Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une élégante valse circulaire entre deux matrices

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Solution by FiniteField · FR

Solution en vidéo : https://youtu.be/687TZofuUPA

  1. On raisonne par analyse-synthèse.
    Analyse. Soient A,B∈GLn(C)A,B\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{C}) et λ∈C\lambda\in\mathbb{C} tels que AB=λBA.AB=\lambda BA. En passant au déterminant dans la relation on obtient det⁡(A)det⁡(B)=λndet⁡(A)det⁡(B)\det(A)\det(B)=\lambda^n\det(A)\det(B) donc λn=1\lambda^n=1 puisque AA et BB sont inversibles. On en déduit que λ\lambda est une racine nn-ème de l’unité.
    Synthèse. Soit λ∈Un.\lambda\in\mathbb{U}_n. On pose A=diag⁡(1,λ,…,λn−1),A=\operatorname{diag}(1,\lambda,\dots,\lambda^{n-1}), la matrice de l’endomorphisme f ⁣:Cn→Cnf\colon \mathbb{C}^n\to\mathbb{C}^n défini sur la base canonique de Cn\mathbb{C}^n par f(ej)=λj−1ejf(e_j)=\lambda^{j-1} e_j et BB la matrice du cycle (1 2 ⋯ n)(1~2~\cdots~n), c’est à dire la matrice de l’endomorphisme gg défini par g(ej)=ej+1g(e_j)=e_{j+1} pour j⩽n−1j\leqslant n-1 et g(en)=e1.g(e_n)=e_1. Le calcul du produit d’endomorphisme est ici plus commode à mener que le produit matriciel. On a ∀1⩽j⩽n−1,f(g(ej))=f(ej+1)=λjej+1\forall 1\leqslant j\leqslant n-1, f(g(e_j))=f(e_{j+1})=\lambda^{j}e_{j+1} et g(f(ej))=λj−1ej+1g(f(e_j))=\lambda^{j-1} e_{j+1} et f(g(en))=f(e1)=e1f(g(e_n))=f(e_1)=e_1 et g(f(en))=λn−1e1.g(f(e_n))=\lambda^{n-1}e_1. On remarque qu’on a bien ∀j,f(g(ej))=λg(f(ej))\forall j, f(g(e_j))=\lambda g(f(e_j)) ce qui revient à l’écriture matricielle
    AB=λBA.AB=\lambda BA.L’ensemble des λ∈C\lambda\in\mathbb{C} tels qu’il existe A,BA,B inversibles telles que AB=λBAAB=\lambda BA est donc Un.\mathbb{U}_n.
  2. On va montrer le résultat suivant : "Soit λ∈Un\lambda\in\mathbb{U}_n. Alors tout couple de matrice (A,B)∈GLn(C)2(A,B)\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{C})^2 tel que AB=λBAAB=\lambda BA est formé de matrices diagonalisables si et seulement si λ\lambda est d’ordre nn". Soient λ∈Un,A,B∈GLn(C)\lambda\in\mathbb{U}_n,A,B\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{C}) tels que AB=λBA.AB=\lambda BA. On pose rr l’ordre de λ\lambda dans Un.\mathbb{U}_n. On rappelle que ∀k∈N,ABk=λkBkA\forall k\in\mathbb{N}, AB^k=\lambda^k B^kA et plus généralement, par linéarité du produit matriciel,
