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Réduction des endomorphismes et des matrices carrées

Cours · mathématiques approfondies (ECG 2e année), chapitre 3 · prépa ECG, 2e année · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Une matrice symétrique transforme le cercle en ellipse : ses vecteurs propres donnent les axes et ne changent pas de direction.

Le chapitre 1 a montré qu'un même endomorphisme change de matrice quand on change de base, et le chapitre 2 a isolé les directions qu'il conserve. Il reste à joindre les deux : s'il existe assez de directions propres pour former une base, alors dans cette base la matrice devient diagonale.

C'est la réduction. Elle ne modifie pas l'endomorphisme — elle change le point de vue, et le bon point de vue rend le calcul trivial : une matrice diagonale s'élève à la puissance en élevant réels à la puissance .

AttentionCe que « diagonalisable » ne dit pas

Diagonalisable ne veut pas dire « diagonale ». Une matrice diagonalisable peut n'avoir aucun zéro. Cela veut dire : semblable à une matrice diagonale, c'est-à-dire qu'il existe un repère dans lequel elle le devient. La question n'est donc jamais « à quoi ressemble ? » mais « existe-t-il une base de vecteurs propres ? ».

3.1 Endomorphismes diagonalisables

3.1.1 Définition

Définition 3.1Endomorphisme diagonalisable

Soit un espace vectoriel réel de dimension finie et un endomorphisme de . On dit que est diagonalisable lorsqu'il existe une base de formée de vecteurs propres de .

Proposition 3.2La matrice dans une base propre

Si est une base de vecteurs propres, avec , alors

Démonstration

Par définition, la -ème colonne de la matrice est la colonne des coordonnées de dans . Or , dont les coordonnées sont nulles partout sauf en position , où elles valent .

3.1.2 Trois caractérisations

◆Théorème 3.3Caractérisations de la diagonalisabilité

Soit un endomorphisme de , avec . Les assertions suivantes sont équivalentes :

  • est diagonalisable ;
  • est la somme directe des sous-espaces propres de :

  • la somme des dimensions des sous-espaces propres vaut :

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