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

A=(032252230)A = \begin{pmatrix} 0 & 3 & 2
-2 & 5 & 2
2 & -3 & 0 \end{pmatrix}

  1. Montrer que AA est diagonalisable sur R\mathbb{R}.
  2. Déterminer une matrice inversible PP et une matrice diagonale DD telles que A=PDP1A = PDP^{-1}. On précisera P1P^{-1}.
  3. En déduire l'expression de la matrice AnA^n pour tout nNn \in \mathbb{N}.

1.

Calculer le polynôme caractéristique χA(X)=det(XIA)\chi_A(X) = \det(XI - A) en effectuant des opérations élémentaires sur les lignes ou colonnes pour faciliter la factorisation.

2.

Déterminer les sous-espaces propres en résolvant les systèmes (AλI)X=0(A - \lambda I)X = 0. Vérifier que la somme des dimensions égale 3.

3.

Utiliser la relation An=PDnP1A^n = P D^n P^{-1} ou, alternativement, la division euclidienne de XnX^n par un polynôme annulateur de AA.

Idées clés

Diagonalisation par étude du spectre et des dimensions des sous-espaces propres.

Utilisation du lien entre puissance d'une matrice et sa forme diagonale.

Inversion de matrice par résolution de système linéaire.

Résolution.

  1. Calcul du polynôme caractéristique. Notons χA(X)=det(XIA)\chi_A(X) = \det(XI - A). On a :
    χA(X)=X322X5223X\chi_A(X) = \begin{vmatrix} X & -3 & -2
    2 & X-5 & -2
    -2 & 3 & X \end{vmatrix}
    Effectuons l'opération C1C1+C3C_1 \leftarrow C_1 + C_3 :
    χA(X)=X2320X52X23X=(X2)1320X5213X\chi_A(X) = \begin{vmatrix} X-2 & -3 & -2
    0 & X-5 & -2
    X-2 & 3 & X \end{vmatrix} = (X-2) \begin{vmatrix} 1 & -3 & -2
    0 & X-5 & -2
    1 & 3 & X \end{vmatrix}
    Effectuons L3L3L1L_3 \leftarrow L_3 - L_1 :
    χA(X)=(X2)1320X5206X+2=(X2)[(X5)(X+2)+12]\chi_A(X) = (X-2) \begin{vmatrix} 1 & -3 & -2
    0 & X-5 & -2
    0 & 6 & X+2 \end{vmatrix} = (X-2) \left[ (X-5)(X+2) + 12 \right]
    Le calcul du trinôme donne X23X10+12=X23X+2=(X1)(X2)X^2 - 3X - 10 + 12 = X^2 - 3X + 2 = (X-1)(X-2). D'où le polynôme caractéristique :
    χA(X)=(X1)(X2)2\boxed{\chi_A(X) = (X-1)(X-2)^2}
    Les valeurs propres sont λ1=1\lambda_1 = 1 (simple) et λ2=2\lambda_2 = 2 (double).

  2. Détermination des sous-espaces propres.
    • Pour λ1=1\lambda_1 = 1 : E1=ker(AI)E_1 = \ker(A-I).
      (x,y,z)E1    (132242231)(xyz)=(000)(x,y,z) \in E_1 \iff \begin{pmatrix} -1 & 3 & 2
      -2 & 4 & 2
      2 & -3 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x
      y
      z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0
      0
      0 \end{pmatrix}
      L22L1L_2 - 2L_1 donne 2y2z=0-2y - 2z = 0, soit y=zy = -z. Puis x+3(z)+2z=0-x + 3(-z) + 2z = 0 donne x=zx = -z. On choisit v1=(1,1,1)v_1 = (1, 1, -1).
    • Pour λ2=2\lambda_2 = 2 : E2=ker(A2I)E_2 = \ker(A-2I).
      (x,y,z)E2    (232232232)(xyz)=(000)(x,y,z) \in E_2 \iff \begin{pmatrix} -2 & 3 & 2
      -2 & 3 & 2
      2 & -3 & -2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x
      y
      z \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0
      0
      0 \end{pmatrix}
      L'unique équation est 2x+3y+2z=0-2x + 3y + 2z = 0. C'est un plan vectoriel. dim(E2)=2\dim(E_2) = 2. On peut choisir v2=(1,0,1)v_2 = (1, 0, 1) et v3=(3,2,0)v_3 = (3, 2, 0).
    Comme dimE1+dimE2=3\dim E_1 + \dim E_2 = 3, la matrice AA est diagonalisable.

    Matrices de passage. Posons D=diag(1,2,2)D = \text{diag}(1, 2, 2) et P=(113102110)P = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 3
    1 & 0 & 2
    -1 & 1 & 0 \end{pmatrix}
    . Pour calculer P1P^{-1}, on résout PX=YPX = Y : \begin{align*} \left\{ \begin{array}{l} x + y + 3z = a
    x + 2z = b
    -x + y = c \end{array} \right. &\iff \left\{ \begin{array}{l} x = b - 2z
    y = c + x = c + b - 2z
    (b-2z) + (c+b-2z) + 3z = a \end{array} \right.
    &\iff \left\{ \begin{array}{l} z = -a + 2b + c
    x = b - 2(-a+2b+c) = 2a - 3b - 2c
    y = c + (2a - 3b - 2c) = 2a - 3b - c \end{array} \right. \end{align*} D'où :

    P1=(232231121)\boxed{P^{-1} = \begin{pmatrix} 2 & -3 & -2
    2 & -3 & -1
    -1 & 2 & 1 \end{pmatrix}}

  3. Calcul de AnA^n. On a An=PDnP1A^n = P D^n P^{-1}.
    An=(113102110)(10002n0002n)(232231121)A^n = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 3
    1 & 0 & 2
    -1 & 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0
    0 & 2^n & 0
    0 & 0 & 2^n \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & -3 & -2
    2 & -3 & -1
    -1 & 2 & 1 \end{pmatrix}
    Après calcul du produit PDnP D^n, on obtient (12n32n1022n12n0)\begin{pmatrix} 1 & 2^n & 3 \cdot 2^n
    1 & 0 & 2 \cdot 2^n
    -1 & 2^n & 0 \end{pmatrix}
    . En multipliant par P1P^{-1} à droite :
    An=(22n32n322n2222n42n322n222n2332n22n)\boxed{A^n = \begin{pmatrix} 2-2^n & 3 \cdot 2^n - 3 & 2 \cdot 2^n - 2
    2 - 2 \cdot 2^n & 4 \cdot 2^n - 3 & 2 \cdot 2^n - 2
    2 \cdot 2^n - 2 & 3 - 3 \cdot 2^n & 2-2^n \end{pmatrix}}

Une erreur classique est de conclure à la diagonalisabilité dès que l'on a les valeurs propres sans vérifier que la dimension de chaque sous-espace propre est bien égale à l'ordre de multiplicité de la valeur propre correspondante dans le polynôme caractéristique.