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Soient MMn(C)M \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{C}) une matrice carrée et pp un entier naturel non nul.

Montrer que la matrice MM est diagonalisable si et seulement si les deux conditions suivantes sont simultanément vérifiées :

  1. MpM^{p} est diagonalisable.
  2. KerM=KerMp\operatorname{Ker} M = \operatorname{Ker} M^{p}.

1.

Pour le sens direct, utiliser la caractérisation de la diagonalisabilité par l'existence d'une base de vecteurs propres et observer l'effet de l'élévation à la puissance pp sur les valeurs propres.

2.

Pour le sens réciproque, utiliser la décomposition de Cn\mathbb{C}^n en somme directe des sous-espaces propres de MpM^p.

3.

Étudier la restriction de l'endomorphisme associé à MM sur chaque sous-espace propre de MpM^p, en distinguant le cas de la valeur propre nulle.

Idées clés

Stabilité des sous-espaces propres par un endomorphisme qui commute.

Caractérisation polynomiale de la diagonalisabilité (polynôme annulateur scindé à racines simples).

Lien entre l'égalité des noyaux Keru=Kerup\operatorname{Ker} u = \operatorname{Ker} u^p et la restriction de l'endomorphisme au noyau de sa puissance.

Sens direct (    \implies) :

Supposons que MM soit diagonalisable.

Il existe donc une matrice inversible PGLn(C)P \in GL_n(\mathbb{C}) et une matrice diagonale D=diag(λ1,,λn)D = \operatorname{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n) telles que :

M=PDP1M = PDP^{-1}

En élevant à la puissance pp, on obtient immédiatement :

Mp=PDpP1M^p = PD^pP^{-1}

Comme Dp=diag(λ1p,,λnp)D^p = \operatorname{diag}(\lambda_1^p, \dots, \lambda_n^p) est diagonale, la matrice MpM^p est diagonalisable. La condition (1) est donc vérifiée.

Pour la condition (2), considérons le noyau. Pour toute matrice AA, on a l'inclusion KerAKerAp\operatorname{Ker} A \subset \operatorname{Ker} A^p.

Soit XKerMpX \in \operatorname{Ker} M^p. Alors MpX=0M^p X = 0, ce qui équivaut à PDpP1X=0PD^pP^{-1}X = 0, soit Dp(P1X)=0D^p(P^{-1}X) = 0.

En notant Y=P1XY = P^{-1}X, on a DpY=0D^p Y = 0, donc pour tout i{1,,n}i \in \{1, \dots, n\}, λipyi=0\lambda_i^p y_i = 0.

Ceci implique que λiyi=0\lambda_i y_i = 0 pour tout ii, d'où DY=0DY = 0.

On en déduit PDP1X=0P D P^{-1} X = 0, c'est-à-dire MX=0MX = 0. Ainsi KerMpKerM\operatorname{Ker} M^p \subset \operatorname{Ker} M.

Par double inclusion, nous avons :

KerM=KerMp\boxed{\operatorname{Ker} M = \operatorname{Ker} M^p}

Sens réciproque (    \impliedby) :

Supposons que MpM^p soit diagonalisable et que KerM=KerMp\operatorname{Ker} M = \operatorname{Ker} M^p.

Soit uu l'endomorphisme de E=CnE = \mathbb{C}^n canoniquement associé à MM. Puisque upu^p est diagonalisable, l'espace EE est la somme directe des sous-espaces propres de upu^p :

E=μSp(up)Ker(upμidE)E = \bigoplus_{\mu \in \operatorname{Sp}(u^p)} \operatorname{Ker}(u^p - \mu \operatorname{id}_E)

Notons Vμ=Ker(upμidE)V_\mu = \operatorname{Ker}(u^p - \mu \operatorname{id}_E). Comme uu et upu^p commutent, chaque sous-espace VμV_\mu est stable par uu.

Il suffit de montrer que la restriction de uu à chaque VμV_\mu est diagonalisable pour conclure que uu est diagonalisable sur EE.

Cas 1 : μ0\mu \neq 0

Soit uμu_\mu la restriction de uu à VμV_\mu. Par définition de VμV_\mu, on a uμp=μidVμu_\mu^p = \mu \operatorname{id}_{V_\mu}.

Le polynôme P(X)=XpμP(X) = X^p - \mu est donc un polynôme annulateur de uμu_\mu.

Puisque μ0\mu \neq 0 et que nous travaillons sur C\mathbb{C}, le polynôme XpμX^p - \mu possède pp racines complexes distinctes.

Le polynôme annulateur PP est scindé à racines simples sur C\mathbb{C}, donc :

uVμ est diagonalisable\boxed{u_{|V_\mu} \text{ est diagonalisable}}

Cas 2 : μ=0\mu = 0 (si 00 est valeur propre de upu^p)

Le sous-espace associé est V0=Ker(up)V_0 = \operatorname{Ker}(u^p).

Par l'hypothèse (2), on sait que Ker(up)=Ker(u)\operatorname{Ker}(u^p) = \operatorname{Ker}(u).

Par conséquent, pour tout xV0x \in V_0, on a u(x)=0u(x) = 0.

La restriction uV0u_{|V_0} est donc l'endomorphisme nul.

L'endomorphisme nul étant diagonalisable, on en déduit que :

uV0 est diagonalisable\boxed{u_{|V_0} \text{ est diagonalisable}}

Conclusion :

L'endomorphisme uu est diagonalisable sur chaque sous-espace d'une somme directe qui supplée EE.

M est diagonalisable\boxed{M \text{ est diagonalisable}}

L'erreur classique consiste à oublier de traiter séparément le cas de la valeur propre nulle. Pour μ0\mu \neq 0, le polynôme XpμX^p - \mu est toujours à racines simples, mais pour μ=0\mu = 0, le polynôme est XpX^p, qui a une racine multiple (0) d'ordre pp si p>1p > 1. C'est ici que l'hypothèse sur les noyaux intervient de façon cruciale.