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Niveau Maths sup
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diagonalisation et trigonalisation

Posté par
shelzy01
27-12-07 à 16:17

Bonjour à tous
Alors voilà j'ai eu des exercices d'algèbre sur la trigonalisation et la diagonalisation pour m'entraîner mais je n'ai pas la correction, alors  pouvez vous me les corriger ce serai vraiment sympa, merci.

Enoncé:
Soit la matrice A =
1      1      0
1/2   3/2  -1/2
-1/2  1/2   3/2

et f l'endomorphisme de R3 ayant pour matrice A dans la Bc=(e1,e2,e3) de R3.
1).a).Montrer que le polynôme caractéristique de A est Pa(X)=(X-1)²(X-2)
   b).En déduire que R3=Ker(f-2Id)Ker(f-Id)²
   c).Démontrer que A n'est pas diagonalisable.                          B'
2).Déterminer une base B'=(e'1,e'2,e'3) de R3 telle que l'on ait: M    (f)=
                                                                                           B'
2 0 0
0 1 1
0 0 1

3). Soit gL(R3) une endomorphisme tel que f o g = g o f
  a).Montrer que: pour tout PR[X], P(f) o g = g o P(f)
  b).Montrer que Ker(f-2Id) et Ker(f-Id)² sont laissés stables par g.
  c).En déduire que la matrice de g dans B' est de la forme M de B' à B'(g)=
0 0
0 a b
0 c d    avec:

(a b)   (1 1)       (1 1)   (a b)
(c d) * (0 1)  =  (0 1) * (c d)
  d). Préciser les valeurs possibles de a,b,c et d.
4).Soit F={BM3(R)\ AB=BA} Montrer que F est un sous-espace vectoriel de M3(R). Calculer sa dimension (on pourra utiliser la Q3).

Maintenant il ne reste plus qu'à écrire mes résultats, merci d'avance pour votre aide
  
    

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 16:23

Pour la 1)a).
det(A-XId) =
1-X    1       0
1/2  3/2-X    -1/2
-1/2  1/2    3/2-X

par rapport à la première ligne je trouve:
= -X^3+4X²-(11/2)X+(5/2)-(1/2)+(X/2)
= (X-1)(-X²+3X-2)
= -(X-1)²(X-2)

Est-ce normale que dans ma réponse il y a un moins ? Est-ce quand même bon?

Posté par
Camélia Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 16:26

Bonjour

Aucun problème. Selon les définitions on donne pour polynôme caractéristique det(IX-A) ou det (A-XI) (ce que tu as pris) Ils peuvent différer d'un"moins" mais comme on s'intéresse à ses racines ça n'a pas d'importance.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 16:37

Bonjour, d'accord je vous remercie Camélia pour votre réponse.
1b).
Je ne suis pas sûr de ma réponse, mais je dirai:
Le problème c'est qu'on ne sait pas si c'est diagonalisable ou trigonalisable (on nous le demande à la prochaine question)

D'aprés un théorème de Dunford:
Pa(X)=(X-1)²(X-2)

dim Ker(f-Id)² = 2
dim Ker(f-2Id) = 1
De plus dim R3 = 3
donc R3=Ker(f-2Id)Ker(f-Id)²
Ai-je bien justifié

Posté par
Camélia Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 16:48

OK

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 16:51

Et même si A était diagonalisable, est-ce qu'on aurait pu utiliser ce théorème, car c'est un théorème de Dunford et c'est pour la trigonalisation

Posté par
Camélia Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 16:52

Ce théorème est toujours vrai, mais il ne dit pas si A est ou n'est pas diagonalisable.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 16:55

D'accord, pour là question 1c) A n'est pas diagonalisable car son polynôme caractéristique n'est pas scindé à racines simples .
Mais on demande de le démontrer est-ce une Démo ?

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 17:13

Bonjour.

Camélia étant déconnectée, je me permets de prendre la relève.

Attention : tu confonds polynôme caractéristique et polynôme minimal. Le polynôme caractéristique peut avoir des racines multiples et l'endomorphisme associé peut être quand même diagonalisable.
Le meilleur exemple : prends la matrice unité d'ordre n. Son polynôme caractéristique est (X - 1)n et pourtant, elle est diagonalisable ! Par contre, son polynôme minimal est X - 1.

Ici, pour prouver que A n'est pas diagonalisable, cherche la dimension de Ker(A-I). Tu trouveras 1.
Pour que A soit diagonalisable il aurait fallu trouver 2.
(A diagonalisable ssi la dimension de chaque sous-espace propre est égale à la multiplicité de la valeur propre dans le polynôme caractéristique).

