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Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et A∈Mn(R)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{R}). On considère la matrice par blocs MM définie par :

M=(0nInAA)∈M2n(R)M = \begin{pmatrix} 0_n & I_n
A & A \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_{2n}(\mathbb{R})

  1. Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur AA pour que MM soit diagonalisable sur C\mathbb{C}.
  2. Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur AA pour que MM soit diagonalisable sur R\mathbb{R}.

1.

Commencer par relier les valeurs propres de MM à celles de AA. On pourra chercher les vecteurs propres de MM sous la forme (XY)\begin{pmatrix} X
Y \end{pmatrix}
.

2.

Montrer que si MM est diagonalisable, alors AA est nécessairement diagonalisable en exprimant une matrice diagonale par blocs contenant AA comme une fonction de MM.

3.

Utiliser le fait qu'une matrice est diagonalisable si et seulement si son polynôme minimal est scindé à racines simples.

4.

Pour le cas réel, s'assurer que les valeurs propres de MM calculées à partir de celles de AA sont bien réelles et distinctes.

Idées clés

•

Lien entre les spectres de MM et de AA via l'équation aux valeurs propres.

•

Utilisation de la structure par blocs pour ramener le problème à l'étude de matrices de taille 2×22 \times 2.

•

CNS de diagonalisabilité : polynôme minimal scindé à racines simples.

1. Étude de la diagonalisabilité sur C\mathbb{C}

Soit λ∈C\lambda \in \mathbb{C} une valeur propre de MM et V=(XY)∈C2n∖{0}V = \begin{pmatrix} X
Y \end{pmatrix} \in \mathbb{C}^{2n} \setminus \{0\}
un vecteur propre associé. L'équation MV=λVMV = \lambda V se traduit par le système :

{Y=λXAX+AY=λY\begin{cases} Y = \lambda X
AX + AY = \lambda Y \end{cases}

En substituant la première équation dans la seconde, on obtient :

AX+A(λX)=λ2X  ⟺  (1+λ)AX=λ2XAX + A(\lambda X) = \lambda^2 X \iff (1+\lambda) AX = \lambda^2 X

Si λ=−1\lambda = -1, alors l'équation devient 0=X0 = X, d'où Y=−X=0Y = -X = 0, ce qui contredit V≠0V \neq 0. Ainsi, −1-1 n'est jamais valeur propre de MM, et l'on peut écrire :

AX=λ21+λXAX = \frac{\lambda^2}{1+\lambda} X

Ceci montre que XX est un vecteur propre de AA pour la valeur propre μ=λ21+λ\mu = \frac{\lambda^2}{1+\lambda}. Réciproquement, si μ∈Sp(A)\mu \in \text{Sp}(A), les valeurs propres λ\lambda de MM associées vérifient :

λ2−μλ−μ=0\lambda^2 - \mu\lambda - \mu = 0

Supposons MM diagonalisable sur C\mathbb{C}. Alors son polynôme minimal est scindé à racines simples. Comme M2=(AAA2A+A2)M^2 = \begin{pmatrix} A & A
A^2 & A+A^2 \end{pmatrix}
et M+I=(IIAA+I)M+I = \begin{pmatrix} I & I
A & A+I \end{pmatrix}
, on vérifie par un calcul direct que :

(M+I)(A00A)=(AAA2A2+A)=M2(M+I) \begin{pmatrix} A & 0
0 & A \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} A & A
A^2 & A^2+A \end{pmatrix} = M^2

Puisque −1∉Sp(M)-1 \notin \text{Sp}(M), la matrice M+IM+I est inversible et :

(A00A)=(M+I)−1M2\begin{pmatrix} A & 0
0 & A \end{pmatrix} = (M+I)^{-1} M^2

Le membre de droite est un polynôme en MM. Or, si MM est diagonalisable, tout polynôme en MM l'est aussi. Ceci implique que la matrice bloc-diagonale diag(A,A)\text{diag}(A, A) est diagonalisable, et donc AA est diagonalisable.

Pour que MM soit diagonalisable, il faut de plus que pour chaque μ∈Sp(A)\mu \in \text{Sp}(A), les racines de X2−μX−μX^2 - \mu X - \mu soient distinctes. En effet, si une valeur propre μ\mu donne une racine double λ\lambda, le bloc de taille 2 correspondant dans la réduction ne sera pas diagonalisable (car non scalaire). Le discriminant de X2−μX−μX^2 - \mu X - \mu est :

Δμ=μ2+4μ=μ(μ+4)\Delta_\mu = \mu^2 + 4\mu = \mu(\mu+4)

Ce discriminant est nul si et seulement si μ=0\mu = 0 ou μ=−4\mu = -4.

M est C-diagonalisable  ⟺  A est C-diagonalisable et {0,−4}∩Sp(A)=∅\boxed{M \text{ est } \mathbb{C}\text{-diagonalisable} \iff A \text{ est } \mathbb{C}\text{-diagonalisable et } \{0, -4\} \cap \text{Sp}(A) = \emptyset}

2. Étude de la diagonalisabilité sur R\mathbb{R}

Pour que MM soit diagonalisable sur R\mathbb{R}, il est nécessaire qu'elle le soit sur C\mathbb{C}. D'après la question précédente, AA doit être diagonalisable sur R\mathbb{R} (car ses valeurs propres doivent être réelles pour que celles de MM le soient).

De plus, pour chaque μ∈Sp(A)\mu \in \text{Sp}(A), les racines λ\lambda du trinôme X2−μX−μX^2 - \mu X - \mu doivent être réelles et distinctes. Cela impose que le discriminant soit strictement positif :

Δμ=μ(μ+4)>0\Delta_\mu = \mu(\mu+4) > 0

L'étude du signe du trinôme μ↦μ2+4μ\mu \mapsto \mu^2 + 4\mu montre que cette condition est réalisée si et seulement si :

μ∈]−∞,−4[∪]0,+∞[\mu \in ]-\infty, -4[ \cup ]0, +\infty[

On en conclut la condition nécessaire et suffisante :

M est R-diagonalisable  ⟺  A est R-diag et Sp(A)⊂]−∞,−4[∪]0,+∞[\boxed{M \text{ est } \mathbb{R}\text{-diagonalisable} \iff A \text{ est } \mathbb{R}\text{-diag et } \text{Sp}(A) \subset ]-\infty, -4[ \cup ]0, +\infty[}

L'erreur classique consiste à oublier de justifier que AA doit être diagonalisable. Il ne suffit pas de travailler sur les valeurs propres de MM ; il faut assurer que la dimension des sous-espaces propres de MM est suffisante, ce qui est directement lié à la diagonalisabilité de AA.