On note par
n un nombre entier naturel non nul.
On désigne par
K l'ensemble
R ou
C.
On désigne par
E un
K-espace vectoriel et
u est un endomorphisme de
E.
L'élément identité de
E est noté
IdE.
■Vecteurspropresetvaleurspropresd′unendomorphisme∙DeˊfinitionsOn appelle
vecteurpropre de
u, tout élément
X∈E tel qu'il existe un élément
λ∈K qui vérifie la relation, qui sera notée
(⋆), suivante :
(⋆)u(X)=λXUn élément
λ∈K, satisfaisant à
(⋆), s'appelle une
valeurpropre de
u à la condition qu'il existe un vecteur
X de
E qui vérifie la relation
(⋆).
L'ensemble des valeurs propres de
u se note le spectre de
u dans
K et se note
SpK(u).
∙Theˊoreˋmes▶ A tout vecteur propre
X, non nul, de
u il correspond une et une seule valeur propre dite
valeurpropreassocieˊe à
X∈u.
▶▶ A toute valeur propre
λ de
u il correspond un sous-espace vectoriel
V(λ)∈E qui est constitué des
vecteurspropres admettant
λ comme valeur propre. On l'appelle le
sous−espacepropre associé à
λ. Ce sous-espace propre n'est pas nul et est stable par
u.
▶▶▶ On a l'équivalence entre la proposition "
λ est valeur propre de
u" et la proposition "
u−λIdE est non injectif".
▶▶▶▶ Si
u admet plusieurs valeurs propres, alors pour toute famille
{λ1;⋯; λs} (avec
s⩾2) de
s valeurs propres distinctes de
u on a :
i=1⋂sV(λi)={0}Toute famille
(Xi)i∈{1;⋯;s} de vecteurs propres non nuls, tels que
λi soit associée à
Xi, est une famille libre.
∙Proprieˊteˊ Si
E est de dimension finie,
n, sur
K, il est possible, sous réserve de connaitre une base de
E, d'associer une matrice carrée
A∈Mn(K) à un endomorphisme
u. Les propriétés s'appliquent à
A comme à
u.
■Polyno^mecaracteˊristiquesd′unendomorphismed′unespacevectorieldedimensionfinie∙TheˊoreˋmeOn pose
dimK(E)=n et on désigne par
A la matrice représentative de
u dans une certaine base donnée de
E.
Pour tout
λ∈K il y a équivalence entre les propositions ci-dessous :
i) le scalaire
λ est valeur propre de la matrice
A ;
ii) la matrice
A−λIn n'est pas inversible ;
iii) on a
det(A−λIn)=0 n'est pas inversible.
Le polynôme
P(λ)=det(A−λIn) s'appelle
lepolyno^me caracteˊristique de
A (ou de
u) et
λ joue le rôle d'indéterminée. D'ailleurs, remarquons que deux matrices semblables ont le même polynôme caractéristique.
Puis on a :
▶ deg(P(λ))=n ;
▶▶ deg(P(λ))=n ;
▶▶▶ P(λ)=(−1)nλn+(−1)n−1Tr(A)λn−1+⋯+det(A) ;
▶▶▶▶ les zéros, dans
K, de
P(λ) sont les valeurs propres de
A (ou
u) ;
▶▶▶▶▶ Si
λ0 est un zéro de
P(λ) d'ordre
k alors on a :
1⩽dim(V(λ0))⩽k.
■DiagonalisationOn suppose que
E un
K-espace vectoriel de dimension finie
n non nulle.
∙DeˊfinitionsOn dit que
u est diagonalisable s'il existe une base
B de
E telle que la matrice associée à
u soit diagonale dans cette ase
B.
On dit que que la matrice
A∈Mn(K) est diagonalisable si elle est semblable à une matrice diagonale de
Mn(K).
∙TheˊoreˋmeIl y a équivalence entre :
i) l'endomorphisme
u est diagonalisable ;
ii) il existe une base de
E formée des vecteurs propre de
u, c'est la
basepropre ;
iii) le polynôme caractéristique de
u à ses
n zéros dans
K et pour chacun de ses zéros
λi d'ordre
ki on a :
dim(V(λi))=ki ;
iv) la somme directe de tous les sous-espaces propre de
u est égale à
E.
∙ConditionsuffisantedediagonalisationUne condition suffisante pour que
u soit diagonalisable est qu'il possède
n valeurs propres toutes distinctes.
∙ConditionneˊcessaireetsuffisantedediagonalisationUne condition nécessaire et suffisante pour qu'une matrice soit diagonalisable est que son polynôme minimal n'admette que des zéros simples tous dans
K.
On rappelle que la polynôme unitaire, noté
Π, de plus faible degré annulant
A s'appelle le polynôme minimal de
A. Tout polynôme annulateur de
A est un multiple de ce polynôme minimal. En général il est délicat de déterminer le polynôme minimal
Π et on calcule le polynôme caractéristique
P(λ)=det(A−λIn).
■TrigonalisationOn suppose que
E un
K-espace vectoriel de dimension finie
n non nulle.
∙TheˊoreˋmePour tout endomorphisme
u de
E tel que son polynôme caractéristique ait tous ses zéros dans
K (ce qui est toujours le cas dans
K=C) il existe une base de
E sur laquelle la matrice associée à
u soit triangulaire. Les éléments diagonaux étant les valeurs propres de
u.
■LetheˊoreˋmedeCayley&HamiltonTout endomorphisme
u de
E ou toute matrice
A de
Matn(K) est zéro de son polynôme caractéristique (qui est donc un polynôme d'endomorphisme ou un polynôme matriciel).
De fait le polynôme minimal divise le polynôme caractéristique.