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 17:40

Bonjour raymond
D'accord, j'ai bien compris votre petite démonstration merci.
Maintenant pour la 2).
On remarque que:
f(e'1)=2e'1
f(e'2)=e'2
f(e'3)=e'2 + e'3

f(e'1)=2e'1
f(e'1)-2e'1=0
(f-2Id)(e'1)=0
donc e'1 Ker(f-2Id)

f(e'2)=e'2
f(e'2)-e'2=0
(f-Id)(e'2)=0
donc e'2 Ker(f-Id)

f(e'3)=e'2 + e'3
f(e'3)-e'3=e'2
(f-Id)(e'3)=e'2
(f-Id)(e'3)=(f-Id)(e'2)=0
donc e'3Ker(f-Id)²

(A-Id)=
0      1     0
1/2   1/2  -1/2
-1/2  1/2   1/2

donc e'2=(1 0 1)

(A-Id)²=
1/2  1/2  -1/2
1/2  1/2   -2
  0    0     0

donc e'3=(-1 1 0)

(A-2Id)=
-1      1     0
1/2  -1/2  -1/2
-1/2  1/2  -1/2

donc e'1=(1 1 0)

Donc: on doit trouver:
2 0 0
0 1 1   = P-1 A P
0 0 1
Mais je ne trouve pas ceci est je ne vois pas mon erreur


Avec:  

P= 1 1 -1
     1 0  1
     0 1  0

Pui en utilisant la formule:
P-1 = 1/detP * t(com P)

Det(P) = -2

P-1 = -1/2  1/2  0
         1/2   0   1/2
         1/2  1/2   0


Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 18:32

La matrice que tu dois obtenir te donne effectivement immédiatement :

1°)

2$\textrm e'_1 \in \ Ker(A-2I) \Longrightarrow \ e'_1 = \begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}

2°)

2$\textrm e'_2 \in \ Ker(A-I) \Longrightarrow \ e'_2 = \begin{pmatrix}1\\0\\1\end{pmatrix}

3°) e = endomorphisme identité.

2$\textrm u(e'_3) = e'_2 + e'_3 \Longrightarrow \ (e - u)(e'_3) = - e'_2

On transmet cette équation dans le repère initial :

2$\textrm\{{- y = -1\\- x - y + z = 0\\x - y - z = -2

On trouve une infinité de solutions du type :

2$\textrm e'_3(x) = \begin{pmatrix}x\\1\\x+1\end{pmatrix}

en particulier, si x = 0 :

2$\textrm e'_3 = \begin{pmatrix}0\\1\\1\end{pmatrix}

2$\textrm P = \begin{pmatrix}1&1&0\\1&0&1\\0&1&1\end{pmatrix}

2$\textrm P^{-1} = \fra{1}{2}\begin{pmatrix}1&1&-1\\1&-1&1\\-1&1&1\end{pmatrix}

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 19:04

Désolès, mais je ne comprends pas trés bien l'étape 3°)
(A-Id)²=
1/2  1/2  -1/2
1/2  1/2   -2
  0    0     0

x/2 + y/2 -z/2 = 0
x/2 + y/2 -2z = 0

on trouve: x = -y
           y = y
           z = 0
Donc e'3=(-1 1 0)
(c'est plutôt f l'endomorphisme identité et non e), c'est quoi le repère initiale, pouvez vous m'expliquer l'étape 3, svp, ce serai sympa, merci

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 19:18

Résous l'équation donnée par la matrice réduite :

f(e'3) = e'2 + e'3

Donc (si tu préfères Id)

(Id - f)(e'3) = - e'2

Mais Id - f a déjà été utilisée pour chercher e'2 : (Id - f)(e'2) = 0

Donc, tu reprends ce système mais dans le membre de droite tu mets -e'2

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 19:33

Ah oui, super votre méthode , moi on m'avais appris différemment, et de plus ça compliquait tout.

Pour la 3a). on sait que f o g = g o f
Et je dois montrer que P(f) o g = g o P(f)
Alors là je ne sais pas du tout comment procéder, P[X], mais c'est quoi P ? , pouvez vous me mettre sur la voie je ne sais pas par où commencer merci

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 20:38

Il faut montrer que si g commute avec f alors, g commute aussi avec tout polynôme en f.

Pour cela tu vas d'abord montrer (par récurrence) que g commute avec f => pour tout n, g commute avec fn.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 23:11

Quand vous dîtes que g commute avec f c'est à dire fog=gof
=> pour tout n, g commute avec f^n
Montrons par récurrence que pour tout n, g commute avec f^(n+1)

(vous avez utilisé f^n, car c'est un polynôme en f de degrés n ?)

f^(n+1)=f^n o f = f o f^n = f o g^n= g^n o f=g^(n+1)
Je pense que je suis entrain d'écrire n'importe quoi, désolés mais je ne vois pas du tout  

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 27-12-07 à 23:29

Tu connais les polynômes en "X" : aX3 + bX² + cX + d.

