Aller au contenu

Accueil › MP › Maths

MP · Maths · semaine 5

Compléments d'algèbre linéaire

Sommes directes de plusieurs sous-espaces, projecteurs, trace, polynômes d'endomorphismes, sous-espaces stables, matrices par blocs et interpolation de Lagrange.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Une somme de pp sous-espaces est directe si et seulement si la décomposition du vecteur nul est unique, ce qui équivaut en dimension finie à l'égalité entre la dimension de la somme et la somme des dimensions.
  2. Une décomposition en somme directe se lit sur une base adaptée, et donne une matrice diagonale par blocs quand les facteurs sont stables.
  3. Un sous-espace FF est stable par uu quand u(F)⊂Fu(F) \subset F, ce qui se traduit par une matrice triangulaire par blocs. Le noyau et l'image de tout polynôme en uu sont stables par uu.
  4. L'application P↦P(u)P \mapsto P(u) est un morphisme d'algèbres de K[X]\K[X] dans L(E)\mathcal{L}(E), d'image la sous-algèbre commutative K[u]\K[u] et de noyau l'idéal annulateur de uu.
  5. Le lemme des noyaux transforme une factorisation en facteurs premiers entre eux d'un polynôme annulateur en une décomposition de EE en somme directe de sous-espaces stables.
Pourquoi ce chapitre

Ce chapitre est la boîte à outils de toute l'algèbre linéaire de deuxième année. Il installe quatre techniques.

  • Décomposer un espace en somme directe de plusieurs sous-espaces, ce qui revient à découper un endomorphisme en morceaux plus simples.
  • Écrire une matrice par blocs, qui est la traduction matricielle de ce découpage.
  • Repérer les sous-espaces stables, qui sont les seuls sous-espaces sur lesquels un endomorphisme se restreint.
  • Faire agir des polynômes sur un endomorphisme, ce qui transporte l'arithmétique de K[X]\K[X] dans L(E)\mathcal{L}(E).

Le chapitre sur la réduction est l'application de ces quatre outils. Aux concours, ils apparaissent dès la première question d'un problème d'algèbre, souvent sans être nommés. Dans toute la fiche, K\K est un sous-corps de C\C, en pratique R\R ou C\C, et EE est un K\K-espace vectoriel. On précise « de dimension finie » quand c'est nécessaire.

1Sommes directes de plusieurs sous-espaces

1.1Définitions

Définition 1.1Somme de sous-espaces

Soient F1,…,FpF_1, \dots, F_p des sous-espaces vectoriels de EE. Leur somme est l'ensemble F1+⋯+FpF_1 + \dots + F_p des vecteurs x1+⋯+xpx_1 + \dots + x_p avec xi∈Fix_i \in F_i. C'est un sous-espace de EE, le plus petit contenant tous les FiF_i.

Définition 1.2Somme directe

La somme est dite directe si tout vecteur de la somme s'écrit d'une seule façon x1+⋯+xpx_1 + \dots + x_p avec xi∈Fix_i \in F_i. On note alors F1⊕⋯⊕FpF_1 \oplus \dots \oplus F_p.

Propriété 1.3Critère par le vecteur nul

La somme est directe si et seulement si la seule décomposition du vecteur nul est la décomposition triviale : si x1+⋯+xp=0x_1 + \dots + x_p = 0 avec xi∈Fix_i \in F_i, alors tous les xix_i sont nuls.

Attention

Pour p⩾3p \geqslant 3, il ne suffit pas que les FiF_i soient deux à deux d'intersection nulle. Trois droites distinctes d'un même plan vérifient cette condition et leur somme n'est pas directe : la somme est le plan, de dimension 2, alors que la somme des dimensions vaut 3. Le critère par intersections n'est valable que pour p=2p = 2, où la somme est directe si et seulement si F1∩F2={0}F_1 \cap F_2 = \{0\}.

1.2Dimension et base adaptée

Propriété 1.4Dimension d'une somme

Hypothèse

  • les FiF_i sont de dimension finie.

Alors dim⁡(F1+⋯+Fp)⩽∑i=1pdim⁡Fi,\dim(F_1 + \dots + F_p) \leqslant \sum_{i=1}^{p} \dim F_i, avec égalité si et seulement si la somme est directe.

Soit Bi\mathcal{B}_i une base de FiF_i pour chaque ii. La famille obtenue en concaténant B1,…,Bp\mathcal{B}_1, \dots, \mathcal{B}_p engendre toujours la somme. Elle en est une base si et seulement si la somme est directe. Une telle base s'appelle une base adaptée à la décomposition.

Propriété 1.5Cas d'égalité des dimensions

Hypothèses

  • EE est de dimension finie nn ;
  • dim⁡F1+⋯+dim⁡Fp=n\dim F_1 + \dots + \dim F_p = n.

Alors « la somme est directe » et « la somme vaut EE » sont équivalentes. On n'a donc qu'une seule des deux à prouver.

1.3Recollement d'applications linéaires

Théorème 1.6Recollement

Hypothèses

  • E=E1⊕⋯⊕EpE = E_1 \oplus \dots \oplus E_p ;
  • pour chaque ii, uiu_i est une application linéaire de EiE_i dans FF.

