Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/TopologyUnreviewed

Théorème de Cayley-Hamilton par l’analyse.

by Hadrien·
45
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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Soit A∈Mn(C)A\in M_{n}(\mathbb{C}).
1.\textbf{1.} Montrer que pour tout k∈N∗k\in\mathbb{N}^*, il existe R>0R>0 tq si r≥Rr\geq R alors :
Ak−1=12π∫02π(reit)k(reitIn−A)−1dtA^{k-1}=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} \left(re^{it}\right)^k(re^{it}I_n-A)^{-1}\mathrm{d}t2.\textbf{2.} En déduire le théorème de Cayley-Hamilton : χA(A)=0\chi_{A}(A)=0.

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Solutions

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Solution by Hadrien

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1.\textbf{1.} Soit k∈N∗k\in\N^*. On commence par justifier l’existence de l’inverse. Notons λ1,...λn\lambda_1,...\lambda_n les valeurs propres de AA. En trigonalisant AA, on peut écrire que pour t∈[0;2π]t\in[0;2\pi], det⁡(reitIn−A)=∏j=1nreit−λj\det(re^{it}I_n-A)=\displaystyle\prod_{j=1}^n re^{it}-\lambda_j. Pour rr assez grand, le déterminant est non nul et donc l’inverse existe. On pose donc naturellement R=1+max⁡λ∈Sp(A)∣λ∣R=1+\displaystyle\max_{\lambda\in\text{Sp}(A)}|\lambda|.

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)M_{n}(\mathbb{C}) (par exemple la norme d’opérateur), on la note ∣∣.∣∣||.||. Alors pour tout M∈Mn(C)M\in M_{n}(\mathbb{C}), pour tout k∈Nk\in\N, ∣∣Mk∣∣≤∣∣M∣∣k||M^k||\leq ||M||^k. Pour r≥Rr\geq R, 0≤∣∣1rA∣∣<10\leq||\frac{1}{r}A||<1.

Donc
(reitIn−A)−1=1re−it(In−1re−itA)−1=1re−it∑n=0+∞1rne−intAn(re^{it}I_n-A)^{-1}=\frac{1}{r}e^{-it}(I_n-\frac{1}{r}e^{-it}A)^{-1}=\frac{1}{r}e^{-it}\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{r^n}e^{-int}A^n

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

12π∫02π(reit)k(reitIn−A)−1dt=12π∑n=0+∞rk−1−nAn∫02πe−it(k−1−n)dt\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi} (re^{it})^{k}(re^{it}I_n-A)^{-1}\mathrm{d}t=\frac{1}{2\pi}\sum_{n=0}^{+\infty}r^{k-1-n}A^n\int_{0}^{2\pi}e^{-it(k-1-n)}\mathrm{d}t

Or cette dernière intégrale vaut 2π2\pi si k−1=nk-1=n et 00 sinon si bien que la somme ne contient que le terme en n=k−1n=k-1. D’où
12π∫02π(reit)k(reitIn−A)−1dt=Ak−1\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi} (re^{it})^{k}(re^{it}I_n-A)^{-1}\mathrm{d}t=A^{k-1}

2.\textbf{2.} On note k=deg⁡(χA)k=\deg(\chi_A) et χA=∑j=0kajXj\chi_A=\displaystyle\sum_{j=0}^{k} a_jX^j. Par application de la formule précédente on trouve :

2πχA(A)=∑j=0kaj∫02πrj+1ei(j+1)t(reitIn−A)−1dt=∫02πreit(reitIn−A)−1χA(reit)dt2\pi\chi_A(A)=\sum_{j=0}^{k} a_j\int_{0}^{2\pi} r^{j+1}e^{i(j+1)t} \left(re^{it}I_n-A\right)^{-1}\mathrm{d}t = \int_0^{2\pi} re^{it} \left(re^{it}I_n-A\right)^{-1}\chi_A\left(re^{it}\right)\mathrm{d}t

Or (reitIn−A)−1χA(reit)=Com(reitIn−A)⊤\left(re^{it}I_n-A\right)^{-1}\chi_A\left(re^{it}\right)=\text{Com}\left(re^{it}I_n-A\right)^{\top}, cette dernière matrice a des coefs polynomial en reitre^{it}. 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\int_{0}^{2\pi} P_{k,l}\left(re^{it}\right)re^{it} où Pk,lP_{k,l} serait le polynôme de coef (k,l)(k,l) de la comatrice considérée.
Or ∫02πeinteitdt\int_{0}^{2\pi} e^{int}e^{it} \mathrm{d}t vaut 00 sauf si n=−1n=-1. Donc les intégrales à calculer sont toutes nulles. D’où le théorème de Cayley-Hamilton.

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