Un polynôme en "f" est l'endomorphisme : a.f3 + b.f² + c.f + d.e. (e = Id)
D'ailleurs si tu connais le théorème de Dunford tu connais forcément les polynômes d'endomorphismes.

Cela étant si g commute avec f (gof = fog) commute-t-il avec tout polynôme en f ?
Ce qui signifie : pour tout polynôme P a-t-on goP(f) = P(f)og.

Tu remarqueras qu'un polynôme étant constitué de puissances de f, il se pose tout de suite le problème :
a-t-on gofn = fnog ?

Par hypothèse gof = fog soit : gof1 = f1og
Supposons : gofn = fnog (I)
En composant (I) par f à droite :
gofnof = fnogof
gofn+1 = fnofog = fn+1og.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 28-12-07 à 00:26

Ah d'accord, je comprends mieux maintenant ce qu'est P(f), en faite, c'est un polynôme en f.
Votre démonstration signifie: que g commute avec n'importe quel polynôme en f, (endomorphisme) de degré n, par exemple:
f²og=gof²
f^3og=gof^3

Pour la Q3b).
Montrons que Ker(f-2Id) est laissé stable par g:
Soit E2 un sous espace propre de Ker(f-2Id)
Soit xE2 signifie que: f(x)=2x

Démontrons que:
f(g(x))=2g(x)

f(g(x))=(fog)(x)=(gof)(x)=g(f(x))=g(2x)=2g(x)
donc g(x)E2
donc E2 est stable par g => Ker(f-2Id) est stable par g.

Montrons que Ker(f-Id)² est laissé stable par g:

On peut refaire la même démarche,(si ce que j'ai fait est bon bien sûr), en prenant :
soit E1 un sous espace propre de Ker(f-Id).....
Mais je pense que pour Ker(f Id)², ce n'est pas la même démarche, je ne sais pas comment procédé . Merci d'avance pour vos explications  

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 28-12-07 à 09:53

Bonjour.

A - Commutation

Ayant prouvé que :

2$\textrm gof = fog \Longrightarrow \ \forall n \ge \ 1 , gof^n = f^nog

il faut ensuite passer aux polynômes. Soit P(f) un polynôme en f :

2$\textrm P(f) = a_0.e + a_1.f + a_2.f^2 + ... + a_p.f^p

Alors :

2$\textrm goP(f) = go(a_0.e + a_1.f + a_2.f^2 + ... + a_p.f^p) = a_0.goe + a_1.gof + a_2.gof^2 + ... + a_p.gof^p
2$\textrm = a_0.eog + a_1.fog + a_2.f^2og + ... + a_p.f^pog = P(f)og

Donc : gof = fog => pour tout polynôme P, goP(f) = P(f)og.

B - Stabilité de Ker(f - 2Id)

Montrons que si gof = fog, alors Ker(f - 2Id) est g-stable.

D'abord que représente Ker(f - 2Id) ?
x € Ker(f - 2Id) <=> (f - 2Id)(x) = 0
Ensuite, que signifie être g-stable ?
Cela veut dire : x € Ker(f - 2Id) => g(x) € Ker(f - 2Id)

Démonstration bien détaillée :

x € Ker(f - 2Id)
=> (f - 2Id)(x) = 0. Composons les deux membres de cette dernière égalité par g
=> go(f - 2Id)(x) = g(0). Comme g(0) = 0 et comme f - 2Id est un polynôme en f, il commute avec g
=> (f - 2Id)og(x) = 0. Ce qui s'écrit aussi :
=> (f - 2Id)[g(x)] = 0
=> g(x) € Ker(f - 2Id)
Donc Ker(f - 2Id) est g-stable.

C - Stabilité de Ker(f - Id)²

On refait exactement le même travail en remarquant que (f - Id)² est aussi un polynôme en f, donc commute avec g.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 28-12-07 à 13:43

Bonjour Raymond, merci pour vos détails, vous avez vraiment tout bien justifié et j'ai tout compris merci

Pour Ker(f-Id)² (j'ai fait pareil que vous)
x € Ker(f - Id)²
=> (f - Id)²(x) = 0. Composons les deux membres de cette dernière égalité par g
=> go(f - Id)²(x) = g(0). Comme g(0) = 0 et comme (f - Id)² est un polynôme en f, il commute avec g
=> (f - Id)²og(x) = 0. Ce qui s'écrit aussi :
=> (f - Id)²[g(x)] = 0
=> g(x) € Ker(f - Id)²
Donc Ker(f - Id)² est g-stable.

pour la question 3c). et 3d).
(a b)(1 1)    (1 1)(a b)
(c d)(0 1) = (0 1)(c d)

J'ai fait:
(a a+b)   (a+c  b+d)
(c c+d) = (c         d)

donc:
a=a+c
a+b=b+d
c=c
c+d=d           c=0 et a=d

Je ne vois pas du tout pouvez vous me mettre sur la piste, je vous en remercie d'avance.

