Licence 2Algèbre

Valeurs propres et vecteurs propres

60 min15 exercicesSéquence 3.3Licence 2

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Durée : 60 min

Valeurs propres et vecteurs propres

1. Définitions

Soit AMnA\in\mathcal{M}_n. Un scalaire λR\lambda\in\mathbb{R} est une valeur propre de AA s'il existe v0v\neq0 tel que :

Av=λvAv = \lambda v

vv est alors un vecteur propre associé à λ\lambda.

Sous-espace propre : Eλ=ker(AλI)={v:Av=λv}E_\lambda = \ker(A-\lambda I) = \{v : Av=\lambda v\}.

2. Polynôme caractéristique

χA(λ)=det(AλI)\chi_A(\lambda) = \det(A-\lambda I)

C'est un polynôme de degré nn en λ\lambda. Les valeurs propres de AA sont les racines de χA\chi_A.

Formules :
- χA(0)=det(A)\chi_A(0) = \det(A)
- Coefficient de (λ)n1(-\lambda)^{n-1} : tr(A)\text{tr}(A)
- tr(A)=iλi\text{tr}(A) = \sum_i \lambda_i et det(A)=iλi\det(A)=\prod_i\lambda_i

3. Diagonalisation

AA est diagonalisable si elle est semblable à une matrice diagonale : P\exists P inversible tel que P1AP=D=diag(λ1,,λn)P^{-1}AP=D=\text{diag}(\lambda_1,\ldots,\lambda_n).

Condition suffisante : AA a nn valeurs propres distinctes \Rightarrow AA diagonalisable.

Condition nécessaire et suffisante : pour toute valeur propre λi\lambda_i, dimEλi=mi\dim E_{\lambda_i} = m_i (multiplicité algébrique).

4. Applications de la diagonalisation

Si A=PDP1A=PDP^{-1}, alors An=PDnP1A^n=PD^nP^{-1} (utile pour calculer les puissances).

Systèmes d'EDL : si X=AXX'=AX, le changement de variable Y=P1XY=P^{-1}X découple le système en Y=DYY'=DY.

5. Théorème de Cayley-Hamilton

Tout endomorphisme AA annule son propre polynôme caractéristique : χA(A)=0\chi_A(A)=0.

Exercices

Quelle est la valeur propre de A=(5003)A=\begin{pmatrix}5&0\\0&3\end{pmatrix} associée au vecteur e1=(1,0)Te_1=(1,0)^T ?

Vrai ou faux : λ=0\lambda=0 est une valeur propre de AA si et seulement si AA est non inversible.

Calculer le polynôme caractéristique de A=(1102)A=\begin{pmatrix}1&1\\0&2\end{pmatrix}.

Vrai ou faux : Deux matrices semblables ont les mêmes valeurs propres.

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