Endomorphisme diagonalisable et puissance d'une matrice

Partie

Question

On considère l'endomorphisme \(f\) de \(\mathbb R^3\) dont la matrice dans la base canonique est la matrice \(A=\left(\begin{array}{ccc}1&1&-1\\1&1&1\\1&1&1\end{array}\right)\).

  1. Montrer que \(f\) est diagonalisable, trouver une base de \(\mathbb R^3\) formée de vecteurs propres de \(f\) et la matrice \(A'\) de \(f\) dans cette base.

  2. Déterminer, pour tout \(n\) appartenant à \(\mathbb N\), la matrice \(A^n\).

Aide méthodologique
  1. Pour savoir si un endomorphisme d'un \(\mathbf K\)-espace vectoriel est diagonalisable :

    • on calcule son polynôme caractéristique,

    • on détermine les racines dans \(\mathbf K\) du polynôme caractéristique et leur ordre de multiplicité.

      L'espace vectoriel est un \(\mathbb R^3\) est un \(\mathbb R\)-espace vectoriel de dimension \(3\). Le polynôme caractéristique de \(f\) est alors un polynôme de degré \(3\) à coefficients dans \(\mathbb R\).

    • Si le polynôme caractéristique de \(f\) a trois racines réelles distinctes, on peut conclure que \(f\) est diagonalisable (condition suffisante de diagonalisation).

    • Sinon, on utilise la condition nécessaire et suffisante de diagonalisation : \(f\) est diagonalisable si et seulement si son polynôme caractéristique est scindé et si, pour chaque valeur propre, la dimension du sous-espace propre associé est égale à son ordre de multiplicité en tant que racine du polynôme caractéristique.

  2. Si \(A\) est diagonalisable alors il existe une matrice diagonale \(D\) et une matrice inversible \(P\) telles que \(A=PDP^{-1}\). On a alors pour tout entier naturel \(n\), \(A^n=PD^nP^{-1}\).

    Pour calculer \(P^{-1}\), on peut dire que si \(P\) est la matrice de passage de la base \(B\) à la base \(B'\) alors \(P^{-1}\) est la matrice de passage de la base \(B'\) à la base \(B\). On peut aussi utiliser la formule \(\displaystyle{P^{-1}=\frac{1}{\textrm{det}P}\textrm{ }^t\textrm{com}P}\)\(\textrm{com}P\) est la comatrice de \(P\), c'est-à-dire la matrice des cofacteurs de \(P\).

Solution détaillée
  1. Pour déterminer les valeurs propres de \(f\) on calcule le polynôme caractéristique de \(f\).

    \(P_{\textrm{car},f}(X)=\textrm{det}(A-XI_3)=\left|\begin{array}{ccc}1-X&1&-1\\1&1-X&1\\1&1&1-X\end{array}\right|\)

    En ajoutant la ligne 2 à la ligne 1 on fait apparaître une factorisation par \(2-X\).

    \(P_{\textrm{car},f}(X)=\left|\begin{array}{ccc}2-X&2-X&0\\1&1-X&1\\1&1&1-X\end{array}\right|=(2-X)\left|\begin{array}{ccc}1&1&0\\1&1-X&1\\1&1&1-X\end{array}\right|\)

    On enlève la colonne 1 à la colonne 2.

    \(P_{\textrm{car},f}(X)=(2-X)\left|\begin{array}{ccc}1&0&0\\1&-X&1\\1&0&1-X\end{array}\right|=-X(1-X)(2-X)\)

    L'endomorphisme \(f\) de \(\mathbb R^3\) a trois valeurs propres distinctes \(\lambda_1=0\), \(\lambda_2=1\) et \(\lambda_3=2\), il est donc diagonalisable.

    Soit \(E_{\lambda_1}\) le sous-espace propre associé à la valeur propre \(\lambda_1=0\) et \(u=(x,y,z)\) un vecteur de \(\mathbb R^3\).

    \(u\in E_{\lambda_1}\Leftrightarrow f(u)=0_{\mathbb R^3}\Leftrightarrow A\left(\begin{array}{c}x\\y\\z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\0\\0\end{array}\right)\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{cccccc}x+y-z=0\\x+y+z=0\\x+y+z=0\end{array}\right.\)

    \(u\in E_{\lambda_1}\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{lllll}x+y=0\\z=0\end{array}\right.\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{lllll}y=-x\\z=0\end{array}\right.\)

    \(u\in E_{\lambda_1}\Leftrightarrow\exists x\in\mathbb R,u=x(1,-1,0)\)

    \(E_{\lambda_1}\) est la droite vectorielle de base \(u_1=(1,-1,0)\).

