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Soit nNn \in \mathbb{N}^* et AMn(R)A \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{R}) une matrice vérifiant la relation suivante :

A3=A+InA^{3} = A + I_n

  1. Démontrer que det(A)>0\det(A) > 0.
  2. La matrice AA est-elle diagonalisable dans Mn(C)\mathcal{M}_n(\mathbb{C}) ?
  3. À quelle condition nécessaire et suffisante AA est-elle diagonalisable dans Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}) ?

1.

Étudier le polynôme annulateur P(X)=X3X1P(X) = X^3 - X - 1 et ses racines dans C\mathbb{C}.

2.

Utiliser le fait que les valeurs propres complexes d'une matrice réelle sont soit réelles, soit conjuguées deux à deux avec la même multiplicité.

3.

Un endomorphisme est diagonalisable sur C\mathbb{C} si et seulement s'il possède un polynôme annulateur scindé à racines simples.

Idées clés

Analyse d'un polynôme annulateur et de son spectre.

Lien entre déterminant et produit des valeurs propres.

Critère de diagonalisation par les polynômes (racines simples).

Résolution.

  1. Considérons le polynôme P(X)=X3X1P(X) = X^3 - X - 1. Par hypothèse, PP est un polynôme annulateur de AA. Étudions les variations de la fonction f:xx3x1f: x \mapsto x^3 - x - 1 sur R\mathbb{R}. Sa dérivée est f(x)=3x21f'(x) = 3x^2 - 1, qui s'annule en ±13\pm \frac{1}{\sqrt{3}}. Le maximum local est atteint en 13-\frac{1}{\sqrt{3}} :
    f(13)=133+131=2331=2391<0f\left(-\frac{1}{\sqrt{3}}\right) = -\frac{1}{3\sqrt{3}} + \frac{1}{\sqrt{3}} - 1 = \frac{2}{3\sqrt{3}} - 1 = \frac{2\sqrt{3}}{9} - 1 < 0
    Puisque le maximum local est strictement négatif et que limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty, le théorème des valeurs intermédiaires assure que PP possède une unique racine réelle aa. De plus, comme f(1)=1f(1) = -1 et f(2)=5f(2) = 5, on sait que :
    a]1,2[\boxed{a \in ]1, 2[}
    Puisque PP est de degré 3, il possède deux autres racines dans C\mathbb{C}, notées bb et cc. Comme PR[X]P \in \mathbb{R}[X], ces racines sont conjuguées : c=bˉc = \bar{b}. Le spectre de AA, noté SpC(A)\text{Sp}_{\mathbb{C}}(A), est inclus dans l'ensemble des racines de PP, soit {a,b,bˉ}\{a, b, \bar{b}\}. Notons ma,mb,mbˉm_a, m_b, m_{\bar{b}} les multiplicités respectives de ces valeurs propres (éventuellement nulles). Comme AA est une matrice réelle, les multiplicités des valeurs propres conjuguées sont égales : mb=mbˉm_b = m_{\bar{b}}. Le déterminant est le produit des valeurs propres comptées avec multiplicité :
    det(A)=amabmb(bˉ)mb=ama(bbˉ)mb\det(A) = a^{m_a} \cdot b^{m_b} \cdot (\bar{b})^{m_b} = a^{m_a} \cdot (b\bar{b})^{m_b}
    D'où :
    det(A)=amab2mb\det(A) = a^{m_a} \cdot |b|^{2m_b}
    Comme a>1a > 1 et b20|b|^2 \ge 0, et que le déterminant d'une matrice inversible est non nul :
    det(A)>0\boxed{\det(A) > 0}

  2. Un endomorphisme est diagonalisable sur C\mathbb{C} si et seulement s'il admet un polynôme annulateur scindé sur C\mathbb{C} à racines simples. Vérifions si les racines de PP sont simples. Les racines de PP' sont ±13\pm \frac{1}{\sqrt{3}}. Nous avons déjà calculé P(1/3)0P(-1/\sqrt{3}) \neq 0. De même, P(1/3)=133131=23910P(1/\sqrt{3}) = \frac{1}{3\sqrt{3}} - \frac{1}{\sqrt{3}} - 1 = -\frac{2\sqrt{3}}{9} - 1 \neq 0. Les racines de PP sont donc simples dans C\mathbb{C}.
    A est diagonalisable dans Mn(C)\boxed{A \text{ est diagonalisable dans } \mathcal{M}_n(\mathbb{C})}

  3. Pour que AA soit diagonalisable dans Mn(R)\mathcal{M}_n(\mathbb{R}), il faut et il suffit que son polynôme minimal soit scindé sur R\mathbb{R} à racines simples. Or, les seules racines réelles de PP se limitent à {a}\{a\}. Ainsi, AA est diagonalisable sur R\mathbb{R} si et seulement si son spectre (dans C\mathbb{C}) est réduit à {a}\{a\}. Si SpC(A)={a}\text{Sp}_{\mathbb{C}}(A) = \{a\}, comme AA est diagonalisable sur C\mathbb{C}, elle est semblable à aIna I_n, donc A=aInA = a I_n. Réciproquement, si A=aInA = a I_n, elle est trivialement diagonalisable sur R\mathbb{R} (elle est déjà diagonale).
    A est R-diagonalisable    A=aIn\boxed{A \text{ est } \mathbb{R}\text{-diagonalisable} \iff A = a I_n}

Attention à ne pas oublier que si AA est réelle, ses valeurs propres complexes non réelles sont obligatoirement conjuguées deux à deux avec la même multiplicité. C'est cet argument qui garantit que bmbbˉmc=b2mbb^{m_b} \bar{b}^{m_c} = |b|^{2m_b} est un réel positif.