Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Polynôme caractéristique d’une matrice d’intérieur nul

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Solution by Sequoia · FR

Les n−1n-1 dernières lignes de la matrice sont proportionnelles, donc la matrice est de rang au plus 22.
On peut ainsi écrire son polynôme caractéristique sous la forme χAn=Xn−2(X−λ)(X−μ)\chi_{A_n}=X^{n-2}(X-\lambda)(X-\mu) car la multiplicité de 00 est plus grande que la dimension de l’espace propre Ker(An−0 In)\mathrm{Ker}(A_n-0\,I_n).

On rappelle que la trace de la matrice (complexe donc trigonalisable) est donnée par la somme des valeurs propres, soit ici λ+μ+0=a1\lambda+\mu+0=a_1.

Pour trouver une autre équation, on va regarder la trace du carré de AnA_n, soit la somme des carrés des valeurs propres de AnA_n.
Or An2=(∑i=1nai2∗a22⋱∗an2)A_n^2=\begin{pmatrix} \sum_{i=1}^n a_i^2 & & &* \\ & a_2^2 && \\ & & \ddots & \\* & & & a_n^2\end{pmatrix} où on n’a écrit que les coefficients de la diagonale car ce sont eux qui nous intéresse. On trouve alors λ2+μ2=a12+2∑i=2nai2\lambda^2+\mu^2=a_1^2+2\sum_{i=2}^n a_i^2.

On peut réécrire ce système sous la forme λ+μ=a1\lambda+\mu=a_1 et λμ=(λ+μ)2−λ2−μ22=−∑i=2nai2\lambda\mu=\frac{(\lambda+\mu)^2-\lambda^2-\mu^2}{2}=-\sum_{i=2}^na_i^2.
Ainsi λ\lambda et μ\mu sont les racines du polynôme
(X−λ)(X−μ)=X2−a1X−∑i=2nai2.(X-\lambda)(X-\mu)=X^2-a_1X-\sum_{i=2}^na_i^2.D’où
χAn=Xn−2(X2−a1X−∑i=2nai2)\boxed{\chi_{A_n}=X^{n-2}\left(X^2-a_1X-\sum_{i=2}^n a_i^2\right)}

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