Soit une matrice dont le polynôme minimal est donné par :
Démontrer que la matrice est diagonalisable si et seulement si, pour tout , les dérivées successives de s'annulent en jusqu'à l'ordre :
Pour le sens réciproque, utiliser le lemme des noyaux pour décomposer l'espace en sous-espaces caractéristiques . Étudier la restriction de à chaque en utilisant la formule de Taylor pour les polynômes.
Pour le sens direct, utiliser le fait que est diagonalisable si et seulement si elle est annulée par un polynôme scindé à racines simples. Considérer et étudier la multiplicité des racines de .
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 et tout , on ait .
D'après la formule de Taylor au point , on peut écrire :
Compte tenu de l'hypothèse sur les dérivées, les termes de à sont nuls, donc :
On en déduit qu'il existe un polynôme tel que :
Considérons la décomposition de l'espace issue du lemme des noyaux appliqué au polynôme minimal :
Soit . En appliquant l'égalité polynomiale précédente à la matrice et au vecteur :
Comme , on obtient . Ainsi, la restriction de à chaque sous-espace est une homothétie.
Comme est la somme directe de ces sous-espaces, est diagonalisable dans une base adaptée à cette décomposition.
2. Condition nécessaire.
Supposons diagonalisable. Soit l'ensemble des valeurs propres distinctes de . Le polynôme est scindé à racines simples et annule .
On a donc . Par définition du polynôme minimal, divise :
Ceci implique que chaque est une racine de de multiplicité au moins . Par conséquent, pour tout :
Analysons la première dérivée : . Or, est une valeur propre de (car ), donc . Comme est à racines simples, sa dérivée ne s'annule en aucune de ses racines, d'où .
On en déduit que .
Par récurrence, supposons que pour un certain . La formule de la dérivée d'ordre d'une composée (formule de Faà di Bruno ou développement limité) montre que :
Par hypothèse de récurrence, tous les termes suivants s'annulent, il reste :
Comme , on a . La propriété est démontrée.
Ne pas confondre la multiplicité dans le polynôme minimal avec la multiplicité dans le polynôme caractéristique. L'exercice utilise spécifiquement le polynôme minimal pour caractériser la diagonalisabilité.