Soient une matrice carrée et un entier naturel non nul.
Montrer que la matrice est diagonalisable si et seulement si les deux conditions suivantes sont simultanément vérifiées :
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 sur les valeurs propres.
Pour le sens réciproque, utiliser la décomposition de en somme directe des sous-espaces propres de .
Étudier la restriction de l'endomorphisme associé à sur chaque sous-espace propre de , en distinguant le cas de la valeur propre nulle.
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 et la restriction de l'endomorphisme au noyau de sa puissance.
Sens direct () :
Supposons que soit diagonalisable.
Il existe donc une matrice inversible et une matrice diagonale telles que :
En élevant à la puissance , on obtient immédiatement :
Comme est diagonale, la matrice est diagonalisable. La condition (1) est donc vérifiée.
Pour la condition (2), considérons le noyau. Pour toute matrice , on a l'inclusion .
Soit . Alors , ce qui équivaut à , soit .
En notant , on a , donc pour tout , .
Ceci implique que pour tout , d'où .
On en déduit , c'est-à-dire . Ainsi .
Par double inclusion, nous avons :
Sens réciproque () :
Supposons que soit diagonalisable et que .
Soit l'endomorphisme de canoniquement associé à . Puisque est diagonalisable, l'espace est la somme directe des sous-espaces propres de :
Notons . Comme et commutent, chaque sous-espace est stable par .
Il suffit de montrer que la restriction de à chaque est diagonalisable pour conclure que est diagonalisable sur .
Cas 1 :
Soit la restriction de à . Par définition de , on a .
Le polynôme est donc un polynôme annulateur de .
Puisque et que nous travaillons sur , le polynôme possède racines complexes distinctes.
Le polynôme annulateur est scindé à racines simples sur , donc :
Cas 2 : (si est valeur propre de )
Le sous-espace associé est .
Par l'hypothèse (2), on sait que .
Par conséquent, pour tout , on a .
La restriction est donc l'endomorphisme nul.
L'endomorphisme nul étant diagonalisable, on en déduit que :
Conclusion :
L'endomorphisme est diagonalisable sur chaque sous-espace d'une somme directe qui supplée .
L'erreur classique consiste à oublier de traiter séparément le cas de la valeur propre nulle. Pour , le polynôme est toujours à racines simples, mais pour , le polynôme est , qui a une racine multiple (0) d'ordre si . C'est ici que l'hypothèse sur les noyaux intervient de façon cruciale.