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Soit (E,⟨⋅,⋅⟩)(E, \langle \cdot, \cdot \rangle) un espace vectoriel euclidien de dimension finie n≥1n \geq 1. Un endomorphisme u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) est dit antisymétrique s'il vérifie :

∀(x,y)∈E2,⟨u(x),y⟩=−⟨x,u(y)⟩\forall (x, y) \in E^2,   \langle u(x), y \rangle = -\langle x, u(y) \rangle

On rappelle que si FF est un sous-espace vectoriel de EE stable par uu, alors son orthogonal F⊥F^\perp est également stable par uu.

  1. Soit λ\lambda une valeur propre réelle de uu. Démontrer que nécessairement λ=0\lambda = 0.
  2. Soit M∈An(R)M \in \mathcal{A}_n(\mathbb{R}) une matrice antisymétrique réelle. Montrer que ses valeurs propres dans C\mathbb{C} sont portées par l'axe des imaginaires purs iRi\mathbb{R}.
  3. Établir l'existence d'une base orthonormée B\mathcal{B} de EE telle que la matrice de uu dans cette base soit de la forme :
    MatB(u)=(Op0⋯00A1⋱⋮⋮⋱⋱00⋯0Aq)\text{Mat}_{\mathcal{B}}(u) = \begin{pmatrix} O_p & 0 & \cdots & 0
    0 & A_1 & \ddots & \vdots
    \vdots & \ddots & \ddots & 0
    0 & \cdots & 0 & A_q \end{pmatrix}
    où OpO_p est la matrice nulle de taille p×pp \times p et chaque AkA_k est un bloc de la forme (0−akak0)\begin{pmatrix} 0 & -a_k
    a_k & 0 \end{pmatrix}
    avec ak∈R∗a_k \in \mathbb{R}^*.

1.

Pour la question 1, calculer ⟨u(x),x⟩\langle u(x), x \rangle de deux manières différentes pour un vecteur propre xx.

2.

Pour la question 2, utiliser le produit scalaire hermitien canonique sur Cn\mathbb{C}^n défini par ⟨X,Y⟩C=X‾TY\langle X, Y \rangle_{\mathbb{C}} = \overline{X}^T Y.

3.

Pour la question 3, procéder par récurrence sur la dimension de EE. On pourra étudier l'endomorphisme symétrique u2u^2 pour trouver un plan stable ou un vecteur propre.

Idées clés

•

Propriété fondamentale : ⟨u(x),x⟩=0\langle u(x), x \rangle = 0 pour tout x∈Ex \in E.

•

Lien entre antisymétrie et valeurs propres imaginaires pures via le caractère hermitien de la matrice dans C\mathbb{C}.

•

Structure par blocs obtenue par décomposition de l'espace en sous-espaces stables orthogonaux (plans ou droites).

Résolution.

  1. Soit λ∈R\lambda \in \mathbb{R} une valeur propre de uu. Il existe x∈E∖{0}x \in E \setminus \{0\} tel que u(x)=λxu(x) = \lambda x. Par définition de l'antisymétrie, nous avons ⟨u(x),x⟩=−⟨x,u(x)⟩\langle u(x), x \rangle = -\langle x, u(x) \rangle. En utilisant le caractère bilinéaire du produit scalaire :
    ⟨λx,x⟩=−⟨x,λx⟩  ⟺  λ∥x∥2=−λ∥x∥2\langle \lambda x, x \rangle = -\langle x, \lambda x \rangle \iff \lambda \|x\|^2 = -\lambda \|x\|^2
    D'où 2λ∥x∥2=02\lambda \|x\|^2 = 0. Comme x≠0x \neq 0, on a ∥x∥2≠0\|x\|^2 \neq 0, ce qui impose :
    λ=0\boxed{\lambda = 0}
    Ainsi, la seule valeur propre réelle possible d'un endomorphisme antisymétrique est 0.

