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Soient pp et qq deux entiers naturels non nuls. On considère deux matrices carrées A∈Mp(K)A \in \mathcal{M}_p(\mathbb{K}) et B∈Mq(K)B \in \mathcal{M}_q(\mathbb{K}), où K\mathbb{K} désigne R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}.

  1. On définit la matrice diagonale par blocs M=(A00B)∈Mp+q(K)M = \begin{pmatrix} A & 0
    0 & B \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_{p+q}(\mathbb{K})
    .
    1. Démontrer que MM est diagonalisable si et seulement si AA et BB le sont.
    2. Établir un résultat analogue pour la trigonalisabilité.

  2. On considère maintenant la matrice triangulaire par blocs N=(AC0B)∈Mp+q(K)N = \begin{pmatrix} A & C
    0 & B \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_{p+q}(\mathbb{K})
    , où C∈Mp,q(K)C \in \mathcal{M}_{p,q}(\mathbb{K}). On suppose que AA et BB sont deux matrices diagonalisables telles que leurs spectres sont disjoints : Sp(A)∩Sp(B)=∅\text{Sp}(A) \cap \text{Sp}(B) = \emptyset. Montrer que la matrice NN est diagonalisable.

1.

Pour la question 1(a), utiliser les polynômes annulateurs pour le sens direct, et la similitude pour le sens réciproque.

2.

Pour la question 1(b), exprimer le polynôme caractéristique de MM en fonction de ceux de AA et BB.

3.

Pour la question 2, étudier la dimension des sous-espaces propres de NN associés aux valeurs propres de AA, puis faire de même pour BB en considérant la transposée NTN^T.

Idées clés

•

Lien entre polynômes de matrices par blocs : P(M)=diag(P(A),P(B))P(M) = \text{diag}(P(A), P(B)).

•

Caractérisation de la diagonalisabilité par les polynômes scindés à racines simples.

•

Étude de la somme des dimensions des sous-espaces propres.

Résolution.

    1. Sens direct : Supposons MM diagonalisable. Il existe un polynôme P∈K[X]P \in \mathbb{K}[X], scindé sur K\mathbb{K} et à racines simples, tel que P(M)=0p+qP(M) = 0_{p+q}. Par un calcul par blocs immédiat, on remarque que pour tout entier k∈Nk \in \mathbb{N}, Mk=diag(Ak,Bk)M^k = \text{diag}(A^k, B^k). Par linéarité, on en déduit :
      P(M)=(P(A)00P(B))P(M) = \begin{pmatrix} P(A) & 0
      0 & P(B) \end{pmatrix}
      La condition P(M)=0P(M) = 0 implique donc P(A)=0pP(A) = 0_p et P(B)=0qP(B) = 0_q. Ainsi, AA et BB possèdent un polynôme annulateur scindé à racines simples.
      A et B sont donc diagonalisables.\boxed{A \text{ et } B \text{ sont donc diagonalisables.}}

      Sens réciproque : Supposons AA et BB diagonalisables. Il existe des matrices inversibles Q∈GLp(K)Q \in GL_p(\mathbb{K}) et R∈GLq(K)R \in GL_q(\mathbb{K}) telles que DA=Q−1AQD_A = Q^{-1}AQ et DB=R−1BRD_B = R^{-1}BR soient diagonales. Considérons la matrice de passage par blocs P=(Q00R)P = \begin{pmatrix} Q & 0
      0 & R \end{pmatrix}
      . Elle est inversible d'inverse P−1=(Q−100R−1)P^{-1} = \begin{pmatrix} Q^{-1} & 0
      0 & R^{-1} \end{pmatrix}
      . Le produit par blocs donne :

      P−1MP=(Q−100R−1)(A00B)(Q00R)=(Q−1AQ00R−1BR)P^{-1}MP = \begin{pmatrix} Q^{-1} & 0
      0 & R^{-1} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} A & 0
      0 & B \end{pmatrix} \begin{pmatrix} Q & 0
      0 & R \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} Q^{-1}AQ & 0
      0 & R^{-1}BR \end{pmatrix}
      D'où :
      P−1MP=(DA00DB)\boxed{P^{-1}MP = \begin{pmatrix} D_A & 0
      0 & D_B \end{pmatrix}}
      La matrice MM est semblable à une matrice diagonale, elle est donc diagonalisable.

