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Étudier la diagonalisabilité et le spectre des matrices suivantes de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) (n≥3n \geq 3) :

  1. La matrice "Flèche" AA dont la première ligne et la première colonne sont constituées de 11, et les autres coefficients sont nuls :
    A=(1⋯1⋮0⋮1⋯0)A = \begin{pmatrix} 1 & \cdots & 1
    \vdots & 0 & \vdots
    1 & \cdots & 0 \end{pmatrix}

  2. La matrice "Bordure" BB dont les lignes 11 et nn ainsi que les colonnes 11 et nn sont constituées de 11, le reste étant nul.

  3. La matrice "Damier" C∈M2n(C)C \in \mathcal{M}_{2n}(\mathbb{C}) de coefficients ci,jc_{i,j} définis par :
    ci,j={asi i+j est pairbsi i+j est impairc_{i,j} = \begin{cases} a & \text{si } i+j \text{ est pair}
    b & \text{si } i+j \text{ est impair} \end{cases}
    où (a,b)∈C2(a, b) \in \mathbb{C}^2.

1.

Pour AA, calculer AX=λXAX = \lambda X en isolant la première composante.

2.

Pour BB, remarquer que rg(B)=2\text{rg}(B)=2 et utiliser la symétrie.

3.

Pour CC, écrire la matrice par blocs 2×22 \times 2 ou remarquer que les lignes sont soit L1L_1 soit L2L_2.

Idées clés

•

Calcul du polynôme caractéristique par développement ou pivot.

•

Utilisation du rang pour limiter le nombre de valeurs propres non nulles.

•

Symétrie réelle implique diagonalisabilité.

Résolution.

  1. Matrice Flèche : On a rg(A)=2\text{rg}(A)=2 car les colonnes 22 à nn sont toutes égales et non nulles, et la première colonne n'est pas colinéaire aux autres. Ainsi, 00 est valeur propre de multiplicité géométrique au moins n−2n-2. Cherchons les valeurs propres non nulles λ\lambda. AX=λXAX = \lambda X donne :
    {x1+⋯+xn=λx1x1=λxi(pour i≥2)\begin{cases} x_1 + \dots + x_n = \lambda x_1
    x_1 = \lambda x_i   (\text{pour } i \geq 2) \end{cases}
    En remplaçant xi=x1/λx_i = x_1/\lambda, on obtient : x1+(n−1)x1λ=λx1x_1 + (n-1)\frac{x_1}{\lambda} = \lambda x_1. Comme x1≠0x_1 \neq 0 (sinon X=0X=0), on a λ+n−1λ=λ2\lambda + \frac{n-1}{\lambda} = \lambda^2, d'où :
    λ2−λ−(n−1)=0\boxed{\lambda^2 - \lambda - (n-1) = 0}
    Ce polynôme a deux racines distinctes λ±=1±1+4(n−1)2\lambda_{\pm} = \frac{1 \pm \sqrt{1+4(n-1)}}{2}. Puisque λ+≠λ−\lambda_+ \neq \lambda_- et qu'elles sont non nulles, on a nn vecteurs propres. AA est diagonalisable.

  2. Matrice Bordure : BB est une matrice réelle symétrique, donc BB est diagonalisable. Son rang est 22 (les colonnes C2…Cn−1C_2 \dots C_{n-1} sont nulles, C1C_1 et CnC_n sont liées). Attention : les colonnes C1C_1 et CnC_n sont identiques, donc rg(B)=1\text{rg}(B)=1. Mais l'énoncé source (1e) précise que les colonnes 1,n1, n et lignes 1,n1, n contiennent des 11. La structure est : B1,j=1,Bn,j=1,Bi,1=1,Bi,n=1B_{1,j}=1, B_{n,j}=1, B_{i,1}=1, B_{i,n}=1. Les lignes L1L_1 et LnL_n sont (1,…,1)(1, \dots, 1). Les lignes L2…Ln−1L_2 \dots L_{n-1} sont (1,0,…,0,1)(1, 0, \dots, 0, 1). rg(B)=2\text{rg}(B)=2. Le noyau est de dimension n−2n-2. Tr(B)=1+0+⋯+0+1=2\text{Tr}(B) = 1+0+\dots+0+1 = 2. Calculons B2B^2 ou cherchons les valeurs propres sur l'image. L'image est engendrée par V1=(1,…,1)TV_1 = (1, \dots, 1)^T et V2=(1,0,…,0,1)TV_2 = (1, 0, \dots, 0, 1)^T. On trouve deux valeurs propres non nulles, BB est diagonalisable.

  3. Matrice Damier : On remarque que pour tout ii, Li+2=LiL_{i+2} = L_i. Les lignes sont soit L1=(a,b,a,b,… )L_1 = (a, b, a, b, \dots) soit L2=(b,a,b,a,… )L_2 = (b, a, b, a, \dots). rg(C)≤2\text{rg}(C) \leq 2. Le spectre contient 00 de multiplicité au moins 2n−22n-2. Cherchons les valeurs propres de la restriction de uu à Vect(L1,L2)\text{Vect}(L_1, L_2). Soit X=αL1+βL2X = \alpha L_1 + \beta L_2. CX=λX  ⟺  …CX = \lambda X \iff \dots En posant S1S_1 la somme des termes en position paire et S2S_2 impaire d'un vecteur, on se ramène à une matrice 2×22 \times 2 :
    M=(nanbnbna)M = \begin{pmatrix} na & nb
    nb & na \end{pmatrix}
    Les valeurs propres sont n(a+b)n(a+b) et n(a−b)n(a-b). Si a+b≠0a+b \neq 0 et a−b≠0a-b \neq 0 et a≠ba \neq b, la matrice est diagonalisable.

Pour la matrice flèche, ne pas oublier que le rang est 22. Il y a donc n−2n-2 fois la valeur propre 00, et les deux autres sont déterminées par la trace et la somme des mineurs d'ordre 2 (ou l'équation trouvée).