Topologie des espaces matriciels

Exercice 71 ⭐️ Groupe orthogonal compact, L2/MP

Montrer que le groupe orthogonal On(R)\displaystyle O_n(\R) est un compact de Mn(R)\displaystyle M_n(\R).

Fermé : image réciproque d’un fermé par une application continue.

On(R)\displaystyle O_n(\R) est l’image réciproque du singleton {Id}\displaystyle \{Id\} par l’application continue P↦PPT\displaystyle P\mapsto PP^T, donc On(R)\displaystyle O_n(\R) est fermé dans Mn(R)\displaystyle M_n(\R).
Toutes les normes sont équivalentes sur l’e.v. de dimension fini Mn(R)\displaystyle M_n(\R), considérons la norme opérateur ∥P∥=max⁡∥X∥2=1∥PX∥2\displaystyle \|P\|=\max_{\|X\|_2=1}\|PX\|_2. Si P∈On(R)\displaystyle P\in O_n(\R), alors ∥P∥=1\displaystyle \|P\|=1 car P\displaystyle P est une isométrie. On en déduit que On(R)\displaystyle O_n(\R) est fermé borné dans Mn(R)\displaystyle M_n(\R) qui est de dimension finie. Donc On(R)\displaystyle O_n(\R) est compact.

Exercice 276 ⭐️⭐️⭐️ Caractérisation topologique de propriété algébrique, X MP 2019, L2/L3

Pour M∈Mn(C)\displaystyle M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{C}), on note S(M)={PMP−1, P∈GLn(C)}\displaystyle S(M)=\{ PMP^{-1},\ P \in \mathrm{GL}_n(\mathbb C)\}.

  1. Montrer : ∀ε>0,∃ Mε∈S(M) / ∀i≠j, ∣Mε(i,j)∣⩽ε\displaystyle \forall \varepsilon > 0, \exists\, M_\varepsilon \in S(M)\ /\ \forall i\neq j, \ |M_{\varepsilon}(i,j)| \leqslant \varepsilon.
  2. Prouver : M\displaystyle M est diagonalisable   ⟺  S(M)\displaystyle \iff S(M) est fermé.
  3. Montrer : M\displaystyle M est nilpotente   ⟺  0Mn(C)∈S(M)‾\displaystyle \iff 0_{\mathcal{M}_n(\mathbb{C})} \in \overline{S(M)}.

(Enoncé d’après RMS)

  1. On a une matrice dans Mn(C)\displaystyle \mathcal{M}_n(\mathbb{C}) et on ne sait pas quoi faire 👉 Trigonaliser pour voir ce qui se passe !
  2. Question théorique sur la diagonalisation 👉 Il existe un polynôme annulateur scindé à racines simples.
  1. Comme M∈Mn(C)\displaystyle M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{C}), on peut la trigonaliser : il existe Q∈GLn(C)\displaystyle Q \in GL_n(\mathbb{C}) telle que M=Q−1TQ\displaystyle M = Q^{-1}TQ, avec T\displaystyle T triangulaire supérieure. Soit D=diag(d1,…,dn)\displaystyle D = {\rm diag}(d_1,\ldots,d_n) où les coefficients di>0\displaystyle d_i>0 seront choisis plus tard. Donc D\displaystyle D est inversible et D−1TD∈S(M)\displaystyle D^{-1} T D \in S(M). On peut calculer rapidement les coefficients de cette matrice : (D−1TD)i,j=djdiTij.(D^{-1} T D) _{i,j}= \frac{d_j}{d_i} T_{ij}. Soit A′=max⁡(∣Ti,j∣:i<j)\displaystyle A' = \max(|T_{i,j}| : i<j) et A=max⁡(A′,ε)\displaystyle A=\max(A',\varepsilon). On choisit di=εi−1Ai−1\displaystyle d_i = \frac{\varepsilon^{i-1}}{A^{i-1}} de telle sorte que ∀i<j , ∣(D−1TD)i,j∣=εj−iAj−i∣Ti,j∣≤εA∣Ti,j∣≤ε.\forall i<j \ , \ \left| (D^{-1} T D) _{i,j} \right|= \frac{\varepsilon^{j-i}}{A^{j-i}} |T_{i,j}| \le \frac{\varepsilon}{A} |T_{i,j}| \le \varepsilon. Comme T\displaystyle T est triangulaire supérieure, on a (D−1TD)i,j=0\displaystyle (D^{-1} T D) _{i,j} = 0 pour tout i>j\displaystyle i>j. On a donc trouvé un élément de S(M)\displaystyle S(M) dont les coefficients hors-diagonaux sont petits.
  2. Supposons que S(M)\displaystyle S(M) est fermé. D’après la question 1) il existe une suite Mm∈S(M)\displaystyle M_m\in S(M) qui tend vers une matrice diagonale D\displaystyle D. Comme S(M)\displaystyle S(M) est fermé, on en déduit D∈S(M)\displaystyle D\in S(M), ce qui veut dire que M\displaystyle M est diagonalisable.
    Réciproquement, supposons M\displaystyle M diagonalisable. Donc il existe un polynôme P\displaystyle P annulateur de M\displaystyle M scindé à racines simples. Considérons une suite Mm∈S(M)\displaystyle M_m\in S(M), i.e. Mm=QmMQm−1\displaystyle M_m=Q_mMQ_m^{-1}, tendant vers A∈Mn(C)\displaystyle A\in \mathcal{M}_n(\C). On a P(Mm)=0\displaystyle P(M_m)=0 car Mmk=QmMkQm−1\displaystyle M_m^k=Q_m M^kQ_m^{-1} et P(M)=0\displaystyle P(M)=0. Comme l’application X↦P(X)\displaystyle X\mapsto P(X), Mn(C)→Mn(C)\displaystyle \mathcal{M}_n(\C)\to \mathcal{M}_n(\C), est continue, on en déduit P(A)=0\displaystyle P(A)=0, et donc A\displaystyle A est diagonalisable. De la même façon, on a la limite des polynômes caractéristiques : χMm→χA\displaystyle \chi_{M_m}\to\chi_A. Comme χMm=χM\displaystyle \chi_{M_m}=\chi_{M}, il vient χA=χM\displaystyle \chi_{A}=\chi_{M}, donc A\displaystyle A et M\displaystyle M ont les mêmes valeurs propres. Or elles sont aussi toutes les deux diagonalisables. Par conséquent elles sont semblables. Ainsi A∈S(M)\displaystyle A\in S(M), ce qui permet de conclure que S(M)\displaystyle S(M) est fermé.
  3. Soit ε>0\displaystyle \varepsilon>0 et M\displaystyle M une matrice nilpotente. Comme M\displaystyle M n’a que 0\displaystyle 0 comme valeur propre, on en déduit que M\displaystyle M est semblable à une matrice M′\displaystyle M' triangulaire supérieure avec des zéros sur la diagonale. D’après la construction de la question 1) il existe donc Mε∈S(M′)=S(M) / ∀i,j, ∣Mε(i,j)∣≤ε\displaystyle M_\varepsilon \in S(M')=S(M)\ /\ \forall i, j, \ |M_{\varepsilon}(i,j)| \le\varepsilon (en effet on peut rendre petits par changement de base les coefficients hors diagonaux, et les coefficients de la diagonale de M′\displaystyle M' sont déjà nuls). En prenant pour norme ∥⋅∥\displaystyle \|\cdot\| sur Mn(C)\displaystyle \mathcal{M}_n(\C) la norme du sup⁡\displaystyle \sup du module de tous les coefficients, on en déduit ∥Mε∥≤ε\displaystyle \|M_\varepsilon\|\le \varepsilon, et donc 0∈S(M)‾\displaystyle 0\in \overline{S(M)}.
    Réciproquement, supposons que 0∈S(M)‾\displaystyle 0\in \overline{S(M)}, donc il existe une suite Mm∈S(M)‾\displaystyle M_m\in \overline{S(M)} tendant vers 0\displaystyle 0 (on prend la norme qu’on veut car en dimension finie elles sont toutes équivalentes). On a donc l’égalité des polynômes caractéristiques χMm=χM\displaystyle \chi_{M_m}=\chi_M. Par continuité de l’application A↦χA\displaystyle A\mapsto \chi_A (elle est polynomiale en les coefficients de A\displaystyle A), il vient χ0=χM\displaystyle \chi_{0}=\chi_M. Or χ0(X)=Xn=χM(X)\displaystyle \chi_0(X)=X^n=\chi_M(X). Ainsi M\displaystyle M n’a que 0\displaystyle 0 comme valeur propre, donc est semblable à une matrice triangulaire supérieure avec que des 0\displaystyle 0 sur la diagonale. Donc M\displaystyle M est nilpotente (On peut aussi invoquer directement le théorème de Cayley-Hamilton : χM(M)=0=Mn\displaystyle \chi_M(M)=0=M^n).

