WikiPrépaLivrets

Soit EE un espace vectoriel de dimension finie sur un corps K\mathbb{K}. On considère un endomorphisme uL(E)u \in \mathcal{L}(E) que l'on suppose diagonalisable.

On définit les deux applications suivantes sur l'espace L(E)\mathcal{L}(E) :

ϕ:{L(E)L(E)fufetψ:{L(E)L(E)ffu\phi : \begin{cases} \mathcal{L}(E) \to \mathcal{L}(E)
f \mapsto u \circ f \end{cases}   \text{et}   \psi : \begin{cases} \mathcal{L}(E) \to \mathcal{L}(E)
f \mapsto f \circ u \end{cases}

  1. Démontrer que les endomorphismes ϕ\phi et ψ\psi de l'espace L(E)\mathcal{L}(E) sont diagonalisables.
  2. En déduire que l'application Δ\Delta définie par Δ(f)=uffu\Delta(f) = u \circ f - f \circ u est un endomorphisme diagonalisable de L(E)\mathcal{L}(E).

1.

Pour la question 1, utiliser le fait qu'un endomorphisme est diagonalisable si et seulement s'il existe un polynôme scindé à racines simples qui l'annule. On pourra chercher un lien entre P(u)P(u) et P(ϕ)P(\phi) (respectivement P(ψ)P(\psi)) pour un polynôme PK[X]P \in \mathbb{K}[X].

2.

Pour la question 2, vérifier si les endomorphismes ϕ\phi et ψ\psi commutent. Utiliser ensuite le résultat classique sur la diagonalisation simultanée d'endomorphismes qui commutent.

Idées clés

Critère polynomial de diagonalisabilité (polynôme annulateur scindé à racines simples).

Propriété de linéarité de la composition à gauche et à droite.

Théorème de diagonalisation simultanée (ou codiagonalisation).

Résolution.

  1. Diagonalisabilité de ϕ\phi et ψ\psi. Puisque uu est diagonalisable, il existe un polynôme PK[X]P \in \mathbb{K}[X] qui est scindé sur K\mathbb{K}, dont toutes les racines sont simples, et qui annule uu. Notons P=k=0dakXkP = \sum_{k=0}^d a_k X^k. Pour tout fL(E)f \in \mathcal{L}(E), étudions l'action de P(ϕ)P(\phi) sur ff. Par linéarité de la composition à gauche, on remarque que pour tout kNk \in \mathbb{N}, ϕk(f)=ukf\phi^k(f) = u^k \circ f. Il vient alors :
    P(ϕ)(f)=k=0dakϕk(f)=k=0dak(ukf)=(k=0dakuk)fP(\phi)(f) = \sum_{k=0}^d a_k \phi^k(f) = \sum_{k=0}^d a_k (u^k \circ f) = \left( \sum_{k=0}^d a_k u^k \right) \circ f

    Ainsi, on obtient la relation :

    P(ϕ)(f)=P(u)fP(\phi)(f) = P(u) \circ f

    Comme P(u)=0L(E)P(u) = 0_{\mathcal{L}(E)}, il en résulte que P(ϕ)(f)=0P(\phi)(f) = 0 pour tout ff, d'où P(ϕ)=0P(\phi) = 0.

    P(ϕ)=0L(L(E))\boxed{P(\phi) = 0_{\mathcal{L}(\mathcal{L}(E))}}

    Le polynôme PP est scindé à racines simples et annule ϕ\phi, donc ϕ\phi est diagonalisable. De la même manière, pour ψ\psi, on a ψk(f)=fuk\psi^k(f) = f \circ u^k. Par un calcul analogue :

    P(ψ)(f)=k=0dak(fuk)=f(k=0dakuk)=fP(u)P(\psi)(f) = \sum_{k=0}^d a_k (f \circ u^k) = f \circ \left( \sum_{k=0}^d a_k u^k \right) = f \circ P(u)

    On en déduit :

    P(ψ)=0L(L(E))\boxed{P(\psi) = 0_{\mathcal{L}(\mathcal{L}(E))}}

    L'endomorphisme ψ\psi est donc également diagonalisable car il admet le même polynôme annulateur scindé à racines simples que uu.

  2. Diagonalisabilité de l'application Δ=ϕψ\Delta = \phi - \psi. Vérifions si ϕ\phi et ψ\psi commutent. Soit fL(E)f \in \mathcal{L}(E) :
    (ϕψ)(f)=ϕ(ψ(f))=ϕ(fu)=u(fu)(\phi \circ \psi)(f) = \phi(\psi(f)) = \phi(f \circ u) = u \circ (f \circ u)
    (ψϕ)(f)=ψ(ϕ(f))=ψ(uf)=(uf)u(\psi \circ \phi)(f) = \psi(\phi(f)) = \psi(u \circ f) = (u \circ f) \circ u

    Par associativité de la composition dans L(E)\mathcal{L}(E), on a u(fu)=(uf)uu \circ (f \circ u) = (u \circ f) \circ u. Par conséquent :

    ϕψ=ψϕ\boxed{\phi \circ \psi = \psi \circ \phi}

    Nous sommes en présence de deux endomorphismes ϕ\phi et ψ\psi de l'espace vectoriel L(E)\mathcal{L}(E) qui sont :

    • Diagonalisables (d'après la question 1).
    • Commutants.

    D'après le cours, deux endomorphismes diagonalisables qui commutent sont simultanément diagonalisables. Cela signifie qu'il existe une base de L(E)\mathcal{L}(E) constituée de vecteurs qui sont simultanément des vecteurs propres pour ϕ\phi et pour ψ\psi. Soit B=(f1,,fn2)\mathcal{B} = (f_1, \dots, f_{n^2}) une telle base. Pour tout i{1,,n2}i \in \{1, \dots, n^2\}, il existe λi,μiK\lambda_i, \mu_i \in \mathbb{K} tels que :

    ϕ(fi)=λifietψ(fi)=μifi\phi(f_i) = \lambda_i f_i   \text{et}   \psi(f_i) = \mu_i f_i

    Alors, pour tout ii, on a :

    Δ(fi)=(ϕψ)(fi)=ϕ(fi)ψ(fi)=(λiμi)fi\Delta(f_i) = (\phi - \psi)(f_i) = \phi(f_i) - \psi(f_i) = (\lambda_i - \mu_i) f_i

    Chaque vecteur de la base B\mathcal{B} est donc un vecteur propre de Δ\Delta. On en conclut que Δ\Delta est diagonalisable.

    Δ est diagonalisable\boxed{\Delta \text{ est diagonalisable}}

Une erreur fréquente est d'essayer de calculer le polynôme caractéristique de ϕ\phi ou ψ\psi en dimension n2n^2. C'est possible en utilisant une base de matrices élémentaires (Ei,j)(E_{i,j}), mais l'approche par les polynômes annulateurs est beaucoup plus rapide et élégante.