Soit E un espace vectoriel réel de dimension 3 et B=(e1;e2;e3) une base de E. Soit f l'endomorphisme de E défini par : f:⎩⎨⎧f(e1)=3e1+2e2+e3f(e2)=−e1+0e2−e3f(e3)=e1+e2+2e3
L'endomorphisme f est-il diagonalisable ?
Correction
Dans la base B, la matrice ABf qui est associée à cet endomorphisme f est (le rangement des vecteurs s'effectue en colonne) : ABf=⎝⎛321−10−1112⎠⎞ On a alors le polynôme caractéristique suivant : Pf−3(λ)=det(ABf−λI3) Soit : Pf−3(λ)=∣∣3−λ21−1−λ−1112−λ∣∣ En développant sur la 1ieˋre colonne, on a : D'où : Pf−3(λ)=(3−λ)(−λ(2−λ)+1)−2(−(2−λ)+1)+1(−1+λ) Ainsi : Pf−3(λ)=(3−λ)(λ2−2λ+1)−2(λ−1)+λ−1 Soit encore : Pf−3(λ)=(3−λ)(λ−1)2−2(λ−1)+λ−1 En factorisant par λ−1, il vient : Pf−3(λ)=(λ−1)[(3−λ)(λ−1)−2+1] Dès lors, on a : Pf−3(λ)=(λ−1)[(3−λ)(λ−1)−1] Ou encore : Pf−3(λ)=(λ−1)[3λ−3−λ2+λ−1] Ce qui nous conduit à : Pf−3(λ)=(λ−1)[−λ2+4λ−4] Soit : Pf−3(λ)=−(λ−1)[λ2−4λ+4] Finalement : Pf−3(λ)=(−1)3(λ−1)1(λ−2)2 D’après la forme du polynôme caractéristique, les valeurs propres de l’endomorphisme f sont : ∙λ=2 qui est dégénérée 2 fois, donc sa multiplicité est d2=2 ; ∙∙λ=1 qui n’est pas dégénérée, donc sa multiplicité est d1=1. ⟶ Cas λ=1 qui n’est pas dégénérée : On note par E1 le sous espace associé à λ=1. La dimension du sous-espace associé à une valeur propre simple est nécessairement égale à 1, donc la dimension de E1 est égale à 1. D’où : dimE1=1 Soit : dimE1=d1 ⟶ Cas λ=2 qui est dégénérée 2 fois : On note par E2 le sous espace associé à λ=2 et déterminons sa dimension. On pose v=v1e1+v2e2+v3e3 avec (v1;v2;v3)∈R3. Ainsi, on est amené à résoudre le système suivant : (ABf−2I3)v=O3 Soit : ⎝⎛3−221−10−2−1112−2⎠⎞⎝⎛v1v2v1⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞⟺⎝⎛121−1−2−1110⎠⎞⎝⎛v1v2v3⎠⎞=⎝⎛000⎠⎞ Cette équation équivaut à : ⎩⎨⎧v1−2v2+v32v1−2v2+v3v1−v2+0v3===000 La troisième ligne permet d’écrire que v1=v2, ce qui implique que le système précédent devient : ⎩⎨⎧v3v3v1===00v2 Ainsi, on peut écrire : v=v1(e1+e2)+0e3 Finalement : v=v1(e1+e2) Ainsi : E2=vect⎩⎨⎧⎝⎛110⎠⎞⎭⎬⎫ Ainsi : dimE2=1 Et donc : dimE2=d2 On en déduit immédiatement que l’endomorphisme f n’est pas diagonalisable.