Alors il existe une unique application linéaire uu de EE dans FF telle que la restriction de uu à EiE_i soit uiu_i pour tout ii.

Démonstration

L'unicité vient de ce que tout xx s'écrit x1+⋯+xpx_1 + \dots + x_p, ce qui force u(x)=u1(x1)+⋯+up(xp).u(x) = u_1(x_1) + \dots + u_p(x_p). L'existence vient de ce que cette formule définit bien une application, grâce à l'unicité de la décomposition, et que cette application est linéaire.

C'est ce théorème qui autorise à définir un endomorphisme « morceau par morceau », par exemple en imposant qu'il vaille l'identité sur un sous-espace et zéro sur un supplémentaire.

1.4Projecteurs associés à une décomposition

Définition 1.7Projecteur

Un projecteur de EE est un endomorphisme pp tel que p∘p=pp \circ p = p.

Propriété 1.8Structure d'un projecteur

Si pp est un projecteur, alors E=Ker⁡p⊕Im⁡pE = \Ker p \oplus \Im p, et pp est la projection sur Im⁡p\Im p parallèlement à Ker⁡p\Ker p. De plus Im⁡p=Ker⁡(p−id)\Im p = \Ker(p - \mathrm{id}) : c'est l'ensemble des vecteurs fixes de pp.

Attention

L'égalité E=Ker⁡u⊕Im⁡uE = \Ker u \oplus \Im u est fausse pour un endomorphisme quelconque, même en dimension finie où les dimensions sont pourtant compatibles. Contre-exemple : u(x,y)=(y,0)u(x, y) = (y, 0) sur K2\K^2, dont le noyau et l'image sont la même droite.

Soit maintenant E=E1⊕⋯⊕EpE = E_1 \oplus \dots \oplus E_p. Pour chaque ii, on note pip_i la projection sur EiE_i parallèlement à la somme des EjE_j pour j≠ij \neq i.

Propriété 1.9Projecteurs associés

Les projecteurs pip_i vérifient :

  • pi∘pi=pip_i \circ p_i = p_i ;
  • pi∘pj=0p_i \circ p_j = 0 pour i≠ji \neq j ;
  • p1+⋯+pp=idEp_1 + \dots + p_p = \mathrm{id}_E.

Réciproquement, une famille de projecteurs de somme égale à l'identité fournit une décomposition de EE en somme directe des images.

C'est un exercice classique, dont l'argument commode en dimension finie passe par la trace.

2Trace, rappel de première année

Définition 2.1Trace

La trace d'une matrice carrée AA est la somme de ses coefficients diagonaux.

Propriété 2.2Propriétés de la trace

L'application trace est linéaire, et tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\tr(AB) = \tr(BA) pour toutes matrices AA et BB de tailles compatibles. Deux matrices semblables ont même trace, car tr⁡(P−1AP)=tr⁡(APP−1)=tr⁡(A).\tr(P^{-1}AP) = \tr(APP^{-1}) = \tr(A). On définit donc la trace d'un endomorphisme d'un espace de dimension finie comme la trace de sa matrice dans une base quelconque.

Propriété 2.3Trace d'un projecteur

La trace d'un projecteur est égale à son rang.

Démonstration

Dans une base adaptée à E=Im⁡p⊕Ker⁡pE = \Im p \oplus \Ker p, la matrice de pp est diagonale, avec rr coefficients égaux à 1 et les autres nuls, où r=rg⁡pr = \rg p.

Attention

tr⁡(ABC)\tr(ABC) n'est pas égale à tr⁡(ACB)\tr(ACB) en général. Seule la permutation circulaire est permise.

3Matrices par blocs

3.1Écriture et opérations

Une matrice par blocs est une matrice découpée en sous-matrices par un découpage des lignes et un découpage des colonnes. L'intérêt est géométrique : si E=F⊕GE = F \oplus G et si on choisit une base adaptée, la matrice d'un endomorphisme se lit en quatre blocs, chacun décrivant une composante de l'action de uu.

Les opérations se font bloc par bloc, à condition que les découpages soient compatibles.

  • La somme et la multiplication par un scalaire sont immédiates.
  • Le produit obéit à la même formule que le produit ordinaire, en remplaçant les coefficients par les blocs, à condition que le découpage des colonnes du premier facteur soit celui des lignes du second. La démonstration de cette règle n'est pas exigible.
  • Pour la transposition, on transpose la disposition des blocs et chacun des blocs.

Attention

Les blocs sont des matrices, elles ne commutent pas : on ne peut jamais échanger deux blocs dans un produit.

3.2Déterminant

Théorème 3.1Déterminant triangulaire par blocs

Hypothèses

  • la matrice a deux blocs diagonaux AA et DD carrés ;
  • le bloc situé en dessous ou au-dessus de la diagonale est nul.

Alors son déterminant vaut det⁡(A)det⁡(D)\det(A)\det(D). Le résultat s'étend par récurrence à un nombre quelconque de blocs diagonaux.

