Ivan Shishkin, Birch Grove

semblable

Definition / Other /

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Also known as: Matrices semblables

Français
Définition intuitive

Deux matrices sont semblables lorsqu’elles décrivent le même endomorphisme, vu dans deux bases différentes. C’est la relation qui formalise l’idée qu’une matrice n’est qu’une écriture : les coefficients dépendent du repère choisi, l’objet géométrique sous-jacent n’en dépend pas. Toute la théorie de la réduction consiste alors à chercher, dans une classe de similitude, le représentant le plus simple possible.

Définition formelle

Soient K\mathbb{K} un corps et A,B∈Mn(K)A,B\in\mathcal{M}_n(\mathbb{K}). On dit que AA et BB sont semblables sur K\mathbb{K}, et l’on note A∼BA\sim B, s’il existe P∈GLn(K)P\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{K}) telle que
B=P−1AP.B=P^{-1}AP .

C’est une relation d’équivalence : réflexive avec P=InP=I_n, symétrique en remplaçant PP par P−1P^{-1}, transitive en composant les matrices de passage. Ses classes sont les classes de similitude, c’est-à-dire les orbites de l’action de GLn(K)\mathrm{GL}_n(\mathbb{K}) sur Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) par conjugaison.

Interprétation. Si u∈L(E)u\in\mathcal{L}(E) avec dim⁡E=n\dim E=n, et si B,B′\mathcal{B},\mathcal{B}' sont deux bases de EE, alors
MatB′(u)=P−1 MatB(u) P,P=MatB(B′).\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}'}(u)=P^{-1}\,\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(u)\,P,\qquad P=\mathrm{Mat}_{\mathcal{B}}(\mathcal{B}').Réciproquement, deux matrices semblables représentent un même endomorphisme dans deux bases. La similitude est donc exactement la relation « même endomorphisme ».

Invariants. Si A∼BA\sim B, alors
rg⁡A=rg⁡B,tr⁡A=tr⁡B,det⁡A=det⁡B,χA=χB,μA=μB,Sp⁡A=Sp⁡B,\operatorname{rg}A=\operatorname{rg}B,\quad \operatorname{tr}A=\operatorname{tr}B,\quad \det A=\det B,\quad \chi_A=\chi_B,\quad \mu_A=\mu_B,\quad \operatorname{Sp}A=\operatorname{Sp}B,avec les mêmes multiplicités algébriques et géométriques, et rg⁡(A−λI)k=rg⁡(B−λI)k\operatorname{rg}(A-\lambda I)^{k}=\operatorname{rg}(B-\lambda I)^{k} pour tous λ,k\lambda,k.

Théorème (invariant complet, Frobenius). Toute A∈Mn(K)A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) est semblable à une unique matrice diagonale par blocs diag⁡(CP1,…,CPr)\operatorname{diag}(C_{P_1},\dots,C_{P_r}), où les CPiC_{P_i} sont des matrices compagnons et P1∣P2∣⋯∣PrP_1\mid P_2\mid\cdots\mid P_r. Ces facteurs invariants vérifient Pr=μAP_r=\mu_A et ∏iPi=χA\prod_iP_i=\chi_A, et
A∼B  ⟺  A et B ont les meˆmes facteurs invariants.A\sim B\iff A \text{ et } B \text{ ont les mêmes facteurs invariants}.

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