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Soit AA la matrice de M3(Q)\mathcal{M}_3(\mathbb{Q}) définie par :

A=(010001670)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0
0 & 0 & 1
6 & 7 & 0 \end{pmatrix}

  1. Justifier que la matrice AA est diagonalisable sur Q\mathbb{Q}.
  2. Déterminer une matrice inversible PP et une matrice diagonale DD telles que A=PDP1A = PDP^{-1}.
  3. En déduire l'expression de AnA^n pour tout nNn \in \mathbb{N}.

1.

Calculer le polynôme caractéristique χA(X)=det(XIA)\chi_A(X) = \det(XI - A) et chercher des racines entières simples.

2.

Pour la diagonalisabilité, vérifier si le polynôme caractéristique est scindé à racines simples sur le corps considéré.

3.

Utiliser la structure de la matrice (proche d'une matrice compagnon) pour trouver rapidement les vecteurs propres.

4.

Utiliser la relation An=PDnP1A^n = PD^nP^{-1}. Pour simplifier le calcul, on peut remarquer que si LnL_n est la première ligne de AnA^n, alors la deuxième est Ln+1L_{n+1}.

Idées clés

Utilisation du polynôme caractéristique pour déterminer le spectre.

Critère de diagonalisation : polynôme scindé à racines simples.

Lien entre puissances d'une matrice et diagonalisation (An=PDnP1A^n = PD^nP^{-1}).

1. Étude de la diagonalisabilité.

Calculons le polynôme caractéristique de AA, noté χA(X)\chi_A(X) :

χA(X)=det(XI3A)=X100X167X\chi_A(X) = \det(XI_3 - A) = \begin{vmatrix} X & -1 & 0
0 & X & -1
-6 & -7 & X \end{vmatrix}

En développant par rapport à la première ligne :

χA(X)=X(X27)(1)(6)=X37X6\chi_A(X) = X(X^2 - 7) - (-1)(-6) = X^3 - 7X - 6

Cherchons des racines évidentes parmi les diviseurs de 66. On teste 1-1 : (1)37(1)6=1+76=0(-1)^3 - 7(-1) - 6 = -1 + 7 - 6 = 0. On peut alors factoriser par (X+1)(X+1) :

X37X6=(X+1)(X2X6)=(X+1)(X+2)(X3)X^3 - 7X - 6 = (X+1)(X^2 - X - 6) = (X+1)(X+2)(X-3)

Les valeurs propres de AA sont donc :

Sp(A)={2,1,3}\boxed{\text{Sp}(A) = \{-2, -1, 3\}}

Le polynôme χA\chi_A est scindé à racines simples sur Q\mathbb{Q}. D'après le cours, la matrice AA est diagonalisable sur Q\mathbb{Q}.

2. Réduction de la matrice.

Cherchons les sous-espaces propres associés. Pour chaque valeur propre λ\lambda, un vecteur V=(x,y,z)TV = (x, y, z)^T est vecteur propre si AV=λVAV = \lambda V, soit :

{y=λxz=λy6x+7y=λz    {y=λxz=λ2x(λ37λ6)x=0\left\{ \begin{array}{rcl} y &=& \lambda x
z &=& \lambda y
6x + 7y &=& \lambda z \end{array} \right. \iff \left\{ \begin{array}{rcl} y &=& \lambda x
z &=& \lambda^2 x
( \lambda^3 - 7\lambda - 6 ) x &=& 0 \end{array} \right.

Ainsi, les vecteurs propres sont de la forme Vλ=(1,λ,λ2)V_\lambda = (1, \lambda, \lambda^2). On en déduit les vecteurs propres pour chaque valeur propre :

  • Pour λ=1\lambda = -1 : V1=(1,1,1)TV_1 = (1, -1, 1)^T.
  • Pour λ=2\lambda = -2 : V2=(1,2,4)TV_2 = (1, -2, 4)^T.
  • Pour λ=3\lambda = 3 : V3=(1,3,9)TV_3 = (1, 3, 9)^T.

On pose alors :

D=(100020003)etP=(111123149)\boxed{D = \begin{pmatrix} -1 & 0 & 0
0 & -2 & 0
0 & 0 & 3 \end{pmatrix}   \text{et}   P = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1
-1 & -2 & 3
1 & 4 & 9 \end{pmatrix}}

Calculons P1P^{-1}. Par la méthode de la comatrice ou du pivot de Gauss, on trouve det(P)=20\det(P) = -20 et :

P1=120(30551284231)\boxed{P^{-1} = \frac{1}{20} \begin{pmatrix} 30 & 5 & -5
-12 & -8 & 4
2 & 3 & 1 \end{pmatrix}}

3. Calcul des puissances.

On a An=PDnP1A^n = PD^nP^{-1}. Notons Dn=diag(λ1n,λ2n,λ3n)D^n = \text{diag}(\lambda_1^n, \lambda_2^n, \lambda_3^n). Le coefficient général de AnA^n est donné par :

(An)i,j=k=13Pi,kλkn(P1)k,j(A^n)_{i,j} = \sum_{k=1}^3 P_{i,k} \lambda_k^n (P^{-1})_{k,j}

Comme Pi,k=λki1P_{i,k} = \lambda_k^{i-1}, on a (An)i,j=k=13λkn+i1(P1)k,j(A^n)_{i,j} = \sum_{k=1}^3 \lambda_k^{n+i-1} (P^{-1})_{k,j}. Posons Ln=(an,bn,cn)L_n = (a_n, b_n, c_n) la première ligne de AnA^n. On obtient :

{an=120(30(1)n12(2)n+23n)bn=120(5(1)n8(2)n+33n)cn=120(5(1)n+4(2)n+3n)\left\{ \begin{array}{l} a_n = \frac{1}{20} \left( 30(-1)^n - 12(-2)^n + 2 \cdot 3^n \right)
b_n = \frac{1}{20} \left( 5(-1)^n - 8(-2)^n + 3 \cdot 3^n \right)
c_n = \frac{1}{20} \left( -5(-1)^n + 4(-2)^n + 3^n \right) \end{array} \right.

Par structure de la matrice (qui est la transposée d'une matrice compagnon), la ligne ii de AnA^n est égale à la première ligne de An+i1A^{n+i-1}. Ainsi :

An=(anbncnan+1bn+1cn+1an+2bn+2cn+2)\boxed{A^n = \begin{pmatrix} a_n & b_n & c_n
a_{n+1} & b_{n+1} & c_{n+1}
a_{n+2} & b_{n+2} & c_{n+2} \end{pmatrix}}

Attention à ne pas oublier de vérifier que les racines du polynôme caractéristique appartiennent bien au corps Q\mathbb{Q} pour affirmer la diagonalisabilité sur Q\mathbb{Q}. Ici, ce sont des entiers, donc c'est immédiat.