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Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et K\mathbb{K} un corps (R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}). On considère deux matrices non nulles A,B∈Mn(K)A, B \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}). On définit l'application uu sur Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) par :

∀M∈Mn(K),u(M)=M+Tr⁡(AM)B\forall M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}),   u(M) = M + \operatorname{Tr}(AM)B

  1. Montrer que uu est un endomorphisme de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}).
  2. À l'aide du calcul de (u−Id⁡)2(u-\operatorname{Id})^2, déterminer une condition nécessaire et suffisante sur les matrices AA et BB pour que l'endomorphisme uu soit diagonalisable.

1.

Introduire l'endomorphisme auxiliaire v=u−Id⁡v = u - \operatorname{Id} défini par v(M)=Tr⁡(AM)Bv(M) = \operatorname{Tr}(AM)B.

2.

Remarquer que l'image de vv est incluse dans Vect⁡(B)\operatorname{Vect}(B). L'endomorphisme vv est donc de rang au plus 1.

3.

Calculer v2(M)v^2(M) pour tout M∈Mn(K)M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) et en déduire un polynôme annulateur de vv.

4.

Utiliser le fait qu'un endomorphisme est diagonalisable si et seulement s'il admet un polynôme annulateur scindé à racines simples.

Idées clés

•

Étude d'un endomorphisme de rang 1 : v(M)=L(M)Bv(M) = L(M)B où LL est une forme linéaire.

•

Lien entre la diagonalisabilité de uu et celle de v=u−Id⁡v = u - \operatorname{Id}.

•

Utilisation d'un polynôme annulateur de second degré.

Résolution.

  1. Soient M,N∈Mn(K)M, N \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) et λ∈K\lambda \in \mathbb{K}. Par linéarité de la trace :
    Tr⁡(A(λM+N))=λTr⁡(AM)+Tr⁡(AN)\operatorname{Tr}(A(\lambda M + N)) = \lambda \operatorname{Tr}(AM) + \operatorname{Tr}(AN)
    On en déduit :
    u(λM+N)=(λM+N)+[λTr⁡(AM)+Tr⁡(AN)]Bu(\lambda M + N) = (\lambda M + N) + [\lambda \operatorname{Tr}(AM) + \operatorname{Tr}(AN)]B
    En réorganisant les termes :
    u(λM+N)=λ(M+Tr⁡(AM)B)+(N+Tr⁡(AN)B)=λu(M)+u(N)u(\lambda M + N) = \lambda (M + \operatorname{Tr}(AM)B) + (N + \operatorname{Tr}(AN)B) = \lambda u(M) + u(N)
    L'application uu est donc bien un endomorphisme de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}).

  2. Posons v=u−Id⁡v = u - \operatorname{Id}. On remarque que uu est diagonalisable si et seulement si vv l'est. Pour tout M∈Mn(K)M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}), on a v(M)=Tr⁡(AM)Bv(M) = \operatorname{Tr}(AM)B. Calculons v2(M)v^2(M) :
    v2(M)=v(v(M))=v(Tr⁡(AM)B)v^2(M) = v(v(M)) = v(\operatorname{Tr}(AM)B)
    Par linéarité de vv (ou car Tr⁡(AM)\operatorname{Tr}(AM) est un scalaire) :
    v2(M)=Tr⁡(AM)v(B)=Tr⁡(AM)Tr⁡(AB)Bv^2(M) = \operatorname{Tr}(AM) v(B) = \operatorname{Tr}(AM) \operatorname{Tr}(AB)B
    En identifiant avec l'expression de v(M)v(M), on obtient :
    v2=Tr⁡(AB)v\boxed{v^2 = \operatorname{Tr}(AB) v}

    L'endomorphisme vv annule donc le polynôme P(X)=X2−Tr⁡(AB)X=X(X−Tr⁡(AB))P(X) = X^2 - \operatorname{Tr}(AB)X = X(X - \operatorname{Tr}(AB)).

    Premier cas : Tr⁡(AB)≠0\operatorname{Tr(AB) \neq 0.} Le polynôme PP est scindé à racines simples (00 et Tr⁡(AB)\operatorname{Tr}(AB)) dans K\mathbb{K}. D'après le critère de diagonalisation par les polynômes annulateurs, vv est diagonalisable. Par conséquent, uu est diagonalisable.

    Second cas : Tr⁡(AB)=0\operatorname{Tr(AB) = 0.} Le polynôme annulateur devient P(X)=X2P(X) = X^2. vv est alors un endomorphisme nilpotent. Un endomorphisme nilpotent est diagonalisable si et seulement s'il est nul. Or, v=0v = 0 signifie que pour tout M∈Mn(K)M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}), Tr⁡(AM)B=0\operatorname{Tr}(AM)B = 0. Comme B≠0B \neq 0 par hypothèse, cela implique Tr⁡(AM)=0\operatorname{Tr}(AM) = 0 pour tout MM. Ceci n'est possible que si A=0A=0 (propriété classique de la forme bilinéaire (X,Y)↦Tr⁡(XY)(X,Y) \mapsto \operatorname{Tr}(XY)). Comme A≠0A \neq 0 et B≠0B \neq 0, on en déduit que v≠0v \neq 0. Ainsi, si Tr⁡(AB)=0\operatorname{Tr}(AB) = 0, vv n'est pas diagonalisable, donc uu ne l'est pas non plus.

    Conclusion :

    u est diagonalisable si et seulement si Tr⁡(AB)≠0\boxed{u \text{ est diagonalisable si et seulement si } \operatorname{Tr}(AB) \neq 0}

Ne pas oublier de traiter le cas où le polynôme X2X^2 possède une racine double (en 00). Un argument de nilpotence est alors plus rapide que de chercher le spectre.