Exercice 528 ⭐️ Matrices de rang p\displaystyle p, Spé/L2

Soit p∈[ ⁣[0,n] ⁣]\displaystyle p\in[\![0,n]\!], on note Rp\displaystyle R_p la partie de Mn(R)\displaystyle \mathcal M_n(\R) définie par
Rp={M∈Mn(R) : rg(M)=p}.R_p=\{M\in\mathcal M_n(\R)~:~\mathrm{rg}(M)=p\}. Rp\displaystyle R_p est-elle ouverte ? fermée ? On pourra distinguer plusieurs cas.

  • Fermé 👉 étudier la stabilité par passage à la limite.
  • Ouvert 👉 idem pour le complémentaire.

∙\displaystyle \bullet Supposons 0<p<n\displaystyle 0<p<n.
Soit A=Diag(1,…,1,0,…,0)\displaystyle A=\mathrm{Diag}(1,\dots,1,0,\dots,0), de rang p\displaystyle p.
On remarque que 1nA∈Rp\displaystyle \frac 1n A\in R_p mais 1nA→0∉Rp\displaystyle \frac 1n A\to 0\notin R_p. Donc Rp\displaystyle R_p n’est pas fermé.
De même Rpc\displaystyle R_p^c n’est pas fermé (et donc Rp\displaystyle R_p n’est pas ouvert).
En effet la suite Bn=Diag(1,…,1,1n,…,1n)\displaystyle B_n=\mathrm{Diag}\left(1,\dots,1,\frac 1n,\dots,\frac 1n\right) vérifie Bn∈Rpc\displaystyle B_n\in R_p^c mais lim⁡Bn∈Rp\displaystyle \lim B_n\in R_p.
∙\displaystyle \bullet Cas p=0\displaystyle p=0.
R0={0}\displaystyle R_0=\{0\} est fermé. R0\displaystyle R_0 n’est pas ouvert (comme dans le premier cas).
∙\displaystyle \bullet Cas p=n\displaystyle p=n.
Rn=GLn(R)\displaystyle R_n=GL_n(\R) n’est pas fermé (comme dans le premier cas).
En revanche Rn=GLn(R)\displaystyle R_n=GL_n(\R) est ouvert.
En effet GLn(R)={M∈Mn(R) : ∣det⁡(M)∣>0}\displaystyle GL_n(\R)=\{M\in\mathcal M_n(\R)~:~|\det(M)|>0\}.
Or l’application ∣det⁡∣:Mn(R)→R\displaystyle |\det|:\mathcal M_n(\R)\to\R est continue car polynomiale en les coefficients de la matrice.