Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Spectre de la commatrice

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Preuve en vidéo : https://youtu.be/W6WnB5DaSn4
Cas 1: Si AA est inversible.
Dans ce cas, grâce à la formule ACom(A)T=det⁡(A)A\mathrm{Com}(A)^{T}=\det(A) on a Com(A)T=det⁡(A)A−1\mathrm{Com}(A)^{T}=\det(A)A^{-1} donc
Sp(Com(A)T)=Sp(Com(A))={det⁡(A)λ∣λ∈Sp(A)}.\mathrm{Sp}(\mathrm{Com}(A)^{T})=\mathrm{Sp}(\mathrm{Com}(A))=\left\{\dfrac{\det(A)}{\lambda}\mid \lambda\in \mathrm{Sp}(A)\right\}.Cas 2: Si rg(A)≤n−2\mathrm{rg}(A)\leq n-2.
Alors les mineurs non nuls de AA sont de taille ≤n−2\leq n-2. En particulier, ses mineurs de taille n−1n-1, donc les coefficients de Com(A)\mathrm{Com}(A) sont nuls. Donc Sp(Com(A))={0}.\mathrm{Sp}(\mathrm{Com}(A))=\{0\}.
Cas 3: Si rg(A)=n−1.\mathrm{rg}(A)=n-1.
Dans ce cas AA possède un mineur non nul de taille n−1.n-1. Donc Com(A)\mathrm{Com}(A) possède un coefficient non nul et par conséquent rg(Com(A))≥1.\mathrm{rg}(\mathrm{Com}(A))\geq 1. Par ailleurs, ACom(A)T=det⁡(A)In=0A\mathrm{Com}(A)^{T}=\det(A)I_{n}=0 donc im(Com(A)T)⊆ker⁡(A)\mathrm{im}(\mathrm{Com}(A)^{T})\subseteq \ker(A) mais, par le théorème du rang, dim⁡(ker⁡(A))=1\dim(\ker(A))=1. Puisque rg(Com(A))=rg(Com(A)T)\mathrm{rg}(\mathrm{Com}(A))=\mathrm{rg}(\mathrm{Com}(A)^{T}) on a rg(Com(A))=1.\mathrm{rg}(\mathrm{Com}(A))=1. Encore grâce au théorème du rang on obtient dim⁡(ker⁡(Com(A))=n−1\dim(\ker(\mathrm{Com}(A))=n-1 ce qui signifie que 00 est valeur propre de Com(A)\mathrm{Com}(A) de multiplicité au moins n−1.n-1. On note λ\lambda la "dernière" valeur propre (comptée avec multiplicité ; λ\lambda peut être nulle). Puisque la trace d’une matrice complexe est la somme de ses valeurs propres comptées avec multiplicité, on a
Tr(Com(A))=∑μ∈Sp(Com(A)mμμ=λ.\mathrm{Tr}(\mathrm{Com}(A))=\sum_{\mu\in\mathrm{Sp}(\mathrm{Com}(A)}m_{\mu}\mu=\lambda.Par ailleurs, ∀A∈Mn(C),∀P∈GLn(C),Com(P−1AP)T=P−1Com(A)TP\forall A\in \mathrm{M}_{n}(\mathbb{C}),\forall P\in \mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}), \mathrm{Com}(P^{-1}AP)^{T}=P^{-1}\mathrm{Com}(A)^{T}P. En effet, pour A∈GLn(C)A\in\mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}), on a Com(P−1AP)T=det⁡(A)(P−1AP)−1=P−1(det⁡(A)A−1)P=P−1Com(A)TP\mathrm{Com}(P^{-1}AP)^{T}=\det(A)(P^{-1}AP)^{-1}=P^{-1}(\det(A)A^{-1})P=P^{-1}\mathrm{Com}(A)^{T}P. Puis, par densité de GLn(C)\mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}) et par continuité de A↦P−1Com(A)TPA\mapsto P^{-1}\mathrm{Com}(A)^{T}P et de
A↦Com(P−1AP)TA\mapsto \mathrm{Com}(P^{-1}AP)^{T}, les deux applications coïncident sur une partie dense de Mn(C)M_{n}(\mathbb{C}) donc sur Mn(C)M_{n}(\mathbb{C}). Pour AA de rang n−1n-1 et P∈GLn(C)P\in\mathrm{GL}_{n}(\mathbb{C}) telle que P−1APP^{-1}AP triangulaire avec λ1,…,λn\lambda_{1},\dots,\lambda_{n} sur la diagonale, on a Com(P−1AP)T\mathrm{Com}(P^{-1}AP)^{T} triangulaire supérieure avec sur sa diagonale ∏j=1j≠inλj\displaystyle \prod_{\substack{j=1\\j\neq i}}^{n}\lambda_{j} et sa trace est la même que celle de Com(A)\mathrm{Com}(A) par ce qui précède. Ainsi on a
λ=∑i=1n∏j=1j≠inλj\lambda=\sum_{i=1}^{n}\prod_{\substack{j=1\\j\neq i}}^{n}\lambda_{j}Puisque AA est de rang n−1n-1 elle possède au moins une valeur propre nulle donc tous les produits sont nuls sauf peut-être un. Plus précisément :

  • Si 00 est valeur propre de AA de multiplicité 11 alors Sp(Com(A))={0,∏μ∈Sp(A)∖{0}μmμ}.\mathrm{Sp}(\mathrm{Com}(A))=\{0,\prod_{\mu\in\mathrm{Sp}(A)\setminus\{0\}}\mu^{m_{\mu}}\}.
  • Si 00 est valeur propre de AA de multiplicité ≥2\geq 2 alors Sp(Com(A))={0}\mathrm{Sp}(\mathrm{Com}(A))=\{0\}. Autrement dit, Com(A)\mathrm{Com}(A) est nilpotente.

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