Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Réduction sur L(Mn(C))\mathcal{L}(M_n(\mathbb{C}))

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Solution by Sequoia · FR

Ici ff est explicite et il ne paraît pas y avoir de valeur propre triviale donc on va directement partir dans la résolution de f(A)=λAf(A)=\lambda A et construire une base de vecteurs propres.

En observant les colonnes et en les égalisant, on trouve un système de nn équations, ces dernières étant λCi=jiCj\lambda C_i=\sum_{j\neq i}C_j pour tout i[ ⁣[1,n] ⁣]i\in[\![1,n]\!]. L’idée principale alors est d’essayer de tout régulariser. Les sommes sont bien gênantes alors l’idée est d’ajouter CiC_i à chacune de ces équations pour en déduire une quantité qui se conserve. On trouve alors (λ+1)Ci=jCj(\lambda+1)C_i=\sum_j C_j donc (λ+1)Ci(\lambda+1)C_i est constant par rapport à ii. On entame ainsi une disjonction de cas.

\hookrightarrow Si λ=1\mathbf{\lambda=-1}, alors toutes les équations se résument à jCj=0\sum_j C_j=0. Ce qui nous fournit une équations sur les colonnes mais \textbf{nn équations sur les coefficients} (on raisonne en matrices ici) ! Ainsi l’espace propre Ker(f+Id)\mathrm{Ker}(f+I_d) est de dimension n2nn^2-n (degré de liberté = dimension - nombres d’équations) et est engendré par les matrices de la forme Ei,jEi,j+lE_{i,j}-E_{i,j+l} pour 1in,1jn11\leqslant i\leqslant n, 1\leqslant j\leqslant n-1 et 1lnj1\leqslant l\leqslant n-j (on vérifie bien qu’il y en a n2nn^2-n).

\hookrightarrow Si λ1\mathbf{\lambda\neq-1}, alors x:=jCj0x:=\sum_j C_j\neq0 et l’idée est de sommer toutes les équations pour retrouver xx de chaque côté. On trouve alors x(λ+1)=nxx(\lambda+1)=nx et λ=n1\underline{\lambda=n-1} car le vecteur xx est non-nul. Dans ce cas on a alors que toutes les colonnes CiC_i sont les mêmes (et valent xn\frac{x}{n}). Il faut et suffit alors de fixer xx pour avoir le résultat, ce qui nous donne nn équations sur les coefficients et ainsi Ker(f(n1)Id)\mathrm{Ker}(f-(n-1)Id) est de dimension nn (le nombre de degrés de libertés des coefs) et il est engendré par les (1nδi,k)i,j(\frac{1}{n}\delta_{i,k})_{i,j}, pour 1kn1\leqslant k\leqslant n (on prend la base canonique pour caractériser le vecteur xx).

Finalement on a trouvé deux espaces propres dont la somme des dimensions fait n2=dim(Mn(C))n^2=\dim(\mathfrak{M}_n(\mathbb{C})) donc ce sont les seuls et ff est diagonalisable !

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