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mathématiques approfondies (ECG 2e année) · Chapitre 3 · Exercice

Un carré nul n'est jamais diagonalisable

Réduction des endomorphismes et des matrices carrées · Endomorphismes remarquables · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Soit un endomorphisme d'un espace de dimension finie tel que et . Montrer que n'est pas diagonalisable.

Corrigé

Le spectre est écrasé. Le polynôme est annulateur de , et sa seule racine est . Toute valeur propre étant racine d'un polynôme annulateur, .

Le raisonnement par l'absurde. Supposons diagonalisable. Il existe alors une base de formée de vecteurs propres de . Pour chaque , il existe tel que , et est une valeur propre de , donc d'après l'étape précédente. Ainsi Une application linéaire qui annule une base est l'application nulle : pour , la linéarité donne . Donc , ce qui contredit l'hypothèse.

Conclusion. n'est pas diagonalisable.

Un exemple concret. a un carré nul sans être nulle. Son unique sous-espace propre est la droite engendrée par , de dimension : le critère des dimensions dit la même chose.

Le point à retenir. Un endomorphisme diagonalisable dont le spectre est réduit à vaut . C'est l'argument le plus rentable de tout le chapitre : il tue d'un coup toutes les matrices non nulles de spectre réduit à un point.

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