}^{r} (X - \lambda_{i})^{m_{i}}
où les complexes λ1,,λr\lambda_1, \dots, \lambda_r sont les valeurs propres distinctes de AA. Soit PC[X]P \in \mathbb{C}[X] un polynôme.

Démontrer que la matrice P(A)P(A) est diagonalisable si et seulement si, pour tout i1,ri \in \llbracket 1, r \rrbracket, les dérivées successives de PP s'annulent en λi\lambda_i jusqu'à l'ordre mi1m_i - 1 :

i1,r,j1,mi1,P(j)(λi)=0\forall i \in \llbracket 1, r \rrbracket, \forall j \in \llbracket 1, m_{i}-1 \rrbracket,   P^{(j)}(\lambda_{i}) = 0

1.

Pour le sens réciproque, utiliser le lemme des noyaux pour décomposer l'espace en sous-espaces caractéristiques Ni=ker((AλiI)mi)N_i = \ker((A - \lambda_i I)^{m_i}). Étudier la restriction de P(A)P(A) à chaque NiN_i en utilisant la formule de Taylor pour les polynômes.

2.

Pour le sens direct, utiliser le fait que P(A)P(A) est diagonalisable si et seulement si elle est annulée par un polynôme scindé à racines simples. Considérer Q(X)=μSp(P(A))(Xμ)Q(X) = \prod_{\mu \in \text{Sp}(P(A))} (X - \mu) et étudier la multiplicité des racines de QPQ \circ P.

Idées clés

Un endomorphisme est diagonalisable si et seulement si son polynôme minimal est scindé à racines simples.

Décomposition de l'espace en sous-espaces caractéristiques via le lemme des noyaux.

Lien entre la multiplicité d'une racine d'un polynôme et l'annulation de ses dérivées.

1. Condition suffisante.

Supposons que pour tout i1,ri \in \llbracket 1, r \rrbracket et tout j1,mi1j \in \llbracket 1, m_{i}-1 \rrbracket, on ait P(j)(λi)=0P^{(j)}(\lambda_{i}) = 0.

D'après la formule de Taylor au point λi\lambda_i, on peut écrire :

P(X)=j=0degPP(j)(λi)j!(Xλi)jP(X) = \sum_{j=0}^{\deg P} \frac{P^{(j)}(\lambda_i)}{j!} (X - \lambda_i)^j

Compte tenu de l'hypothèse sur les dérivées, les termes de 11 à mi1m_i - 1 sont nuls, donc :

P(X)=P(λi)+(Xλi)mij=midegPP(j)(λi)j!(Xλi)jmiP(X) = P(\lambda_i) + (X - \lambda_i)^{m_i} \sum_{j=m_i}^{\deg P} \frac{P^{(j)}(\lambda_i)}{j!} (X - \lambda_i)^{j-m_i}

On en déduit qu'il existe un polynôme RiC[X]R_i \in \mathbb{C}[X] tel que :

P(X)P(λi)=(Xλi)miRi(X)\boxed{P(X) - P(\lambda_i) = (X - \lambda_i)^{m_i} R_i(X)}

Considérons la décomposition de l'espace Cn\mathbb{C}^n issue du lemme des noyaux appliqué au polynôme minimal πA\pi_A :

Cn=i=1rker(AλiI)mi\mathbb{C}^n = \bigoplus_{i=1}^r \ker(A - \lambda_i I)^{m_i}

Soit xker(AλiI)mix \in \ker(A - \lambda_i I)^{m_i}. En appliquant l'égalité polynomiale précédente à la matrice AA et au vecteur xx :

P(A)x=P(λi)x+Ri(A)(AλiI)mixP(A)x = P(\lambda_i)x + R_i(A) \circ (A - \lambda_i I)^{m_i} x

Comme (AλiI)mix=0(A - \lambda_i I)^{m_i} x = 0, on obtient P(A)x=P(λi)xP(A)x = P(\lambda_i)x. Ainsi, la restriction de P(A)P(A) à chaque sous-espace ker(AλiI)mi\ker(A - \lambda_i I)^{m_i} est une homothétie.

Comme Cn\mathbb{C}^n est la somme directe de ces sous-espaces, P(A)P(A) est diagonalisable dans une base adaptée à cette décomposition.

2. Condition nécessaire.

Supposons P(A)P(A) diagonalisable. Soit {μ1,,μs}\{\mu_1, \dots, \mu_s\} l'ensemble des valeurs propres distinctes de P(A)P(A). Le polynôme Q(X)=k=1s(Xμk)Q(X) = \prod_{k=1}^s (X - \mu_k) est scindé à racines simples et annule P(A)P(A).

On a donc (QP)(A)=0(Q \circ P)(A) = 0. Par définition du polynôme minimal, πA\pi_A divise QPQ \circ P :

i=1r(Xλi)midiviseQ(P(X))\boxed{ \prod_{i=1}^{r} (X - \lambda_{i})^{m_{i}}   \text{divise}   Q(P(X)) }

Ceci implique que chaque λi\lambda_i est une racine de QPQ \circ P de multiplicité au moins mim_i. Par conséquent, pour tout i1,ri \in \llbracket 1, r \rrbracket :

(QP)(j)(λi)=0pourj0,mi1(Q \circ P)^{(j)}(\lambda_i) = 0   \text{pour}   j \in \llbracket 0, m_i - 1 \rrbracket

Analysons la première dérivée : (QP)(λi)=P(λi)Q(P(λi))=0(Q \circ P)'(\lambda_i) = P'(\lambda_i) Q'(P(\lambda_i)) = 0. Or, P(λi)P(\lambda_i) est une valeur propre de P(A)P(A) (car λiSp(A)\lambda_i \in \text{Sp}(A)), donc P(λi){μ1,,μs}P(\lambda_i) \in \{\mu_1, \dots, \mu_s\}. Comme QQ est à racines simples, sa dérivée QQ' ne s'annule en aucune de ses racines, d'où Q(P(λi))0Q'(P(\lambda_i)) \neq 0.

On en déduit que P(λi)=0\boxed{P'(\lambda_i) = 0}.

Par récurrence, supposons que P(1)(λi)==P(k1)(λi)=0P^{(1)}(\lambda_i) = \dots = P^{(k-1)}(\lambda_i) = 0 pour un certain k<mik < m_i. La formule de la dérivée d'ordre kk d'une composée (formule de Faà di Bruno ou développement limité) montre que :

(QP)(k)(λi)=Q(P(λi))P(k)(λi)+termes faisant intervenir P(1)(λi),,P(k1)(λi)(Q \circ P)^{(k)}(\lambda_i) = Q'(P(\lambda_i)) P^{(k)}(\lambda_i) + \text{termes faisant intervenir } P^{(1)}(\lambda_i), \dots, P^{(k-1)}(\lambda_i)

Par hypothèse de récurrence, tous les termes suivants s'annulent, il reste :

(QP)(k)(λi)=Q(P(λi))P(k)(λi)=0(Q \circ P)^{(k)}(\lambda_i) = Q'(P(\lambda_i)) P^{(k)}(\lambda_i) = 0

Comme Q(P(λi))0Q'(P(\lambda_i)) \neq 0, on a P(k)(λi)=0\boxed{P^{(k)}(\lambda_i) = 0}. La propriété est démontrée.

Ne pas confondre la multiplicité mim_i dans le polynôme minimal avec la multiplicité dans le polynôme caractéristique. L'exercice utilise spécifiquement le polynôme minimal pour caractériser la diagonalisabilité.