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 28-12-07 à 19:31

Bonsoir.

Résumé :

2$\textrm B' = (e_1^' , e_2^' , e_3^') est une base de R3 bien adaptée à la réduction de f.

En fait :

2$\textrm (e_1^') est une base de Ker(f - 2Id)

2$\textrm (e_2^' , e_3^') est une base de Ker(f - Id)²

Comme Ker(f - 2Id) est g-stable, 2$\textrm g(e_1^') = \lambda.e_1^'

Comme Ker(f - Id)² est g-stable, 2$\textrm g(e_2^') = a.e_2^'+c.e_3^' et g(e_3^') = b.e_2^'+d.e_3^'

voilà pourquoi tout endomorphisme g laissant stable Ker(f - 2Id) et Ker(f - Id)² aura sur la base B' une matrice de la forme :

2$\textrm B' = \begin{pmatrix}\lambda&0&0\\0&a&c\\0&b&d\end{pmatrix}

Mais en plus g commute avec f, donc on doit avoir :

2$\textrm\begin{pmatrix}\lambda&0&0\\0&a&c\\0&b&d\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2&0&0\\0&1&1\\0&0&1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}2&0&0\\0&1&1\\0&0&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}\lambda&0&0\\0&a&c\\0&b&d\end{pmatrix}

Ceci te permettra de trouver des simplifications. Je trouve c = 0, a = d. (A confirmer).

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 28-12-07 à 21:55

Bonsoir, quand vous dîtes que e'2Ker(f-Id)², A t-on le droit ? Car en fait e'2Ker(f-Id)

Ah oui, je n'aurais pas trouvé, c'est assez subtil, merci.

Pour la d).
(2 0     0  )           (2  0      0  )
(0    a   a+c)     =    (0   a+b   c+d)
(0    b   b+d)           (0    b      d   )

2=2
a=a+b
b=b
a+c=c+d
b+d=d

je trouve:
b=0
a=d
on peut dire que a=d=1
mais c=?

Pour la question 4)
Définition d'un sous espace vectoriel F:
pour tout u,vF, u+vF
pour tout xR, uxF

Soit B et A F
AB=BA
pour tout x appartenant R, xAB=BAx donc AB=BA
Je sais que c'est faux, mais même avec la définition je ne vois pas, (désolé)

Pour sa dimension, on peut utiliser la question 3, donc je pense que la dimension de F est 3
Merci d'avance pour votre aide

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 28-12-07 à 23:22

J'ai fait une erreur de frappe dans B' en permutant b et c. Tu feras attention pour ta correction.

1°) Tu sais que Ker(u - Id) Ker(u - Id)², donc pas de problème.

2°) Tu as donc :

2$\textrm B' = \begin{pmatrix}\lambda&0&0\\0&a&b\\0&0&a\end{pmatrix}

Question 4°)

Tu aurais pu faire le début de cette question, c'est très simple si l'on connait la définition des sous-espaces.

¤ Soit O la matrice nulle d'ordre 3.
A.O = O et O.A = O => O € F => F est non vide.

¤ Si B et C sont dans F et si u et v sont deux réels A.(uB + vC) = uAB + vAC = uBA + vCA = (uB + vC).A
Donc uB + vC € F

Conclusion : F est un sous espace vectoriel de M3(R)

D'après tout ce qui précède, tout élément B de F est semblable à :

2$\textrm B' = \begin{pmatrix}\lambda&0&0\\0&a&b\\0&0&a\end{pmatrix}

Tu connais certainement les 9 matrices de base de M3(R) : les Eij

Ici, tu peux écrire que :

2$\textrm B' = \lambda E_{11} + a(E_{22}+E_{33}) + bE_{23}

Donc, dim(F) = 3.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 28-12-07 à 23:46

Quand vous dîtes que dim(F)=3, vous le déduisez de:
B'=E11+a(E22+E33)+bE23 (j'ai un trou de mémoire)

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 00:03

Oui, F est engendré par les trois matrices E11 ; E22+E33 ; E23 qui sont indépendantes.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 00:21