Attention

Pour une matrice à quatre blocs A,B,C,DA, B, C, D tous non nuls, le déterminant ne vaut pas det⁡(A)det⁡(D)−det⁡(B)det⁡(C).\det(A)\det(D) - \det(B)\det(C). Cette formule est fausse en général. Elle n'est correcte que sous des hypothèses de commutation, hors programme.

Une opération utile est la transvection par blocs : ajouter à un bloc-ligne un multiple à gauche ou à droite d'un autre bloc-ligne. Comme pour les transvections ordinaires, elle ne change pas le déterminant. C'est le moyen standard de faire apparaître un bloc nul pour appliquer le théorème précédent.

4Sous-espaces stables

4.1Définition et traduction matricielle

Définition 4.1Sous-espace stable

Soit u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) et FF un sous-espace de EE. On dit que FF est stable par uu si u(F)⊂Fu(F) \subset F. La restriction de uu à FF, vue comme application de FF dans FF, est alors un endomorphisme de FF appelé endomorphisme induit par uu sur FF, souvent noté uFu_F.

Propriété 4.2Traduction matricielle

Hypothèse

  • EE est de dimension finie.

Alors, si FF est stable par uu et si on complète une base de FF en une base de EE, la matrice de uu dans cette base est triangulaire par blocs, avec en haut à gauche la matrice de l'endomorphisme induit. Si de plus E=F⊕GE = F \oplus G avec FF et GG tous deux stables, la matrice est diagonale par blocs. Réciproquement, une matrice diagonale par blocs traduit une décomposition de EE en somme directe de sous-espaces stables.

C'est exactement le programme du chapitre suivant : diagonaliser, c'est trouver une décomposition en somme directe de droites stables.

4.2Exemples et commutation

Les sous-espaces toujours stables sont {0}\{0\}, EE, Ker⁡u\Ker u et Im⁡u\Im u. Une droite Kx\K x avec xx non nul est stable par uu si et seulement s'il existe un scalaire λ\lambda tel que u(x)=λxu(x) = \lambda x, ce qui est l'équation aux éléments propres.

Théorème 4.3Commutation

Si uu et vv commutent, alors Ker⁡u\Ker u et Im⁡u\Im u sont stables par vv.

Démonstration

Pour le noyau : si u(x)=0u(x) = 0 alors u(v(x))=v(u(x))=v(0)=0.u(v(x)) = v(u(x)) = v(0) = 0. Pour l'image : si y=u(x)y = u(x) alors v(y)=v(u(x))=u(v(x))∈Im⁡u.v(y) = v(u(x)) = u(v(x)) \in \Im u.

Conséquence : pour tout polynôme PP, les sous-espaces Ker⁡P(u)\Ker P(u) et Im⁡P(u)\Im P(u) sont stables par uu, puisque uu commute avec P(u)P(u).

5Polynômes d'un endomorphisme

5.1L'algèbre K[u]

Définition 5.1Polynôme d'un endomorphisme

Pour u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) et P=a0+a1X+⋯+anXnP = a_0 + a_1X + \dots + a_nX^n dans K[X]\K[X], on pose P(u)=a0 idE+a1u+⋯+anun,P(u) = a_0\,\mathrm{id}_E + a_1u + \dots + a_nu^n, avec la convention u0=idEu^0 = \mathrm{id}_E.

Théorème 5.2Morphisme d'algèbres

L'application qui à PP associe P(u)P(u) est un morphisme d'algèbres de K[X]\K[X] dans L(E)\mathcal{L}(E). En particulier (PQ)(u)=P(u)∘Q(u)(PQ)(u) = P(u) \circ Q(u). Comme K[X]\K[X] est commutative, P(u)P(u) et Q(u)Q(u) commutent toujours entre elles, et commutent avec uu.

L'image de ce morphisme est notée K[u]\K[u] : c'est une sous-algèbre commutative de L(E)\mathcal{L}(E), constituée de tous les polynômes en uu. Son noyau est l'ensemble des polynômes PP tels que P(u)=0P(u) = 0, appelés polynômes annulateurs de uu. C'est un idéal de K[X]\K[X], appelé idéal annulateur de uu.

La traduction matricielle est identique, en remplaçant uu par une matrice carrée MM et idE\mathrm{id}_E par la matrice identité.

Attention

La formule du binôme s'applique à (u+v)n(u + v)^n seulement si uu et vv commutent. Elle s'applique donc toujours à uu et à un polynôme en uu, ce qui est le cas usuel quand on écrit une matrice sous la forme λI+N\lambda I + N avec NN nilpotente.

5.2Lemme de décomposition des noyaux

Théorème 5.3Lemme de décomposition des noyaux

Hypothèses

  • P1,…,PrP_1, \dots, P_r sont des polynômes de K[X]\K[X] deux à deux premiers entre eux ;
  • PP est leur produit ;
  • u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E).

Alors Ker⁡P(u)=⨁i=1rKer⁡Pi(u).\Ker P(u) = \bigoplus_{i=1}^{r} \Ker P_i(u).

