Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Continuité de la décomposition de Dunford

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Solution by Baked_Baguette · FR

NB : On sera amené à noter λ,μ\lambda, \mu les valeurs propres de MM et λ′,μ′\lambda', \mu' les valeurs propres d’une autre matrice M′M'.

Solution de 1.

a) Si λ≠μ\lambda \neq \mu, MM est diagonalisable et le couple (M,0)(M, 0) convient. Inversement, si le couple (DM,NM)(D_{M}, N_{M}) convient, les matrices MM et DMD_{M} commutent et sont codiagonalisables, de sorte que NM=M−DMN_{M} = M - D_{M} soit diagonaliable. Étant nilpotente, elle est nulle, d’où l’unicité dans ce cas.

b) Si λ=μ\lambda = \mu, le couple (λI2,M−λI2)(\lambda I_{2}, M - \lambda I_{2}) convient. Inversement, si le couple (DM,NM)(D_{M}, N_{M}) convient, une coréduction de DMD_{M} et NMN_{M} justifie que DMD_{M} a le même spectre que MM, donc que DM=λI2D_{M} = \lambda I_{2}, d’où l’unicité à nouveau.

Solution de 2.

On démontre que les points de continuité de l’application étudiée sont exactement les matrices diagonalisables.

a) D’abord, si MM n’est pas diagonalisable, i.e. NM≠0N_{M} \neq 0, on peut remarquer que MM est limite de matrices diagonalisables MkM_{k} (argument de densité) i.e. telles que NMk=0N_{M_{k}} = 0, d’où la discontinuité.

b) Supposons λ≠μ\lambda \neq \mu (en particulier, MM est diagonalisable). Remarquons via le polynôme caractéristique que λ≠μ\lambda \neq \mu si et seulement si (Tr M)2−4det⁡M≠0(\mathrm{Tr}\,M)^{2} - 4 \det M \neq 0 ; de telles matrices forment donc un ouvert de M2(C)\mathcal{M}_{2}(\mathbf{C}). En particulier, NM′=NM=0N_{M'} = N_{M} = 0 dès que M′M' est suffisamment proche de MM, d’où la continuité.

c) Supposons enfin λ=μ\lambda = \mu et MM diagonalisable, c’est-à-dire M=λI2M = \lambda I_{2}. Si M′∈M2(C)M' \in \mathcal{M}_{2}(\mathbf{C}) et λ′≠μ′\lambda ' \neq \mu', on remarque que DM−DM′=M−M′D_{M} - D_{M'} = M-M'. Sinon, ∥DM−DM′∥1=∣Tr M−Tr M′∣\lVert D_{M} - D_{M'} \rVert_{1} = |\mathrm{Tr}\, M - \mathrm{Tr}\, M'| en notant ∥⋅∥1\lVert \cdot \rVert_{1} la norme 11 standard de M2(C)\mathcal{M}_{2}(\mathbf{C}). Dans tous les cas : DM′→DMD_{M'} \to D_{M} quand M′→MM' \to M, ce qui conclut.

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