Ah oui, c'est comme des vecteurs de bases, sauf que c'est des matrices, ok, par contre, si ça ne vous dérange pas demain je reposterai des exercices (que je ferai là, car ils sont un peu plus facile). En faite, je fais beaucoup d'exercice car je passe mes partiels à la rentrée, et je n'ai pas de corrections. Car vous êtes le seul sur l'île à m'aider (sur tout ce qui concerne les matrices etc..), et à détailler parfaitement avec les bonnes justifications , encore merci   , de plus vous expliquez et justifiez mieux que mon professeur d'algèbre, je vous en remercie vivement
Bonne fin de soirée.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 13:11

Bonjour, alors voici deux exercices. Voici les énoncés et je les fait.

Exercice 1:

Soit E un R-espace vectoriel de dimension n > 0, et u un endomorphisme de E non diagonalisable. On suppose que le polynôme P(X)=X^3-8X²+21X-18 est un polynôme annulateur de u.
1).a).Décomposer P en produit de facteurs irréductibles dans R[X] (on   cherchera  une racine évidente P).
   b).Déterminer, si possible, le polynôme minimal de u, P(m,u) 5on donnera  différentes possibilités si tel est le cas).
   c).Si dim E = 2, montrer qu'il n'y a plus qu'une seule possibilité pour P(m,u) et la préciser.
   d).En déduire le polynôme caractéristique de u.
2).Déterminer les matrices A de M2(R) telles que A^3-8A²+21A-18=(0).

Exercice 2:
Soit u l'application de R4[x] dans lui-même qui, à un polynôme P associe le reste de la division euclidienne de P par (X²-1)
De plus u est linéaire.
1). Montrer que u est linéaire (pas besoin de faire cette question, j'ai su là faire)
2).Montrer que u² = u. En déduire que u est diagonalisable.
3).Justifier pourquoi R4[X]=Ker(u)Ker(u-Id).
4).Déterminer (de préférence sans calcul) une base de vecteurs propres de u.

(Je vais sans doute me répéter, mais encore merci )

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 13:48

Exercice 1:
1a). racine évidente 2, donc:
    (X-2)(aX²+ bX +c)
    Par identification des coefficients des termes de même degrés: on trouve:
    P(X)=(X-2)(X²-6X+9)
    P(X)=(X-2)(X-3)²

1b).Comme dans l'énoncé, on nous dit que P(X) est un polynôme annulateur de u (et non le polynôme caractéristique), alors les différents candidats pour le polynôme minimal sont:
(X-2)
(X-3)
(X-3)²
(X-2)(X-3)
(X-2)(X-3)²
De plus on sait que E est non diagonalisable donc on peut déjà l'enlever:
(X-2)(X-3)
Et d'après l'énoncé on ne peut plus le déterminer, donc on a 4 candidats.

1c).Si dim E = 2 , il n'y a qu'une seule possibilité, pour le polynôme minimal qui est: (X-3)²
car (X-2) et (X-3) sont de dimension 1
car (X-2)(X-3)² est de dimension 3 obligatoirement, (car dim(X-2)=1, dim(X-3)²=2, la dimension (X-3) ne peut pas être de 1, sinon le polynôme minimal de u serait diagonalisable.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 14:25

1d). Le polynôme caractéristique de u est donc:
Soit (X-3) ou (X-3)², mais comme on sait que E est non diagonalisable, le polynôme minimal est (X-3)²
2). Alors sur cette question je sèche, car on a pas de matrice A, on sait juste qu'on doit obtenir une matrice 2*2 (R), et que 3 est valeur propre de multiplicité 2 donc:

M2(R)= 2 *
             * 2
Mais je ne sais pas trouver *, pouvez vous m'aider ? (merci)

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 15:47

Exercice 1

1.b). u n'étant pas diagonalisable le polynôme minimal ne peut être que :
(X-3)² ou (X-2)(X-3)²

1.c) Attention : "car (X-2) et (X-3) sont de dimension 1" n'a aucun sens.

1.d) Les solutions sont toutes les matrices semblables à : 2$\textrm\begin{pmatrix}3&a\\0&3\end{pmatrix}

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 16:12

Pour 1.b).
pourquoi (X-2) et (X-3) ne peuvent pas être également candidats pour le polynôme minimal, car l'énoncé nous dit que P(X)=X^3-8X²+21X-18 est un polynôme annulateur de u, et non le polynôme caractéristique, donc il se peut qu'il y est  des facteurs parasites ?

