Réductions des endomorphismes

Réduction des endomorphismes

(Niveau : Prépa)

Réduction des Endomorphismes : Le Cours Complet

Ce chapitre est un pilier de l’algèbre linéaire. Il s’agit de trouver des bases simples (diagonales, triangulaires) pour comprendre la structure profonde d’une matrice. C’est indispensable pour résoudre des systèmes différentiels ou calculer des puissances.

1. Compléments d’Algèbre Linéaire

Sommes Directes

Si $F_1, \dots, F_p$ sont des sous-espaces vectoriels, on a toujours l’inégalité :

$$ \dim(\sum F_i) \le \sum \dim(F_i) $$

L’égalité a lieu si et seulement si la somme est directe ($\oplus F_i$).

Matrices par Blocs

Si $E = E_1 \oplus \dots \oplus E_p$, une base adaptée permet d’écrire la matrice de $u$ par blocs. Si la matrice est triangulaire par blocs (zéros sous la diagonale de blocs), son déterminant est le produit des déterminants des blocs diagonaux :

$$ \det(M) = \prod_{i=1}^p \det(A_{i,i}) $$

2. Éléments Propres

Définition : Valeur Propre et Vecteur Propre
$\lambda \in \mathbb{K}$ est une valeur propre de $u$ s’il existe $x \ne 0_E$ tel que $u(x) = \lambda x$.
L’ensemble des valeurs propres est le Spectre $Sp(u)$.
Le sous-espace propre est $E_\lambda(u) = \ker(u – \lambda \text{Id})$.
Théorème de Liberté : Une famille de vecteurs propres associés à des valeurs propres distinctes est toujours libre. Conséquence immédiate : la somme des sous-espaces propres est toujours directe.

3. Polynôme Caractéristique

Pour trouver les valeurs propres, on utilise le déterminant.

$$ \chi_u(X) = \det(X \text{Id}_E – u) $$
Lien Spectre-Racines
Les valeurs propres de $u$ sont exactement les racines de $\chi_u$. $$ \lambda \in Sp(u) \iff \chi_u(\lambda) = 0 $$

Inégalité fondamentale : Pour toute valeur propre $\lambda$ de multiplicité $\alpha$ dans $\chi_u$, la dimension du sous-espace propre est bornée :

$$ 1 \le \dim E_\lambda(u) \le \alpha $$

4. Diagonalisation

Un endomorphisme est diagonalisable s’il existe une base de vecteurs propres.

Critères de Diagonalisation
$u$ est diagonalisable si et seulement si l’une des conditions est vérifiée :
1. La somme des dimensions des sous-espaces propres vaut $\dim(E)$.
2. $\chi_u$ est scindé ET pour tout $\lambda$, $\dim E_\lambda(u) = \text{multiplicité}(\lambda)$.
Cas favorable (Racines Simples) : Si $\chi_u$ est scindé à racines simples (toutes distinctes), alors $u$ est automatiquement diagonalisable.

5. Trigonalisation

Si on ne peut pas diagonaliser, on cherche une matrice triangulaire supérieure.

Critère : $u$ est trigonalisable si et seulement si $\chi_u$ est scindé.

Sur $\mathbb{C}$, tout polynôme est scindé, donc toute matrice est trigonalisable sur $\mathbb{C}$.

Trace et Déterminant : Pour un endomorphisme trigonalisable de spectre $(\lambda_1, \dots, \lambda_n)$ :

$$ \text{Tr}(u) = \sum \lambda_i \quad \text{et} \quad \det(u) = \prod \lambda_i $$

6. Endomorphismes Nilpotents

Un endomorphisme est nilpotent s’il existe $p$ tel que $u^p = 0$.

  • Son unique valeur propre est $0$.
  • Son polynôme caractéristique est $\chi_u(X) = X^n$.
  • Il est trigonalisable avec des 0 sur la diagonale.

7. Polynômes d’Endomorphismes

On peut évaluer un polynôme $P$ en $u$. L’application $P \mapsto P(u)$ est un morphisme d’algèbres.

Polynôme Minimal $\mu_u$

C’est le polynôme unitaire de plus petit degré qui annule $u$. Il divise tout polynôme annulateur.

Le polynôme minimal contient « juste ce qu’il faut » d’information pour tuer $u$. Ses racines sont exactement les valeurs propres de $u$.

8. Lemme des Noyaux

C’est l’outil de décomposition par excellence.

Lemme de Décomposition des Noyaux
Si $P = P_1 \dots P_r$ avec les $P_i$ premiers entre eux deux à deux, alors : $$ \ker(P(u)) = \bigoplus_{i=1}^r \ker(P_i(u)) $$

Critère polynomial de diagonalisation : $u$ est diagonalisable $\iff$ il existe un polynôme annulateur scindé à racines simples.

9. Théorème de Cayley-Hamilton

THÉORÈME DE CAYLEY-HAMILTON
Le polynôme caractéristique annule l’endomorphisme : $$ \chi_u(u) = 0_{\mathcal{L}(E)} $$

Cela implique que le polynôme minimal $\mu_u$ divise toujours le polynôme caractéristique $\chi_u$.

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