Démonstration

Cas r=2r = 2. Comme P1P_1 et P2P_2 sont premiers entre eux, Bézout donne des polynômes UU et VV tels que UP1+VP2=1UP_1 + VP_2 = 1. En évaluant en uu puis en appliquant à un vecteur xx de Ker⁡P(u)\Ker P(u), on obtient x=U(u)P1(u)(x)+V(u)P2(u)(x).x = U(u)P_1(u)(x) + V(u)P_2(u)(x). Le premier terme est dans Ker⁡P2(u)\Ker P_2(u), le second dans Ker⁡P1(u)\Ker P_1(u). D'où la somme. Pour la directivité, si xx appartient aux deux noyaux, la même égalité donne x=0x = 0. Le cas général s'obtient par récurrence, en remarquant que P1P_1 est premier avec le produit des autres.

Chaque noyau Ker⁡Pi(u)\Ker P_i(u) est stable par uu. Ce lemme est une machine à découper EE en sous-espaces stables, et c'est l'outil central de la réduction par les polynômes annulateurs. Le polynôme minimal, générateur unitaire de l'idéal annulateur, est étudié dans le chapitre de réduction.

Exemple 5.4Symétries et projecteurs

  • Si u2=idu^2 = \mathrm{id}, alors X2−1=(X−1)(X+1)X^2 - 1 = (X - 1)(X + 1) annule uu et ses deux facteurs sont premiers entre eux, donc E=Ker⁡(u−id)⊕Ker⁡(u+id).E = \Ker(u - \mathrm{id}) \oplus \Ker(u + \mathrm{id}). Autrement dit uu est une symétrie.
  • De même u2=uu^2 = u donne E=Ker⁡u⊕Ker⁡(u−id)E = \Ker u \oplus \Ker(u - \mathrm{id}), ce qui redonne le résultat sur les projecteurs.

6Interpolation de Lagrange, rappel de première année

Définition 6.1Polynômes de Lagrange

Soient a0,…,ana_0, \dots, a_n des scalaires deux à deux distincts. On pose, pour chaque ii, Li=∏j≠iX−ajai−aj.L_i = \prod_{j \neq i} \frac{X - a_j}{a_i - a_j}. Chaque LiL_i est de degré nn et vérifie Li(ai)=1L_i(a_i) = 1 et Li(aj)=0L_i(a_j) = 0 pour j≠ij \neq i.

Propriété 6.2Interpolation

La famille des LiL_i est une base de Kn[X]\K_n[X], l'espace des polynômes de degré au plus nn. Pour tous scalaires b0,…,bnb_0, \dots, b_n, il existe un unique polynôme PP de Kn[X]\K_n[X] tel que P(ai)=biP(a_i) = b_i pour tout ii, à savoir P=b0L0+⋯+bnLn.P = b_0L_0 + \dots + b_nL_n. De façon équivalente, l'application qui à PP associe le vecteur de ses valeurs aux aia_i est un isomorphisme de Kn[X]\K_n[X] sur Kn+1\K^{n+1}.

Cette base est l'exemple type d'une décomposition en somme directe de droites, ici les droites engendrées par les LiL_i. Elle sert aussi à construire des polynômes vérifiant des conditions imposées, ce qui est fréquent dans les exercices sur les polynômes annulateurs.

Méthodes

MéthodeMontrer qu'une somme de pp sous-espaces est directe

  1. Partir de x1+⋯+xp=0x_1 + \dots + x_p = 0 avec xi∈Fix_i \in F_i.
  2. Montrer que chaque xix_i est nul.
  3. Ne jamais se contenter des intersections deux à deux quand p⩾3p \geqslant 3.

MéthodeMontrer que EE est somme directe des FiF_i en dimension finie

  1. Prouver l'une des deux propriétés « somme directe » ou « somme égale à EE ».
  2. Conclure avec le comptage des dimensions.

MéthodeExploiter une décomposition

  1. Choisir une base adaptée.
  2. La matrice devient diagonale ou triangulaire par blocs et tout se lit dessus.

MéthodeCalculer un déterminant par blocs

  1. Faire des transvections par blocs jusqu'à obtenir une forme triangulaire par blocs.
  2. Multiplier les déterminants des blocs diagonaux.

MéthodeTrouver des sous-espaces stables par uu

  1. Chercher les noyaux et les images de polynômes en uu.
  2. Chercher les sous-espaces propres, une fois le chapitre suivant en main.