    2. On sait qu'une matrice est trigonalisable sur K\mathbb{K} si et seulement si son polynôme caractéristique est scindé sur K\mathbb{K}. Le calcul du déterminant d'une matrice par blocs montre que :
      χM(X)=det⁡(XIp+q−M)=det⁡(XIp−A)det⁡(XIq−B)=χA(X)χB(X)\chi_M(X) = \det(XI_{p+q} - M) = \det(XI_p - A) \det(XI_q - B) = \chi_A(X) \chi_B(X)
      Un produit de polynômes est scindé si et seulement si chaque facteur l'est. Par conséquent, χM\chi_M est scindé si et seulement si χA\chi_A et χB\chi_B le sont.
      M est trigonalisable  ⟺  A et B sont trigonalisables.\boxed{M \text{ est trigonalisable} \iff A \text{ et } B \text{ sont trigonalisables.}}

  1. Soit λ∈Sp(A)\lambda \in \text{Sp}(A). On sait que pour tout vecteur X∈KpX \in \mathbb{K}^p, on a :
    N(X0)=(AC0B)(X0)=(AX0)N \begin{pmatrix} X
    0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} A & C
    0 & B \end{pmatrix} \begin{pmatrix} X
    0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} AX
    0 \end{pmatrix}
    Ainsi, si XX est un vecteur propre de AA pour la valeur propre λ\lambda, alors (X0)\begin{pmatrix} X
    0 \end{pmatrix}
    est un vecteur propre de NN pour la même valeur propre. L'application X↦(X0)X \mapsto \begin{pmatrix} X
    0 \end{pmatrix}
    est une injection de Eλ(A)E_\lambda(A) dans Eλ(N)E_\lambda(N). On en déduit :
    ∀λ∈Sp(A),dim⁡Eλ(N)≥dim⁡Eλ(A)\forall \lambda \in \text{Sp}(A),   \dim E_\lambda(N) \geq \dim E_\lambda(A)
    Considérons maintenant μ∈Sp(B)\mu \in \text{Sp}(B). On utilise la matrice transposée NT=(AT0CTBT)N^T = \begin{pmatrix} A^T & 0
    C^T & B^T \end{pmatrix}
    . Par un raisonnement symétrique sur les lignes (ou en travaillant sur NTN^T qui a les mêmes valeurs propres que NN), on montre que pour tout vecteur propre YY de BTB^T associé à μ\mu, le vecteur (0Y)\begin{pmatrix} 0
    Y \end{pmatrix}
    est propre pour NTN^T. Comme dim⁡Eμ(B)=dim⁡Eμ(BT)\dim E_\mu(B) = \dim E_\mu(B^T) et dim⁡Eμ(N)=dim⁡Eμ(NT)\dim E_\mu(N) = \dim E_\mu(N^T), on obtient :
    ∀μ∈Sp(B),dim⁡Eμ(N)≥dim⁡Eμ(B)\forall \mu \in \text{Sp}(B),   \dim E_\mu(N) \geq \dim E_\mu(B)
    Puisque Sp(A)∩Sp(B)=∅\text{Sp}(A) \cap \text{Sp}(B) = \emptyset, les sous-espaces propres associés aux valeurs propres de AA et de BB sont en somme directe. Notons S=∑λ∈Sp(A)dim⁡Eλ(N)+∑μ∈Sp(B)dim⁡Eμ(N)S = \sum_{\lambda \in \text{Sp}(A)} \dim E_\lambda(N) + \sum_{\mu \in \text{Sp}(B)} \dim E_\mu(N). D'après les inégalités précédentes :
    S≥∑λ∈Sp(A)dim⁡Eλ(A)+∑μ∈Sp(B)dim⁡Eμ(B)S \geq \sum_{\lambda \in \text{Sp}(A)} \dim E_\lambda(A) + \sum_{\mu \in \text{Sp}(B)} \dim E_\mu(B)
    Or AA et BB sont diagonalisables, donc la somme des dimensions de leurs sous-espaces propres est égale à leur taille respective :
    ∑dim⁡Eλ(A)=pet∑dim⁡Eμ(B)=q\sum \dim E_\lambda(A) = p   \text{et}   \sum \dim E_\mu(B) = q
    D'où S≥p+qS \geq p+q. Comme la somme des dimensions des sous-espaces propres ne peut excéder la dimension de l'espace p+qp+q, on a nécessairement :
    ∑λ∈Sp(N)dim⁡Eλ(N)=p+q\boxed{\sum_{\lambda \in \text{Sp}(N)} \dim E_\lambda(N) = p+q}
    La matrice NN est donc diagonalisable.

Dans la question 2, il est tentant de dire que les vecteurs propres de BB se "remontent" directement en vecteurs propres de NN. C'est faux : si XX est propre pour BB, (0X)\begin{pmatrix} 0
X \end{pmatrix}
n'est propre pour NN que si CX=0CX=0. C'est pour cela qu'on utilise l'astuce de la transposée ou un calcul de dimension global.