Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Un endomorphisme qui n’est pas en reste

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Solution by FiniteField · FR

La réponse est oui et on va le prouver en déterminant directement une base de vecteurs propres. Tout d’abord, pour un polynôme P∈Cn−1[X]P\in\mathbb{C}_{n-1}[X] on a φA(P)=R\varphi_A(P)=R où
PA=(Xn−1)Q+RPA=(X^n-1)Q+Rest la division euclidienne de PAPA par Xn−1.X^n-1. Pour obtenir des informations sur RR on peut se demander en quoi évaluer l’expression pour éliminer le terme (Xn−1)Q(X^n-1)Q. Les racines de l’unité étant les racines de Xn−1X^n-1 on peut s’y intéresser. On pose ζ=exp⁡(i2πn)\zeta=\exp\left(i\dfrac{2\pi}{n}\right) de sorte que Un={ζk∣0⩽k⩽n−1}.\mathbb{U}_n=\left\{\zeta^k\mid 0\leqslant k\leqslant n-1\right\}. En évaluant en ζk\zeta^k on a P(ζ)A(ζ)=R(ζ).P(\zeta)A(\zeta)=R(\zeta). On introduit la base d’interpolation de Lagrange en interpolant en Un,\mathbb{U}_n, c’est-à-dire on pose la famille (Lk)0⩽k⩽n−1(L_k)_{0\leqslant k\leqslant n-1} définie par Lk=∏j=0j≠kn−1X−ζjζk−ζjL_k=\displaystyle\prod_{\substack{j=0\\j\neq k}}^{n-1}\dfrac{X-\zeta^j}{\zeta^k-\zeta^j} qui vérifie Lk(ζi)=δikL_k(\zeta_i)=\delta_{ik} et qui est une base de Cn−1[X].\mathbb{C}_{n-1}[X]. On rappelle qu’un polynôme B∈Cn−1[X]B\in\mathbb{C}_{n-1}[X] quelconque s’écrit alors dans cette base sous la forme B=∑j=0n−1B(ζj)Lj.B=\displaystyle\sum_{j=0}^{n-1}B(\zeta^j)L_j. On va déterminer la matrice de φA\varphi_A dans cette base. Soit 0⩽k⩽n−10\leqslant k\leqslant n-1 et (Q,R)∈C[X](Q,R)\in\mathbb{C}[X] avec deg⁡(R)⩽n−1\deg(R)\leqslant n-1 tels que
ALk=(Xn−1)Q+R.AL_k=(X^n-1)Q+R.En évaluant en ζj\zeta^j pour j≠kj\neq k on a
A(ζj)Lk(ζj)=0=R(ζj).A(\zeta^j)L_k(\zeta^j)=0=R(\zeta^j).Pour j=kj=k on a
A(ζk)=R(ζk).A(\zeta^k)=R(\zeta^k).Autrement dit, l’écriture de RR dans la base (Lj)(L_j) est donnée par R=A(ζk)LkR=A(\zeta^k)L_k ce qui signifie que φA(Lk)=A(ζk)Lk.\varphi_A(L_k)=A(\zeta^k)L_k. Ainsi, (Lk)(L_k) est une base de vecteurs propres de Cn−1[X]\mathbb{C}_{n-1}[X] associée aux valeurs propres A(ζk).A(\zeta^k). Donc φA\varphi_A est diagonalisable.

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