MéthodeDécouper un endomorphisme

  1. Chercher un polynôme annulateur.
  2. Le factoriser en facteurs deux à deux premiers entre eux.
  3. Appliquer le lemme des noyaux.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Donner un exemple de trois sous-espaces d'intersections deux à deux nulles dont la somme n'est pas directe.
  2. Démontrer l'inégalité sur la dimension d'une somme et son cas d'égalité.
  3. Montrer que p∘p=pp \circ p = p entraîne E=Ker⁡p⊕Im⁡pE = \Ker p \oplus \Im p, et identifier la projection correspondante.
  4. Démontrer que la trace d'un projecteur est son rang.
  5. Calculer le déterminant d'une matrice triangulaire par blocs, et savoir dire pourquoi la formule det⁡(A)det⁡(D)−det⁡(B)det⁡(C)\det(A)\det(D) - \det(B)\det(C) est fausse.
  6. Traduire la stabilité d'un sous-espace par une matrice triangulaire par blocs dans une base adaptée.
  7. Montrer que Ker⁡P(u)\Ker P(u) et Im⁡P(u)\Im P(u) sont stables par uu.
  8. Démontrer le lemme de décomposition des noyaux pour deux facteurs, et l'appliquer à u2=idu^2 = \mathrm{id} et à u2=uu^2 = u.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

  • Somme directe de p sous-espaces, critère : la seule décomposition du vecteur nul est triviale. Pour F1, …, Fp de dimension finie, dim(F1 + … + Fp) ≤ Σ dim Fi, avec égalité si et seulement si la somme est directe. Exigible avec démonstration. Base adaptée. Exigible.
  • Recollement : si E = E1 ⊕ … ⊕ Ep et ui ∈ L(Ei, F), il existe une unique u ∈ L(E, F) de restriction ui à chaque Ei. Exigible avec démonstration.
  • Projecteurs associés à une décomposition : pi ∘ pi = pi, pi ∘ pj = 0 pour i ≠ j, Σ pi = id_E. Exigible.
  • Pour un projecteur p, E = Ker p ⊕ Im p et Im p = Ker(p − id). Résultat de première année, exigible avec démonstration.
  • Trace : linéarité, tr(AB) = tr(BA), invariance par similitude, trace d'un endomorphisme, trace d'un projecteur égale à son rang. Exigibles, démonstration attendue pour le projecteur.
  • Opérations par blocs de tailles compatibles, démonstration du produit par blocs non exigible. Déterminant d'une matrice triangulaire par blocs égal au produit des déterminants des blocs diagonaux, invariance du déterminant par transvection par blocs. Exigibles.
  • Sous-espace stable, endomorphisme induit, traduction par une matrice triangulaire par blocs dans une base adaptée. Exigible.
  • Si u et v commutent, Ker u et Im u sont stables par v. Exigible avec démonstration.
  • P ↦ P(u) est un morphisme d'algèbres, K[u] est commutative, l'ensemble des polynômes annulateurs est un idéal. Exigible.
  • Lemme de décomposition des noyaux. Exigible avec démonstration pour deux facteurs, extension par récurrence.
  • Interpolation de Lagrange, rappel de première année. Exigible.
  • Hors programme : formule du déterminant par blocs avec commutation, complément de Schur en tant que théorème, polynôme minimal et théorème de Cayley-Hamilton, qui relèvent du chapitre de réduction.

Clés de démonstration

Dimension d'une somme. On concatène des bases Bi des Fi. La famille obtenue engendre la somme, donc dim(Σ Fi) ≤ Σ dim Fi. Elle est libre si et seulement si toute relation Σ xi = 0 avec xi ∈ Fi est triviale, ce qui est la définition de la somme directe. Astuce : une famille génératrice de cardinal égal à la dimension est une base.

Recollement. Unicité : tout x s'écrit x1 + … + xp, donc u(x) = u1(x1) + … + up(xp) est imposé. Existence : cette formule définit une application grâce à l'unicité de la décomposition, et sa linéarité vient de celle des ui et de la linéarité des projections. Astuce : le mot clé est l'unicité de la décomposition, sans elle la formule est ambiguë.

Trace d'un projecteur. Dans une base adaptée à E = Im p ⊕ Ker p, la matrice de p est diagonale avec r coefficients 1 et n − r coefficients 0, où r = rg p. Sa trace vaut r, et la trace ne dépend pas de la base. Astuce : dès qu'un endomorphisme a une base adaptée, calculer sa trace dans cette base.

Stabilité par commutation. Si u(x) = 0 alors u(v(x)) = v(u(x)) = 0, donc v(x) ∈ Ker u. Si y = u(x) alors v(y) = u(v(x)) ∈ Im u. Astuce : faire passer v de l'autre côté de u, c'est tout ce que dit la commutation.

Lemme des noyaux, deux facteurs. Bézout donne U P1 + V P2 = 1. On évalue en u et on applique à x ∈ Ker P(u) : x = U(u)P1(u)(x) + V(u)P2(u)(x). Le premier terme est tué par P2(u), car P2(u)U(u)P1(u)(x) = U(u)P(u)(x) = 0, donc appartient à Ker P2(u). Le second est dans Ker P1(u). Pour la directivité, si x est dans les deux noyaux, la même égalité donne x = 0. Astuce : Bézout évalué en u est une partition de l'identité, on l'applique au vecteur.

