Notion de matrice diagonalisable, de valeur propre d'une matrice, de vecteur propre d'une matrice

On a les définitions suivantes :

DéfinitionDéfinitions et propriétés immédiates

Soit \(M\) une matrice carrée d'ordre \(n\) à coefficients dans \(\mathbf K\)\(\mathbf K\) est égal à \(\mathbb R\) ou \(\mathbb C\).

  1. On dit que \(M\) est diagonalisable si elle est semblable à une matrice diagonale c'est-à-dire s'il existe deux matrices \(D\) et \(P\) de \(M_n(\mathbf K)\) telles que \(D\) soit diagonale, \(P\) inversible et \(M=PDP^{-1}\).

  2. Une matrice colonne \(V\) appartenant à \(M_{n,1}(\mathbf K)\) est un vecteur propre de \(M\) si :

    \(V\neq0\) et \(\exists\lambda\in\mathbf K\), \(MV=\lambda V\).

  3. Un élément de \(\mathbf K\) est une valeur propre de \(M\) si il existe \(V\), non nul, appartenant à \(M_{n,1}(\mathbf K)\) tel que \(MV=\lambda V\).

  4. Un élément de \(\mathbf K\) est une valeur propre de \(M\) si et seulement si det\((M-\lambda I_n)=0\).

  5. On appelle polynôme caractéristique de \(M\) le polynôme det\((M-XI_n)\). On le note \(P_{\textrm{car},M}(X)\).

  6. Un élément \(\lambda\) de \(\mathbf K\) est une valeur propre de \(M\) si et seulement c'est une racine du polynôme caractéristique de \(M\).

  7. Le sous-espace propre associé à la valeur propre est égal à l'ensemble des \(V\) appartenant à \(M_{n,1}(\mathbf K)\) tels que \((M-\lambda I_n)V=0\) autrement dit l'ensemble des matrices colonnes \(V=\left(\begin{array}{cccccc}v_1\\\vdots\\v_n\end{array}\right)\) telles que \((M-\lambda I_n)\left(\begin{array}{cccccc}v_1\\\vdots\\v_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}0\\\vdots\\0\end{array}\right)\).

ExemplePolynôme caractéristique d'une matrice carrée d'ordre 2

Soit \(M=\left(\begin{array}{cccccc}a&b\\c&d\end{array}\right)\) une matrice carrée d'ordre \(2\) à coefficients réels ou complexes.

Alors \(P_{\textrm{car},M}(X)=\left|\begin{array}{cc}a-X&b\\c&d-X\end{array}\right|=(a-X)(d-X)-bc\),

soit \(P_{\textrm{car},M}(X)=X^2-(a+d)X+ad-bc\)

En remarquant que \(a+d\) est la trace de la matrice \(M\) et \(ad-bc\) son déterminant, cette formule peut être écrite :

\(P_{\textrm{car},M}(X)=X^2-(\textrm{tr}M)X+ \)det\(M\)

En fait ce résultat se généralise au cas d'une matrice carrée d'ordre \(n\). On a la propriété suivante :

PropriétéQuelques coefficients particuliers du polynôme caractéristique

Soit \(A=(a_{i,j})\) un élément de \(M_n(\mathbf K)\), alors :

\(P_{\textrm{car},A}(X)=(-1)^n[X^n-\textrm{tr}(A)X^{n-1}+\cdots+(-1)^n\textrm{det}A]\)

Preuve

Le terme constant de \(P_{\textrm{car},A}(X)\) est \(P_{\textrm{car},A}(0)\), soit det\(A\).

On a det\((A-XI_n)=\left|\begin{array}{cccc}a_{1,1}-X&a_{1,2}&\ldots&a_{1,n}\\a_{2,1}&a_{2,2}-X&&\vdots\\\vdots&&\ddots&\vdots\\a_{n,1}&\ldots&\ldots&a_{n,n}-X\end{array}\right|\)

Seul le terme \(\displaystyle{\prod_{i=1}^{i=n}(a_{i,i}-X)}\) du développement fournit des termes en \(X^{n-1}\). En développant ce produit, on obtient un terme en \(X^{n-1}\) en "gardant \(X\)" dans \(n-1\) facteurs et la constante dans le n-ième, le coefficient de \(X^{n-1}\) est donc

\(\displaystyle{(-1)^{n-1}\sum_{i=1}^{n}a_{i,i}=(-1)^{n-1}\textrm{tr}(A)}\) .

La proposition suivante résulte immédiatement de la définition du polynôme caractéristique d'une matrice et des propriétés des déterminants.

PropositionPolynôme caractéristique et matrices semblables

Soient \(M\) et \(N\) deux matrices semblables de \(M_n(\mathbf K)\).

Alors \(P_{\textrm{car},M}(X)=P_{\textrm{car},N}(X)\).

Preuve

Soient \(M\) et \(N\) deux matrices semblables : il existe donc une matrice inversible \(Q\) de \(M_n(\mathbf K)\) telle que \(M=QNQ^{-1}\). Alors \(M-XI_n=Q(N-XI_n)Q^{-1}\).

Les matrices \(M-XI_n\) et \(N-XI_n\) sont donc semblables et par conséquent ont le même déterminant.

La propriété suivante, utile dans la pratique, résulte immédiatement des calculs de déterminants des matrices triangulaires

PropositionValeurs propres d'une matrice triangulaire

Soient \(M\) une matrice triangulaire de \(M_n(\mathbf K),n\ge 1\) .

Ses valeurs propres sont les éléments de la diagonale principale.

Exemple

Soit \(M=\left(\begin{array}{cccccc}3&5&2\\0&3&3\\0&0&0\end{array}\right)\).

Les valeurs propres de \(M\) sont \(0\) et \(3\).