  2. Considérons M∈An(R)⊂An(C)M \in \mathcal{A}_n(\mathbb{R}) \subset \mathcal{A}_n(\mathbb{C}). Soit μ∈C\mu \in \mathbb{C} une valeur propre complexe de MM et X∈Cn∖{0}X \in \mathbb{C}^n \setminus \{0\} un vecteur propre associé. On utilise le produit scalaire hermitien canonique sur Cn\mathbb{C}^n. On a MX=μXMX = \mu X et MT=−MM^T = -M. Calculons la quantité X‾TMX\overline{X}^T M X de deux façons :
    X‾T(MX)=X‾T(μX)=μX‾TX=μ∥X∥2\overline{X}^T (MX) = \overline{X}^T (\mu X) = \mu \overline{X}^T X = \mu \|X\|^2
    D'autre part, en utilisant la transposée (et le fait que M‾=M\overline{M} = M car MM est réelle) :
    X‾TMX=(MTX‾)TX=(−MX‾)TX=−(MX‾)TX=−μ‾X‾TX=−μ‾∥X∥2\overline{X}^T M X = (M^T \overline{X})^T X = (-M \overline{X})^T X = - (\overline{MX})^T X = - \overline{\mu} \overline{X}^T X = -\overline{\mu} \|X\|^2
    On en déduit (μ+μ‾)∥X∥2=0(\mu + \overline{\mu}) \|X\|^2 = 0. Comme ∥X∥≠0\|X\| \neq 0, on obtient μ+μ‾=0\mu + \overline{\mu} = 0, soit 2Re(μ)=02 \text{Re}(\mu) = 0.
    μ∈iR\boxed{\mu \in i\mathbb{R}}

  3. Procédons par récurrence sur n=dim⁡En = \dim E. Initialisation : Pour n=0n=0 ou n=1n=1, le résultat est immédiat. Si n=1n=1, uu est l'application nulle d'après la question 1, donc la matrice est (0)(0), ce qui correspond à O1O_1. Hérédité : Supposons la propriété vraie pour tout espace de dimension strictement inférieure à nn. Cas 1 : ker⁡u≠{0\ker u \neq \{0\}.} Soit e1e_1 un vecteur unitaire de ker⁡u\ker u. La droite F=Vect(e1)F = \text{Vect}(e_1) est stable par uu. Par rappel de l'énoncé, F⊥F^\perp est stable par uu. L'endomorphisme induit u∣F⊥u_{|F^\perp} est encore antisymétrique. Par hypothèse de récurrence sur F⊥F^\perp (de dimension n−1n-1), il existe une BON de F⊥F^\perp redimensionnant uu. En y ajoutant e1e_1, on obtient la forme voulue. Cas 2 : ker⁡u={0\ker u = \{0\}.} Considérons l'endomorphisme v=u2v = u^2. Pour tous x,y∈Ex, y \in E :
    ⟨u2(x),y⟩=−⟨u(x),u(y)⟩=⟨x,u2(y)⟩\langle u^2(x), y \rangle = -\langle u(x), u(y) \rangle = \langle x, u^2(y) \rangle
    Ainsi u2u^2 est un endomorphisme symétrique. D'après le théorème spectral, il possède au moins une valeur propre réelle μ\mu. Soit e1e_1 un vecteur propre unitaire de u2u^2 associé à μ\mu. On a μ=⟨u2(e1),e1⟩=−∥u(e1)∥2\mu = \langle u^2(e_1), e_1 \rangle = -\|u(e_1)\|^2. Comme uu est injective, u(e1)≠0u(e_1) \neq 0, donc μ<0\mu < 0. Posons μ=−a2\mu = -a^2 avec a>0a > 0. Posons e2=1au(e1)e_2 = \frac{1}{a} u(e_1). Alors :
    • ∥e2∥2=1a2⟨u(e1),u(e1)⟩=−1a2⟨u2(e1),e1⟩=−1a2(−a2∥e1∥2)=1\|e_2\|^2 = \frac{1}{a^2} \langle u(e_1), u(e_1) \rangle = -\frac{1}{a^2} \langle u^2(e_1), e_1 \rangle = -\frac{1}{a^2} (-a^2 \|e_1\|^2) = 1.
    • ⟨e1,e2⟩=1a⟨e1,u(e1)⟩=0\langle e_1, e_2 \rangle = \frac{1}{a} \langle e_1, u(e_1) \rangle = 0 (propriété des antisymétriques).
    Le plan P=Vect(e1,e2)P = \text{Vect}(e_1, e_2) est stable par uu car u(e1)=ae2u(e_1) = a e_2 et u(e2)=1au2(e1)=−ae1u(e_2) = \frac{1}{a} u^2(e_1) = -a e_1. La matrice de u∣Pu_{|P} dans la BON (e1,e2)(e_1, e_2) est (0−aa0)\begin{pmatrix} 0 & -a
    a & 0 \end{pmatrix}
    . En appliquant l'hypothèse de récurrence à P⊥P^\perp (stable et de dimension n−2n-2), on conclut.

Ne pas oublier que la réduction des endomorphismes antisymétriques ne conduit pas à une matrice diagonale sur R\mathbb{R} (sauf si u=0u=0). Il s'agit d'une réduction par blocs.