1. Soit k∈N∗. On commence par justifier l’existence de l’inverse. Notons λ1,...λn les valeurs propres de A. En trigonalisant A, on peut écrire que pour t∈[0;2π], det(reitIn−A)=j=1∏nreit−λj. Pour r assez grand, le déterminant est non nul et donc l’inverse existe. On pose donc naturellement R=1+λ∈Sp(A)max∣λ∣.
L’idée ensuite est de faire apparaître une somme géométrique pour expliciter la valeur de l’inverse. On se donne une norme sous-multiplicative sur Mn(C) (par exemple la norme d’opérateur), on la note ∣∣.∣∣. Alors pour tout M∈Mn(C), pour tout k∈N, ∣∣Mk∣∣≤∣∣M∣∣k. Pour r≥R, 0≤∣∣r1A∣∣<1.
Donc
(reitIn−A)−1=r1e−it(In−r1e−itA)−1=r1e−itn=0∑+∞rn1e−intAn
On réinjecte alors ce résultat dans l’intégrale puis on justifie l’interversion série/intégrale par de la CVN sur tout segment si bien que
2π1∫02π(reit)k(reitIn−A)−1dt=2π1n=0∑+∞rk−1−nAn∫02πe−it(k−1−n)dt
Or cette dernière intégrale vaut 2π si k−1=n et 0 sinon si bien que la somme ne contient que le terme en n=k−1. D’où
2π1∫02π(reit)k(reitIn−A)−1dt=Ak−1
2. On note k=deg(χA) et χA=j=0∑kajXj. Par application de la formule précédente on trouve :
2πχA(A)=j=0∑kaj∫02πrj+1ei(j+1)t(reitIn−A)−1dt=∫02πreit(reitIn−A)−1χA(reit)dt
Or (reitIn−A)−1χA(reit)=Com(reitIn−A)⊤, cette dernière matrice a des coefs polynomial en reit. Par définition de l’intégrale de vecteurs, on intègre donc coef par coef. On se ramène à calculer des intégrales de la forme : ∫02πPk,l(reit)reit où Pk,l serait le polynôme de coef (k,l) de la comatrice considérée.
Or ∫02πeinteitdt vaut 0 sauf si n=−1. Donc les intégrales à calculer sont toutes nulles. D’où le théorème de Cayley-Hamilton.