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. Trois droites distinctes d'un même plan ont des intersections deux à deux nulles, et leur somme n'est pas directe. Le critère des intersections deux à deux ne vaut que pour deux sous-espaces.
  2. u(x, y) = (y, 0) sur K² vérifie Ker u = Im u = la droite des (x, 0). L'égalité E = Ker u ⊕ Im u est spécifique aux projecteurs, pas aux endomorphismes quelconques.
  3. La matrice à quatre blocs d'ordre 2, avec A = D = 0 et B = C = I2, a pour déterminant 1, alors que det A det D − det B det C vaut −1. La formule naïve est fausse.
  4. tr(E12 E21 E11) = tr(E11) = 1 tandis que tr(E12 E11 E21) = 0. Seule la permutation circulaire conserve la trace.
  5. Une rotation du plan réel d'angle non multiple de π n'a aucune droite stable. Ses seuls sous-espaces stables sont {0} et R².
  6. (u + v)² = u² + uv + vu + v². La formule du binôme demande la commutation, disponible entre u et tout polynôme en u.
  7. Par trois points d'abscisses distinctes passe un unique polynôme de degré au plus 2, mais en général aucun de degré au plus 1. Le nombre de contraintes doit égaler la dimension de l'espace de recherche.

Techniques du chapitre

Technique 1 : somme directe de trois sous-espaces par la décomposition du vecteur nul. Mini-exercice : dans K³, F1 = Vect(e1), F2 = Vect(e2), F3 = Vect(e1 + e2 + e3). Si a e1 + b e2 + c(e1 + e2 + e3) = 0, la troisième coordonnée donne c = 0, puis a = b = 0. La somme est directe, de dimension 3, donc égale à K³.

Technique 2 : transvection par blocs pour un déterminant. Mini-exercice : M à quatre blocs A, B, C, D avec A inversible. L'opération L2 ← L2 − CA⁻¹ L1 donne la matrice triangulaire par blocs de blocs diagonaux A et D − CA⁻¹B, donc det M = det A × det(D − CA⁻¹B). Avec A = I, det M = det(D − CB).

Technique 3 : trouver des sous-espaces stables. Mini-exercice : si v commute avec u, alors Ker(u − λ id) est stable par v pour tout scalaire λ, car v commute aussi avec u − λ id. Ce sont les sous-espaces propres du chapitre suivant.

Technique 4 : découper E avec un polynôme annulateur. Mini-exercice : si u³ = u, alors X³ − X = X(X − 1)(X + 1) annule u, ses trois facteurs sont deux à deux premiers entre eux, donc E = Ker u ⊕ Ker(u − id) ⊕ Ker(u + id).

Technique 5 : construire un polynôme par Lagrange. Mini-exercice : polynôme P de degré au plus 2 tel que P(0) = 1, P(1) = 0, P(2) = 0. C'est L0 = (X − 1)(X − 2)/((0 − 1)(0 − 2)) = (X − 1)(X − 2)/2.

Technique 6 : utiliser tr(AB) = tr(BA) comme obstruction. Mini-exercice : il n'existe pas de matrices A et B de Mn(K) telles que AB − BA = In, car la trace du membre de gauche est nulle et celle du membre de droite vaut n ≠ 0.

Exercices classiques corrigés

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Exercice 1. Famille de projecteurs de somme identité

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Soient p1, …, pr des projecteurs de E, de dimension finie n, tels que p1 + … + pr = id_E. Montrer que E = Im p1 ⊕ … ⊕ Im pr, puis que pi ∘ pj = 0 pour i ≠ j.

Technique argument de trace pour obtenir l'égalité des dimensions.

Voir le corrigé
  1. Pour tout x, x = p1(x) + … + pr(x), donc E = Im p1 + … + Im pr.
  2. En prenant la trace de l'hypothèse : Σ tr pi = n, et tr pi = rg pi = dim Im pi. Donc Σ dim Im pi = n = dim E.
  3. La somme des Im pi est E, de dimension n, et la somme des dimensions vaut n. Le cas d'égalité de l'inégalité de dimension donne que la somme est directe.
  4. Pour x ∈ E et j fixé, pj(x) = Σi pi(pj(x)) est une décomposition de pj(x) dans la somme directe, et pj(x) = pj(x) + 0 + … + 0 en est une autre. Par unicité, pi(pj(x)) = 0 pour i ≠ j.

piège : Dire « les images sont en somme directe car les pi sont des projecteurs ». Sans l'hypothèse de somme égale à l'identité c'est faux, et c'est la trace qui donne le comptage.

Exercice 2. Endomorphisme de carré nul en dimension 2

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Soit u un endomorphisme non nul d'un espace E de dimension 2 tel que u² = 0. Montrer qu'il existe une base de E dans laquelle la matrice de u a un seul coefficient non nul, égal à 1, en position (2, 1).

Technique choisir un vecteur non tué par u et montrer que (x, u(x)) est une base.

Voir le corrigé
  1. Comme u ≠ 0, il existe x avec u(x) ≠ 0.
  2. Si a x + b u(x) = 0, on applique u : a u(x) + b u²(x) = a u(x) = 0, donc a = 0, puis b = 0. La famille (x, u(x)) est libre, donc c'est une base.
  3. Dans cette base, u(x) = 0 · x + 1 · u(x) et u(u(x)) = 0. La matrice a pour seule entrée non nulle un 1 en position (2, 1).
  4. En particulier Im u = Ker u = Vect(u(x)), de dimension 1.

piège : Chercher une base de vecteurs propres. Un tel u n'est pas diagonalisable, et la bonne base est construite à partir de u lui-même.

