Enoncé Diagonaliser les matrices suivantes :
$$A=\left(\begin{array}{ccc}
0&2&-1\\
3&-2&0\\
-2&2&1
\end{array}\right),\textrm{ } B=\left(\begin{array}{ccc}
0&3&2\\
-2&5&2\\
2&-3&0
\end{array}\right), C=\left(\begin{array}{ccc}
1&0&0\\
0&1&0\\
1&-1&2
\end{array}\right).$$
On donnera aussi la matrice de passage de la base canonique à la base de vecteurs propres.
Corrigé Procédons d'abord avec $A$. Son polynôme caractéristique vaut
$$\chi_A(X)=(X-1)(X-2)(X+4).$$
Il est scindé à racines simples, ce qui assure que $A$ est diagonalisable.
Il suffit de chercher pour chaque valeur propre un vecteur propre associé. D'abord pour $1,$ on pose $u=\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}$
on résout $Au=u$, c'est-à-dire le système :
$$\left\{
\begin{array}{rcl}
-x+2y-z&=&0\\
3x-3y&=&0\\
-2x+2y&=&0
\end{array}
\right.$$
Ce système est équivalent à $x=y=z$ et un vecteur propre est donc
donnée par $\left(\begin{array}{c}1\\1\\1\end{array}\right)$.
On fait de même pour $2$ et $-4,$ et on trouve respectivement
$\left(\begin{array}{c}4\\3\\-2\end{array}\right)$ et $\left(\begin{array}{c}2\\-3\\2\end{array}\right)$.
La matrice $A$ s'écrit donc $A=PDP^{-1}$ avec
$$D=\begin{pmatrix}
1&0&0\\
0&2&0\\
0&0&-4
\end{pmatrix}$$
et $$P=\left(\begin{array}{ccc}
1&4&2\\
1&3&-3\\
1&-2&2
\end{array}
\right).$$
Poursuivons avec $B$ dont on calcule le polynôme caractéristique :
$$P_B(X)=X^3-5X^2+8X-4.$$
$1$ est racine évidente, on factorise par $X-1$ et finalement on trouve
$$\chi_B(X)=(X-1)(X-2)^2.$$
On cherche le sous-espace propre associé à $1$ en résolvant, avec les mêmes notations, $Bu=u$, c'est-à-dire le système :
$$\left\{
\begin{array}{rcl}
-x+3y+2z&=&0\\
-2x+4y+2z&=&0\\
2x-3y-z&=&0
\end{array}
\right.$$
Ce système est équivalent à $x=y=-z$. Ainsi, le sous-espace propre associé à $1$ est
de dimension $1,$ engendré par le vecteur propre $\left(\begin{array}{c}1\\1\\-1\end{array}\right)$.
L'étude du sous-espace propre associé à $2$ conduit au système :
$$\left\{
\begin{array}{rcl}
-2x+3y+2z&=&0\\
-2x+3y+2z&=&0\\
2x-3y-2z&=&0
\end{array}
\right.$$
Ces trois équations se ramènent à $2x-3y-2z=0$, qui est l'équation d'un plan de $\mtr^3$.
Le sous-espace propre associé à $2$ est donc de dimension $2,$ et une base est donnée par
les vecteurs $\left(\begin{array}{c}3\\2\\0\end{array}\right)$ et $\left(\begin{array}{c}1\\0\\1\end{array}\right)$.
La matrice $B$ s'écrit donc $B=PDP^{-1}$ avec
$$B=\begin{pmatrix}
1&0&0\\
0&2&0\\
0&0&2
\end{pmatrix}$$
et
$$P=\left(\begin{array}{ccc}
1&3&1\\
1&2&0\\
-1&0&1
\end{array}
\right).$$
Le polynôme caractéristique de $C$ est $\chi_C(X)=-(1-X)^2(2-X)$. On procède exactement comme précédemment, et on trouve que $(u_1,u_2)$ forme une base de l'espace propre associé à la valeur propre $1,$ avec $u_1=(1,1,0)$ et $u_2=(0,1,1)$ et que $(u_3)$ forme une base de l'espace propre associé à la valeur propre $2,$ avec $u_3=(0,0,1)$. Ainsi, $C$ s'écrit $C=PDP^{-1}$ avec $D$ la matrice diagonale
$$D=\left(
\begin{array}{ccc}
1&0&0\\
0&1&0\\
0&0&2
\end{array}\right)$$
et
$$P=\left(\begin{array}{ccc}
1&0&0\\
1&1&0\\
0&1&1
\end{array}\right).$$