Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Montrons que ce sont les matrices dont le polynôme minimal est irréductible sur R\mathbb{R}, c’est-à-dire, compte tenu de la classification des irréductibles réels :
M=λIn  (λR),ouμM=X22aX+(a2+b2)  avec b0.M=\lambda I_n\ \ (\lambda\in\mathbb{R}),\qquad\text{ou}\qquad \mu_M=X^{2}-2aX+(a^{2}+b^{2})\ \text{ avec } b\neq 0 .Dans le second cas, MM est semblable à une matrice diagonale par blocs formée de n/2n/2 copies du bloc (abba)\begin{pmatrix}a&-b\\ b&a\end{pmatrix} ; en particulier nn est pair.

Notons μM\mu_M le polynôme minimal de MM. Pour PR[X]P\in\mathbb{R}[X],
P(M)=0    μMP.P(M)=0\iff \mu_M\mid P .La condition de l’énoncé s’écrit donc : dès que μMP\mu_M\nmid P, la matrice P(M)P(M) est inversible.

Supposons μM\mu_M réductible : μM=P1P2\mu_M=P_1P_2 avec 1degPi<degμM1\leqslant\deg P_i<\deg\mu_M.

Alors P1(M)0P_1(M)\neq 0, par minimalité de μM\mu_M. Et P1(M)P_1(M) n’est pas inversible : sinon, de
P1(M)P2(M)=μM(M)=0P_1(M)\,P_2(M)=\mu_M(M)=0on tirerait P2(M)=0P_2(M)=0, contredisant degP2<degμM\deg P_2<\deg\mu_M. La matrice P1(M)P_1(M) est donc non nulle et non inversible : MM ne convient pas.

Supposons μM\mu_M irréductible et soit PR[X]P\in\mathbb{R}[X] avec P(M)0P(M)\neq 0, c’est-à-dire μMP\mu_M\nmid P. L’irréductibilité de μM\mu_M entraîne
pgcd(μM,P)=1,\operatorname{pgcd}(\mu_M,P)=1,les seuls diviseurs unitaires de μM\mu_M étant 11 et μM\mu_M lui-même. Le théorème de Bézout fournit U,VR[X]U,V\in\mathbb{R}[X] tels que
UμM+VP=1.U\mu_M+VP=1 .En évaluant en MM et en utilisant μM(M)=0\mu_M(M)=0 :
V(M)P(M)=In.V(M)\,P(M)=I_n .Donc P(M)P(M) est inversible, d’inverse V(M)V(M). \blacksquare

Donnons une description explicite.
Un polynôme irréductible de R[X]\mathbb{R}[X] est de degré 11 ou 22.

Si μM=Xλ\mu_M=X-\lambda, alors M=λInM=\lambda I_n. Réciproquement, toute matrice scalaire convient : P(λIn)=P(λ)InP(\lambda I_n)=P(\lambda)I_n est nulle si P(λ)=0P(\lambda)=0, inversible sinon.

Si μM=X22aX+(a2+b2)\mu_M=X^{2}-2aX+(a^{2}+b^{2}) avec b0b\neq 0, ce polynôme est scindé à racines simples sur C\mathbb{C}, de racines a±iba\pm ib. La matrice MM est donc diagonalisable sur C\mathbb{C}, de spectre {a+ib,aib}\{a+ib,a-ib\} ; étant réelle, les deux valeurs propres ont même multiplicité n/2n/2, et la réduction des endomorphismes réels sans valeur propre réelle donne la forme par blocs annoncée. \square

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