Exercice 3. Commutant d'une matrice diagonale à coefficients distincts

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Soit D = diag(d1, …, dn) avec les di deux à deux distincts. Déterminer l'ensemble des matrices M telles que DM = MD.

Technique calcul coefficient par coefficient.

Voir le corrigé
  1. Le coefficient (i, j) de DM vaut di mij, celui de MD vaut mij dj.
  2. DM = MD équivaut à (di − dj) mij = 0 pour tous i, j, donc à mij = 0 pour i ≠ j.
  3. Le commutant de D est l'ensemble des matrices diagonales, sous-espace de dimension n. C'est aussi K[D] : toute matrice diag(b1, …, bn) s'écrit P(D), avec P le polynôme interpolateur de Lagrange qui envoie chaque di sur bi.

piège : Traiter le cas où deux di sont égaux comme si le résultat restait vrai. Si d1 = d2, toute matrice agissant sur les deux premières coordonnées commute avec D.

Exercice 4. Décomposition pour u³ = u

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Soit u ∈ L(E), E de dimension finie, avec u³ = u. Montrer que E = Ker u ⊕ Ker(u − id) ⊕ Ker(u + id), puis exprimer rg u et tr u à l'aide des dimensions de ces noyaux.

Technique lemme des noyaux puis base adaptée.

Voir le corrigé
  1. X³ − X = X(X − 1)(X + 1) annule u et ses facteurs sont deux à deux premiers entre eux, car sans racine commune. Le lemme des noyaux donne la décomposition.
  2. Notons a, b, c les dimensions de Ker u, Ker(u − id), Ker(u + id). Dans une base adaptée, la matrice de u est diag(0, …, 0, 1, …, 1, −1, …, −1) avec a zéros, b uns et c moins uns.
  3. On lit rg u = b + c et tr u = b − c. Et det u = 0 dès que a ≥ 1.

piège : Affirmer E = Ker u ⊕ Im u sans justification. Ici c'est vrai parce que Im u = Ker(u − id) ⊕ Ker(u + id), ce qui se lit dans la base adaptée.

Exercice 5. Stabilité par l'inverse

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Soit u un automorphisme de E, de dimension finie, et F un sous-espace stable par u. Montrer que F est stable par u⁻¹. Donner un contre-exemple en dimension infinie.

Technique l'endomorphisme induit est injectif, donc bijectif en dimension finie.

Voir le corrigé
  1. L'endomorphisme induit uF est injectif comme restriction d'une application injective. F est de dimension finie, donc uF est bijectif, donc u(F) = F.
  2. Pour y ∈ F, y = u(x) avec x ∈ F, donc u⁻¹(y) = x ∈ F.
  3. Contre-exemple. Sur l'espace E des suites (xk) indexées par Z, le décalage u défini par (u(x))_k = xk−1 est un automorphisme, d'inverse (xk) ↦ (xk+1). Le sous-espace F des suites nulles pour k < 0 est stable par u, mais la suite de F qui vaut 1 en k = 0 et 0 ailleurs a pour image par u⁻¹ une suite non nulle en k = −1, donc F n'est pas stable par u⁻¹.

piège : Écrire u⁻¹(F) ⊂ F « par passage à l'inverse » dans u(F) ⊂ F. Cette inclusion donne F ⊂ u⁻¹(F), qui est le sens inverse.

Exercice 6. Formes linéaires invariantes par permutation circulaire

Classiques de khôlle et concours · Écrit CCINP

Soit φ une forme linéaire sur Mn(K) telle que φ(AB) = φ(BA) pour toutes matrices A et B. Montrer que φ est proportionnelle à la trace.

Technique tester φ sur les matrices élémentaires Eij.

Voir le corrigé
  1. Pour i ≠ j, Eij = Eij Ejj et Ejj Eij = 0. Donc φ(Eij) = φ(Eij Ejj) = φ(Ejj Eij) = 0.
  2. Pour i ≠ j, Eii = Eij Eji et Eji Eij = Ejj. Donc φ(Eii) = φ(Ejj). Notons λ cette valeur commune.
  3. Par linéarité, φ(M) = Σ mij φ(Eij) = λ Σ mii = λ tr M.
  4. Réciproquement, tout multiple de la trace vérifie la propriété.

piège : Se tromper dans les produits Eij Ekl = δjk Eil. Les écrire une fois pour toutes avant de calculer.

Exercice 7. Déterminant d'une matrice symétrique par blocs

Classiques de khôlle et concours · Écrit CCINP

Soient A et B dans Mn(K) et M la matrice d'ordre 2n formée des blocs A, B sur la première ligne et B, A sur la seconde. Montrer que det M = det(A + B) det(A − B).

Technique opérations par blocs pour atteindre une forme triangulaire par blocs.

