Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Matrice dont une puissance est diagonalisable

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Solution by Sequoia · FR

La matrice ApA^p est diagonalisable donc on a la décomposition (avec tous les espaces propres nuls sauf un nombre fini d’entre eux):
Cn=λCKer(ApλIn).\mathbb{C}^n=\bigoplus_{\lambda\in \mathbb{C}}\mathrm{Ker}(A^p-\lambda I_n).On cherche maintenant à avoir la même décomposition mais pour les espaces propres de AA. Pour cela, prenons λ0\lambda\neq0, ainsi le polynôme XpλX^p-\lambda est scindé à racines simples, de racines μ1,,μp\mu_1,\dots,\mu_p et le lemme des noyaux permet de dire que:
Ker(ApλIn)=i=1nKer(AμiIn).\mathrm{Ker}(A^p-\lambda I_n)=\bigoplus_{i=1}^n\mathrm{Ker}(A-\mu_i I_n).Donc on a décomposé tous les espaces propres de AA comme des espaces propres de AA, sauf pour λ=0\lambda=0. Or, dans ce cas, on a par hypothèse:
Ker(ApλIn)=Ker(Ap)=Ker(A),\mathrm{Ker}(A^p-\lambda I_n)=\mathrm{Ker}(A^p)=\mathrm{Ker}(A),et ainsi Cn\mathbb{C}^n est une somme d’espaces propres de AA. Donc AA est diagonalisable, ce qui conclut.

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