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Soit σSn\sigma \in \mathfrak{S}_n. On considère l'endomorphisme uσu_{\sigma} de Cn\mathbb{C}^n qui envoie chaque vecteur de la base canonique (e1,,en)(e_1, \dots, e_n) sur eσ(i)e_{\sigma(i)}.

  1. Établir que le spectre de MσM_{\sigma} est inclus dans l'ensemble des racines de l'unité.
  2. Montrer que si σ\sigma est un cycle de longueur nn, alors MσM_{\sigma} est semblable à la matrice :
    diag(1,ω,ω2,,ωn1) ouˋ ω=e2iπ/n\text{diag}(1, \omega, \omega^2, \dots, \omega^{n-1}) \text{ où } \omega = e^{2i\pi/n}
  3. En déduire une nouvelle preuve de la diagonalisabilité de MσM_{\sigma} pour une permutation quelconque.

1.

Utiliser le fait que Xk1X^k-1 annule MσM_{\sigma} pour montrer l'inclusion du spectre.

2.

Pour un cycle de longueur nn, on peut chercher les vecteurs propres sous la forme de progressions géométriques.

3.

Utiliser la décomposition en cycles disjoints et la stabilité des sous-espaces associés.

Idées clés

Propriété des racines d'un polynôme annulateur.

Étude explicite des éléments propres pour un endomorphisme de décalage (shift).

Stabilité et réduction par blocs.

Résolution.

  1. Soit λSp(Mσ)\lambda \in \text{Sp}(M_{\sigma}). Il existe un entier kNk \in \mathbb{N}^* tel que Mσk=InM_{\sigma}^k = I_n. Par conséquent, toute valeur propre λ\lambda doit vérifier l'équation :
    λk=1\lambda^k = 1
    Ceci prouve que le spectre est composé exclusivement de racines de l'unité.
    Sp(Mσ)U\boxed{\text{Sp}(M_{\sigma}) \subset \mathbb{U}}

  2. Supposons que σ=(12n)\sigma = (1   2   \dots   n). La matrice MσM_{\sigma} vérifie Mσe1=e2,Mσe2=e3,,Mσen=e1M_{\sigma}e_1 = e_2, M_{\sigma}e_2 = e_3, \dots, M_{\sigma}e_n = e_1. Cherchons un vecteur propre x=j=1nxjejx = \sum_{j=1}^n x_j e_j pour la valeur propre λ\lambda. L'équation Mσx=λxM_{\sigma}x = \lambda x donne le système :
    {xn=λx1x1=λx2xn1=λxn\begin{cases} x_n = \lambda x_1
    x_1 = \lambda x_2
    \dots
    x_{n-1} = \lambda x_n \end{cases}
    Ceci impose x1=λx2=λ2x3==λn1xn=λnx1x_1 = \lambda x_2 = \lambda^2 x_3 = \dots = \lambda^{n-1} x_n = \lambda^n x_1. Pour x0x \neq 0, on a λn=1\lambda^n = 1. Les nn racines nn-ièmes de l'unité sont donc des valeurs propres. Comme la matrice est de taille nn, elle possède nn valeurs propres distinctes, donc elle est diagonalizable et semblable à la matrice diagonale des racines de l'unité.
    Mσdiag(1,ω,ω2,,ωn1)\boxed{M_{\sigma} \sim \text{diag}(1, \omega, \omega^2, \dots, \omega^{n-1})}

  3. Toute permutation σ\sigma se décompose en cycles disjoints c1,,crc_1, \dots, c_r. Soit EjE_j le sous-espace de Cn\mathbb{C}^n engendré par les vecteurs de la base canonique dont les indices sont dans le support du cycle cjc_j. Chaque EjE_j est stable par uσu_{\sigma} et la restriction de uσu_{\sigma} à EjE_j agit comme un cycle de longueur ljl_j. D'après la question précédente, chaque restriction est diagonalizable.
    Cn=E1E2Er\mathbb{C}^n = E_1 \oplus E_2 \oplus \dots \oplus E_r
    L'espace total étant somme directe de sous-espaces stables sur lesquels l'endomorphisme induit est diagonalizable, l'endomorphisme uσu_{\sigma} est lui-même diagonalizable.

Attention à l'ordre de la base pour les matrices de cycles. Si la permutation n'est pas le cycle canonique (1n)(1 \dots n), il faut d'abord réordonner la base pour retrouver la forme standard.