Montrons que ce sont les matrices dont le polynôme minimal est irréductible sur R, c’est-à-dire, compte tenu de la classification des irréductibles réels :
M=λIn (λ∈R),ouμM=X2−2aX+(a2+b2) avec b=0.Dans le second cas, M est semblable à une matrice diagonale par blocs formée de n/2 copies du bloc (ab−ba) ; en particulier n est pair.
Notons μM le polynôme minimal de M. Pour P∈R[X],
P(M)=0⟺μM∣P.La condition de l’énoncé s’écrit donc : dès que μM∤P, la matrice P(M) est inversible.
Supposons μM réductible : μM=P1P2 avec 1⩽degPi<degμM.
Alors P1(M)=0, par minimalité de μM. Et P1(M) n’est pas inversible : sinon, de
P1(M)P2(M)=μM(M)=0on tirerait P2(M)=0, contredisant degP2<degμM. La matrice P1(M) est donc non nulle et non inversible : M ne convient pas.
Supposons μM irréductible et soit P∈R[X] avec P(M)=0, c’est-à-dire μM∤P. L’irréductibilité de μM entraîne
pgcd(μM,P)=1,les seuls diviseurs unitaires de μM étant 1 et μM lui-même. Le théorème de Bézout fournit U,V∈R[X] tels que
UμM+VP=1.En évaluant en M et en utilisant μM(M)=0 :
V(M)P(M)=In.Donc P(M) est inversible, d’inverse V(M). ■
Donnons une description explicite.
Un polynôme irréductible de R[X] est de degré 1 ou 2.
Si μM=X−λ, alors M=λIn. Réciproquement, toute matrice scalaire convient : P(λIn)=P(λ)In est nulle si P(λ)=0, inversible sinon.
Si μM=X2−2aX+(a2+b2) avec b=0, ce polynôme est scindé à racines simples sur C, de racines a±ib. La matrice M est donc diagonalisable sur C, de spectre {a+ib,a−ib} ; étant réelle, les deux valeurs propres ont même multiplicité n/2, et la réduction des endomorphismes réels sans valeur propre réelle donne la forme par blocs annoncée. □
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