Voir le corrigé
  1. On ajoute le second bloc-colonne au premier, ce qui ne change pas le déterminant : les blocs deviennent A + B, B sur la première ligne et A + B, A sur la seconde.
  2. On retranche le premier bloc-ligne au second : blocs A + B, B puis 0, A − B.
  3. La matrice est triangulaire par blocs, donc det M = det(A + B) det(A − B).

piège : Changer l'ordre des facteurs dans un produit de blocs, ou utiliser une opération qui n'est pas une transvection par blocs sans en contrôler l'effet sur le déterminant.

Exercice 8. Interpolation et sommes de polynômes de Lagrange

Classiques de khôlle et concours · Écrit CCINP

Soient a0, …, an des scalaires distincts et L0, …, Ln les polynômes de Lagrange associés. Montrer que Φ : P ↦ (P(a0), …, P(an)) est un isomorphisme de Kn[X] sur Kn+1. En déduire Σ Li = 1 et, pour 0 ≤ k ≤ n, Σ aik Li = Xk.

Technique injectivité par les racines, égalité des dimensions, puis unicité de l'interpolateur.

Voir le corrigé
  1. Φ est linéaire. Si Φ(P) = 0, P de degré au plus n admet n + 1 racines distinctes, donc P = 0. Φ est injective.
  2. dim Kn[X] = n + 1 = dim Kn+1, donc Φ est un isomorphisme. Tout vecteur de valeurs (b0, …, bn) a un unique antécédent, qui est Σ bi Li.
  3. Le polynôme Σ Li vaut 1 en chaque ai, comme le polynôme constant 1, de degré au plus n. Par unicité, Σ Li = 1.
  4. De même Σ aik Li et Xk coïncident en chaque ai et sont de degré au plus n pour k ≤ n, donc sont égaux.

piège : Appliquer l'unicité à Xk pour k > n, où Xk n'appartient pas à Kn[X]. L'égalité devient fausse, la somme est alors le reste de Xk dans la division par le produit des (X − ai).

Exercice 9. Endomorphisme nilpotent d'indice maximal et son commutant

Approfondissement · Type oral Centrale

Soit E de dimension n et u ∈ L(E) tel que un = 0 et un−1 ≠ 0. Montrer qu'il existe x tel que (x, u(x), …, un−1(x)) soit une base de E. En déduire que les endomorphismes qui commutent avec u sont exactement les polynômes en u.

Technique liberté par application des puissances de u, puis identification sur une base.

Voir le corrigé
  1. On choisit x avec un−1(x) ≠ 0. Soit une relation Σ de k = 0 à n − 1 de ak uk(x) = 0. En appliquant un−1, seul le terme k = 0 survit : a0 un−1(x) = 0, donc a0 = 0. En appliquant un−2 à la relation restante, a1 = 0, et ainsi de suite. La famille est libre, de cardinal n, c'est une base.
  2. Soit v commutant avec u. On décompose v(x) = Σ ak uk(x) dans cette base et on pose P = Σ ak Xk. Alors v(x) = P(u)(x).
  3. Pour tout j, v(uj(x)) = uj(v(x)) = uj(P(u)(x)) = P(u)(uj(x)), car uj et P(u) commutent. Donc v et P(u) coïncident sur une base, v = P(u).
  4. Réciproquement tout polynôme en u commute avec u. Le commutant de u est donc K[u].

piège : Oublier que l'égalité v = P(u) doit être vérifiée sur toute une base, et se contenter de v(x) = P(u)(x).

Erreurs fréquentes

  1. Prouver qu'une somme de trois sous-espaces est directe avec les intersections deux à deux. Il faut la décomposition du vecteur nul ou le comptage des dimensions.
  2. Écrire det d'une matrice à quatre blocs comme det A det D − det B det C. Seules les matrices triangulaires par blocs ont un déterminant qui se factorise.
  3. Appliquer la formule du binôme ou l'identité a² − b² = (a − b)(a + b) à des endomorphismes qui ne commutent pas.
  4. Supposer E = Ker u ⊕ Im u pour un endomorphisme quelconque. C'est vrai pour les projecteurs, et plus généralement quand Ker u ∩ Im u = {0} en dimension finie, jamais sans hypothèse.
  5. Confondre P(u) = 0 avec P = 0, ou parler de l'endomorphisme induit sur un sous-espace sans avoir prouvé sa stabilité.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de mathématiques de MP, paragraphe « Compléments d'algèbre linéaire » de la section sur la réduction, complété par les paragraphes sur les sous-espaces stables et sur les polynômes d'un endomorphisme. Deux outils vus en MPSI, la trace et l'interpolation de Lagrange, sont rappelés car ils servent constamment ici. Les valeurs propres et la diagonalisation font l'objet du chapitre suivant.

Au concours

Les questions des sujets corrigés qui travaillent ce chapitre. La première question de chaque sujet est en accès libre.

CCINP 2025, MP, Mathématiques 2

  • Q19 et Q20 Matrice de rang 1 comme produit colonne par ligne, trace et carré
  • Q21 et Q22 Polynôme minimal d'une matrice de rang 1 et diagonalisabilité
  • Q23 à Q25 Classification des matrices de rang 1 à similitude près selon la trace