Pour 1.c).
Si dim E = 2 , il n'y a qu'une seule possibilité, le polynôme minimal est: (X-3)²
car dim(X-2)=1,
    dim(X-3)=1
    dim(X-3)²=2
    (x-1)(x-2)² a pour dimension 3, car si dim(X-2)²=1, alors u serait diagonalisable, et d'après l'énoncé, il ne l'est pas.

2). Je me suis trompé dans ma matrice on doit obtenir:
3 *
* 3

Comment savez-vous que:
Les solutions sont toutes les matrices semblables à :
3 a
0 3                    

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 20:30

1.b Si X - 2 est polynôme minimal de A, alors A - 2I = O, donc A = 2I : matrice diagonale.

1.c Dim(X-2) ne veut rien dire. Un polynôme n'a pas de dimension dans ce que tu recherches.
Tu confonds avec Ker(A-2I).
Le polynôme minimal est à choisir parmi (X-3)² ou (X-2)(X-3)². Comme on est en dimension 2, son degré ne peut être que 2 au maximum.

2. Ta matrice n'est pas diagonalisable, mais son polynôme caractéristique (X - 3)² est scindé, donc elle est trigonalisable. Comme sa seule valeur propre est 3, elle est semblable à une matrice triangulaire de la forme que je t'indique.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 29-12-07 à 22:14

Ah oui, c'est vrai, d'après le théorème de C.Hamilton, il aurait fallu que A=0 et non A=2I.
D'accord pour l'exercice 1, j'ai tout compris merci

Exercice 2:
2). Montrons que u² = u:
Soit P(X)= a X^4 + b X^3 + c X² + d X + e : associe le reste de la division euclidienne de P par X² - 1 est:  b X^3 + (c+a) X² + d X + e
u² = u
u² - u = 0
u (u - Id) = 0
P(X) = X (X-1) polynôme annulateur
u peut être 0 (endomorphisme nul)
u peut être Id (Identité)

Mais quel est le rapport avec P(X)= a X^4 + b X^3 + c X² + d X + e, je ne vois pas comment montrer que u²=u

Pour en déduire que u est diagonalisable:
Le polynôme minimal de P(X) qui est le polynôme caractéristique est Pmin(X)=X(X-1) car 0 et 1 sont valeurs propres de u, de plus il est scindé à racine simple donc u est diagonalisable.

3). D'aprés un théorème de Dunford:
    Comme 0 est valeur propre de u on a: Ker(u) et dim(Ker(u))=1
    Comme 1 est valeur propre de u on a: Ker(u-Id) et dim(Ker(u-Id))=1
    Et dim4=4 donc on ne pourra jamais avoir:
    R4[X]=Ker(u)Ker(u-Id)

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 30-12-07 à 01:02

Citation :
Ah oui, c'est vrai, d'après le théorème de C.Hamilton, il aurait fallu que A=0 et non A=2I.


Je ne comprends pas ce que tu veux dire. Je te répète :

si X - 2 était polynôme minimal de A, on aurait A - 2I = O, donc A = 2I.
Mais 2I est une matrice diagonale !!! Donc A ne peut être égale à 2I.

Exercice 2.

Ecrivons la division euclidienne de P € R4[X] par X² - 1.

P(X) = (X² - 1).Q(X) + R(X) avec R(X) = 0 ou deg(R(X)) < 2. Donc, en fait :

P(X) = (X² - 1).Q(X) + aX + b.

Cela signifie que u(P) = aX + b

Donc, u²(P) = u[u(P)] = u(aX + b) = reste de la division de aX + b par X² - 1 : c'est aX + b.

conclusion : pour tout P, u²(P) = u(P). Ceci entraine : u² = u

(Remarque : on peut chercher a et b en fonction de P. Il suffit de reprendre la formule :
P(X) = (X² - 1).Q(X) + aX + b puis de remplacer successivement X par 1 puis par -1).

Puisque u² = u, on aura : u² - u = 0

Ceci montre que A(X) = X² - X est un polynôme annulateur de u.

Comme il est scindé à racines simples, u est diagonalisable.

En plus, comme u est non nul et non égal à Id, X² - X = X(X - 1) est le polynôme minimal de u.

Théorème de Runford :

R4[X] = Ker(u)Ker(u - Id)

¤ P € Ker(u) <=> u(P) = 0. Cela signifie que le reste est nul, donc que P(X) est divisible par X² - 1.

