Soit un espace vectoriel de dimension finie sur un corps . On considère un endomorphisme que l'on suppose diagonalisable.
On définit les deux applications suivantes sur l'espace :
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 et (respectivement ) pour un polynôme .
Pour la question 2, vérifier si les endomorphismes et commutent. Utiliser ensuite le résultat classique sur la diagonalisation simultanée d'endomorphismes qui commutent.
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.
Ainsi, on obtient la relation :
Comme , il en résulte que pour tout , d'où .
Le polynôme est scindé à racines simples et annule , donc est diagonalisable. De la même manière, pour , on a . Par un calcul analogue :
On en déduit :
L'endomorphisme est donc également diagonalisable car il admet le même polynôme annulateur scindé à racines simples que .
Par associativité de la composition dans , on a . Par conséquent :
Nous sommes en présence de deux endomorphismes et de l'espace vectoriel qui sont :
D'après le cours, deux endomorphismes diagonalisables qui commutent sont simultanément diagonalisables. Cela signifie qu'il existe une base de constituée de vecteurs qui sont simultanément des vecteurs propres pour et pour . Soit une telle base. Pour tout , il existe tels que :
Alors, pour tout , on a :
Chaque vecteur de la base est donc un vecteur propre de . On en conclut que est diagonalisable.
Une erreur fréquente est d'essayer de calculer le polynôme caractéristique de ou en dimension . C'est possible en utilisant une base de matrices élémentaires , mais l'approche par les polynômes annulateurs est beaucoup plus rapide et élégante.