    Soit \(E_{\lambda_2}\) le sous-espace propre associé à la valeur propre \(\lambda_2=1\) et \(u=(x,y,z)\) un vecteur de \(\mathbb R^3\).

    \(u\in E_{\lambda_2}\Leftrightarrow f(u)=u\Leftrightarrow(f-Id_{\mathbb R^3})(u)=0_{\mathbb R^3}\Leftrightarrow(A-I_3)\left(\begin{array}{c}x\\y\\z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\0\\0\end{array}\right)\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{cccccc}y-z=0\\x+z=0\\x+y=0\end{array}\right.\)

    \(u\in E_{\lambda_2}\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{cccccc}y=-x\\z=-x\end{array}\right.\)

    \(u\in E_{\lambda_2}\Leftrightarrow\exists x\in\mathbb R,u=x(1,-1,-1)\)

    \(E_{\lambda_2}\) est la droite vectorielle de base \(u_2=(1,-1,-1)\).

    Soit \(E_{\lambda_3}\) le sous-espace propre associé à la valeur propre \(\lambda_3=2\) et \(u=(x,y,z)\) un vecteur de \(\mathbb R^3\).

    \(u\in E_{\lambda_3}\Leftrightarrow f(u)=2u\Leftrightarrow(A-2I_3)\left(\begin{array}{c}x\\y\\z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\0\\0\end{array}\right)\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{cccccc}-x+y-z=0\\x-y+z=0\\x+y-z=0\end{array}\right.\)

    Les deux premières équations sont équivalentes.

    \(u\in E_{\lambda_3}\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{cccccc}-x+y-z=0\\x+y-z=0\end{array}\right.\Leftrightarrow\left\{\begin{array}{cccccc}x=0\\y=z\end{array}\right.\)

    \(u\in E_{\lambda_3}\Leftrightarrow\exists y\in\mathbb R,u=y(0,1,1)\)

    \(E_{\lambda_3}\) est la droite vectorielle de base \(u_3=(0,1,1)\).

    Les vecteurs \(u_1\), \(u_2\) et \(u_3\) sont des vecteurs propres associés à trois valeurs propres distinctes. Ils sont donc linéairement indépendants et forment une base de \(\mathbb R^3\).

    Soit \(B'=(u_1,u_2,u_3)\). Comme \(f(u_1)=0_{\mathbb R^3}\), \(f(u_2)=u_2\), \(f(u_3)=2u_3\) la matrice \(A'\) de \(f\) dans la base \(B'\) est : \(A'=\left(\begin{array}{ccc}0&0&0\\0&1&0\\0&0&2\end{array}\right)\).

    La matrice de passage de la base \(B\) à la base \(B'\) est \(P=\left(\begin{array}{ccc}1&1&0\\-1&-1&1\\0&-1&1\end{array}\right)\) et \(A=PA'P^{-1}\).

  2. \(A=PA'P^{-1}\) et pour tout entier n strictement positif, \(A^n=P{A'}^nP^{-1}\).

    \({A'}^n=\left(\begin{array}{ccc}0&0&0\\0&1&0\\0&0&2^n\end{array}\right)\)

    La matrice \(P^{-1}\) est la matrice de passage de la base \(B'=(u_1,u_2,u_3)\) à la base \(B=(e_1,e_2,e_3)\).

    \(\left\{\begin{array}{cccc}u_1=&e_1&-e_2&\\u_2=&e_1&-e_2&-e_3\\u_3=&&e_2&+e_3\end{array}\right.\) d'où \(\left\{\begin{array}{cccc}e_1=&&u_2&+u_3\\e_2=&-u_1&+u_2&+u_3\\e_3=&u_1&-u_2&\end{array}\right.\)

    et \(P^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}0&-1&1\\1&1&-1\\1&1&0\end{array}\right)\)

    \(P{A'}^n=\left(\begin{array}{ccc}0&1&0\\0&-1&2^n\\0&-1&2^n\end{array}\right)\) et \(P{A'}^nP^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}1&1&-1\\2^n-1&2^n-1&1\\2^n-1&2^n-1&1\end{array}\right)\)