Conclusion : Ker(u) est formé par les polynômes du type (X² - 1)(aX² + bX + c)

¤ P € Ker(u - Id) <=> P(X) = aX + b

Conclusion : Ker(u - Id) = R1[X]

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 30-12-07 à 15:52

Bonjour, heureusement que vous m'avez corrigé, car je ne voyais pas du tout cette exo comme ceci.
Ce qui remets en question ma question 1) dans laquelle il faut montrer que u est linéaire, voici comment je procéde:

Soit P(X)= a X^4 + b X^3 + c X² + d X + e : associe le reste de la division euclidienne de P par X² - 1 est:  b X^3 + (c+a) X² + d X + e

P(X)=a X^4 + b X^3 + c X² + d X + e
Q(X)=f X^4 + g X^3 + h X² + i X + j
(P+Q)(X)=(a+f) X^4 + (b+g) X^3 + (c+h) X² + (d+i) X + (e+j)

u(P+Q)(X)=(b+g) X^3 + (c+h+a+f) X² + (d+i) X + (e+j)
u(P)(X)=b X^3 + (c+a) X² + d X + e
u(Q)(X)=g X^3 + (h+f) X² + i X + j

donc u(P)+u(Q)=u(P+Q)
De même avec (P)(X)=.........
                     u(p)=.............=u(P)
Ai-je bon ?
(Car si j'ai bien compris P est un polynôme de degré au plus 4 ? )

Ensuite quand vous dîtes:

Citation :
¤ P € Ker(u)  <=>  u(P) = 0. Cela signifie que le reste est nul, donc que P(X) est divisible par X² - 1.

¤ P € Ker(u - Id)  <=>  P(X) = aX + b

Conclusion : Ker(u - Id) = R1[X]


En faite, quand on parle de R4[X], c'est quoi ? c'est l'ensemble des polynômes de degrés au plus 4, donc:
dim(Ker(u))=0 et dim(Ker(u-Id))=1
=> 0+14 (car dimR4=4) ??
Désolè, mais je ne comprends pas

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 30-12-07 à 17:33

Tu es complètement passé à côté : le reste est soit nul, soit de degré < degré du diviseur.
Comme ici le diviseur est de degré 2, le reste est forcément du type R(X) = aX + b

Donc Pour tout P dans R4[X],

P(X) = (X² - 1).Q(X) + aX + b , où a et b deux constantes qui dépendent de P. (I)

On peut d'ailleurs par curiosité chercher ces constantes a et b en fonction de P.

Dans (I) si X = 1 : a + b = P(1)
dans (I) si X = -1 : -a + b = P(-1)

On en déduit aisément que :

3$\textrm a = \fra{P(1)-P(-1)}{2} \ et \ b = \fra{P(1)+P(-1)}{2}

Finalement on aura :

3$\textrm\fbox{u(P) = aX + b = \fra{P(1)-P(-1)}{2}X + \fra{P(1)+P(-1)}{2}}

1°) Linéarité de u

k et k' et deux réels, P et P' deux éléments de R4[X].

(I) appliqué à P : P(X) = (X² - 1).Q(X) + aX + b = (X² - 1).Q(X) + u(P)
(I) appliqué à P' : P'(X) = (X² - 1).Q'(X) + a'X + b' = (X² - 1).Q'(X) + u(P')

Alors k.P(X) + k'P'(X) = (X² - 1)[k.Q(X) + k'.Q'(X)] + k.(aX + b) + k'.(a'X + b')

Comme k.(aX + b) + k'(a'X + b') est soit nul soit de degré < 2, c'est le reste de la division de k.P(X) + k'P'(X) par X² - 1 (unicité de l'écriture de la division).

Donc u(k.P + k'.P') = k.(aX + b) + k'.(a'X + b') = k.u(P) + k'.u(P')

2°) Décomposition des noyaux

¤ D'abord, soyons précis.
Tu as dû voir que R4[X] est le R-espace vectoriel formé par les polynômes de degré inférieur ou égal à 4 et du polynôme nul.
Donc :

P € R4[X] <=> 2$\textrm P(X) = a_0X^4 + a_1X^3 + a_2X^2 + a_3X + a_4

R4[X] est donc un R-espace vectoriel de dimension 5 sur R.

La base canonique est : 2$\textrm B = (X^4 , X^3 , X^2 , X , 1)

¤ De même R2[X] est un R-espace vectoriel de dimension 3.

¤ En particulier, les images par u des polynômes de R4[X] étant du type aX + b, ils sont dans R1[X] qui est un R-espace de dimension 2, de base (X,1).
Donc :

Im(u) = R1[X] de dimension 2. Ceci signifie que le rang de u est 2

Ce n'était pas demandé, mais je pense que cela te fait rentrer dans le sujet.
Par ailleurs, par le théorème des dimensions, cela signifie que dim(Ker(u)) = 5 - 2 = 3. Résultat que nous retrouverons autrement.