    ∀P∈C[X],AP(B)=P(λB)A.\forall P\in\mathbb{C}[X], AP(B)=P(\lambda B)A.En particulier, pour P=χBP=\chi_B on a, d’après le théorème de Cayley-Hamilton, 0=χB(λB)A0=\chi_B(\lambda B)A donc, par inversibilité de A,χB(λB)=0A,\chi_B(\lambda B)=0. Le polynôme χB(λX)\chi_B(\lambda X) est annulateur de BB donc le spectre de BB est inclus dans les racines χB(λX)\chi_B(\lambda X) qui est l’ensemble 1λSp(B).\dfrac{1}{\lambda}\mathrm{Sp}(B). Par injectivité de z↦zλz\mapsto \dfrac{z}{\lambda} on a Sp(B)=λSp(B).\mathrm{Sp}(B)=\lambda \mathrm{Sp}(B). L’application σ ⁣:μ∈Sp(B)↦λμ∈Sp(B)\sigma\colon \mu\in\mathrm{Sp}(B)\mapsto \lambda \mu\in\mathrm{Sp}(B) étant une bijection, c’est un élément de S(Sp(B)).\mathfrak{S}(\mathrm{Sp}(B)). Elle se décompose de façon unique en produit de cycles à supports disjoints. Soit μ∈Sp(B),\mu\in\mathrm{Sp}(B), on a σr(μ)=λrμ=μ\sigma^r(\mu)=\lambda^r\mu=\mu et ∀0⩽j<r,σj(μ)=λjμ≠μ\forall 0\leqslant j< r,\sigma^{j}(\mu)=\lambda^j\mu\neq \mu si bien que μ\mu est dans un cycle de longueur rr de σ\sigma. Autrement dit, σ\sigma est un produit de d=mrd=\dfrac{m}{r} rr-cycles à supports disjoints avec m=#Sp(B)m=\#\mathrm{Sp}(B). On peut déjà conclure que si r=nr=n, i.e. si λ\lambda est une racine primitive nn-ème, alors σ\sigma contient un cycle de longueur nn donc #Sp(B)⩾n\#\mathrm{Sp}(B)\geqslant n. La matrice BB a donc nn valeurs propres distinctes donc est diagonalisable. Par symétrie il en va de même pour A.A. On a donc montré le sens indirect de la proposition souhaitée.
    On va faire le sens direct par la contraposée. Supposons que λ\lambda soit d’ordre r<nr<n et montrons qu’il existe un couple (A,B)∈GLn(C)2(A,B)\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{C})^2 avec AA ou BB diagonalisables. Pour cela on va réutiliser les matrices de la première question et faire \og gonfler\fg~ses coefficients en les transformant en blocs. On considère la matrice A′=diag⁡(1,λ,…,λr−1)A'=\operatorname{diag}(1,\lambda,\dots,\lambda^{r-1}) et B′B' la matrice du rr-cycle c=(1 2 ⋯ r).c=(1~2~\cdots~r). Les matrices A′A' et B′B' sont des matrices de tailles r×r.r\times r. On pose m=nrm=\dfrac{n}{r} et J∈GLm(C)J\in\mathrm{GL}_{m}(\mathbb{C}) avec des 11 sur la diagonale et sur la surdiagonale. La matrice JJ n’est pas diagonalisable car Sp(J)={1}\mathrm{Sp}(J)=\left\{1\right\} et dim⁡(ker⁡(J−In))=1<m.\dim(\ker(J-I_n))=1<m. On pose alors AA et BB les matrices définie par blocs par A=diag⁡(J,λJ,…,λr−1J)A=\operatorname{diag}(J,\lambda J,\dots,\lambda^{r-1}J) et B=(Bi,j)1⩽i,j⩽rB=(B_{i,j})_{1\leqslant i,j\leqslant r} avec Bi,j=δi,c(i)ImB_{i,j}=\delta_{i,c(i)}I_m, c’est à dire la matrice de permutation par blocs de cc. Ce sont bien des matrices inversibles car calcul par bloc du déterminant, elles sont dans Mrm(C)=Mn(C)M_{rm}(\mathbb{C})=M_n(\mathbb{C}) et, par calculs par blocs on a AB=λBAAB=\lambda BA. Par ailleurs, AA n’est pas diagonalisable car 11 valeur propre de multiplicité m>1m>1 et dim⁡(ker⁡(A−In))=1.\dim(\ker(A-I_n))=1.

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