¤ Le théorème de Runford te permet d'écrire :

R4[X] = Ker(u) Ker(u - Id)

¤ P € Ker(u) <=> u(P) = 0 (polynôme nul).
Mais que représente u(P) : le reste dans la division de P par X² - 1.
Si ce reste est nul, cela veut bien dire que P est divisible par X² - 1.
Autre manière de voir le truc en reprenant (I) :
P(X) = (X² - 1)Q(X) + u(P)
Si u(P) = 0, il reste P(X) = (X² - 1)Q(X)
Par les degrés, Q(X) est forcément du type pX² + qX + r
En développant (X² - 1)Q(X) = p(X4 - X²) + q(X3 - X) + r(X² - 1).

Donc : Ker(u) = {p(X4 - X²) + q(X3 - X) + r(X² - 1) , p, q, r quelconques}

Comme X4 - X² , X3 - X , X² - 1 sont indépendants (degrés différents) on en déduit :

Ker(u) = Vec(X4 - X² , X3 - X , X² - 1) donc Dim(Ker(u)) = 3

Tu retrouves le résultat obtenu par Im(u).

¤ P € Ker(u - Id) <=> u(P) = P <=> P est du type aX + b.
Donc :

Ker(u - e) = R1[X] donc dim(Ker(u - Id)) = 2

Ce qui m'étonne c'est que tu en sois au théorème de Runford et que tu aies tant de lacunes sur des résultats beaucoup plus élémentaires tels que les polynômes ou la linéarité.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 02-01-08 à 21:30

Bonsoir Raymond
Désolè, je n'ai pas pu me connecter, ces jours (Meilleurs voeux pour cette année 2008 ).

Citation :
Ce qui m'étonne c'est que tu en sois au théorème de Runford et que tu aies tant de lacunes sur des résultats beaucoup plus élémentaires tels que les polynômes ou la linéarité.

C'est à dire que je suis en deuxième année de licence (à la fac), et comme vous pouvez le voir, je fais des exercices supplémentaires, car lorsqu'on nous donne une nouvelle notion, on l'applique une seule fois , et dés fois pas (comme avec le théorème de Dunford) donc je ne maitrise pas tout à fais, (c'est pour ceci que je suis sur l'ile.

Sinon, je vous remercie pour les remarques supplémentaires (j'ai tout compris, surtout avec Dunford, je n'avais jamais vu ceci auparavant.

Question 4:
Déterminer une base de vecteurs propres de u:

Comme uR4[X] et u(P) = aX + b =

(P(1)-P(-1))/2 X + (P(1)+P(-1))/2

{(P(1)-P(-1))/2,(P(1)+P(-1))/2} est une base de vecteurs propres de u, c'est le cas général. Mais je ne sais pas trouver de cas particulier

Posté par
dydy13
re : diagonalisation et trigonalisation 04-01-08 à 13:00

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 04-01-08 à 18:10

Bonjour, en attente de votre réponse 02/01/2008 à 21:30, merci d'avance

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 04-01-08 à 18:14

Bonjour.

Tu as tous les vecteurs propres dans mon topic du 30 12.

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 04-01-08 à 18:21

Bonjour,

Oui, mais on doit trouver une base de vecteurs propres de u:
donc de u(P) = aX + b ??

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 05-01-08 à 12:04

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 05-01-08 à 21:59

Posté par
shelzy01
re : diagonalisation et trigonalisation 06-01-08 à 13:55

Bonjour
Déterminer une base de vecteurs propres de u:
Ker(u) = Vec(X4 - X² , X3 - X , X² - 1)
est-ce ceci ?

Posté par
raymond Correcteur
re : diagonalisation et trigonalisation 06-01-08 à 23:39

Bonsoir.

Je t'ai déjà donné tous ces résultats (Topic posté le 30/12/2007 à 17:33)

¤ E0 = Ker(u) = Vec(X4 - X² , X3 - X , X² - 1) donc Dim(Ker(u)) = 3

¤ E1 = Ker(u - Id) = R1[X] donc dim(Ker(u - Id)) = 2

Je ne peux pas faire mieux.

Posté par
pedro
re : diagonalisation et trigonalisation 04-11-09 à 20:05

bnjour voila j'ai essayer de trigonaliser cette matrice et je trouve le meme polynome caracteristique mais  j'ai commencé par calaculer
V1=(1,0,1) pour vp=1
v2=(1,1,0) pour vp=2

maintenant je cherche v3 telque (v1,v2,v3) soient libre

et je veux que ma matrice triangulaire soit de la forme

1 0 0
0 2 1=T
0 0 1

je pose donc
                                  
(A-I)V3=V2 je trouve comme solution
x=z+1
y=1
z
pourquoi ce systeme ne donne pas directement un V3 qui soit libre avec V1,V2?



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