On note Mn(R) l'ensemble des matrice carrée d'ordre n (n est un entier ≥1) à coefficients réels.
On note Mn,1(R) l'ensemble des matrice colonnes n lignes et 1 colonne à coefficients réels à coefficients réels.
Dans la suite, A désigne une matrice de Mn(R) et X une matrice colonne de Mn,1(R).
1) Valeur et vecteur propre d'une matrice Mn(R)
Définition :
Soit λ un réel. On dit que λ est une valeur propre de la matrice s'il existe une matrice colonne X de Mn,1(R) NON NULLE telle que AX=λX.
L'ensemble des valeurs propres de la matrice A s'appelle le spectre de A et se note Sp(A).
Dans ce cas, on dit que X est un vecteur propre associé à la valeur propre λ.
Remarque 1 :
Chercher les valeurs propres de la matrice A cela revient à déterminer tous les réels λ pour lesquels le système linéaire AX=λX d'inconnue X∈Mn,1(R) admet au moins une solution non nulle.
Remarque 2 :
On a AX=λX⟺AX−λX=0Mn,1(R) ⟺(A−λIn)X=0Mn,1(R) ⟺X∈ker(A−λIn).
Définition :
Le sous-espace vectoriel ker(A−λIn) s'appelle le sous-espace propre de la valeur propre λ. On le note EA(λ).
2) Exemple
Déterminons les valeurs propres de la matrice A=(311−8−3−4634).
On effectue la méthode du pivot de Gauss sur la matrice A−λI3=(3−λ11−8−3−λ−4634−λ).
On échange les lignes 1 et 3, L1↔L3 :
(634−λ−8−3−λ−43−λ11).
On effectue L2←3L2+4L1 et L3←6L3−(3−λ)L1. On obtient après factorisation :
(634−λ03(1−λ)4(1−λ)03(λ−1)(1−λ)(λ−6)).
On effectue L3←L3+L2 :
(634−λ03(1−λ)4(1−λ)00(1−λ)(λ−2)).
On revient au système (A−λI3)X=0M3,1(R) en posant X=(xyz).
On obtient le système triangulaire :
{6x+3y+(4−λ)z=03(1−λ)y+4(1−λ)z=0(1−λ)(λ−2)z=0
Si λ∈R∖{1,2} alors z=0 puis y=0 puis x=0 autrement dit la seule solution du système AX=λX est la solution nulle donc λ n'est pas valeur propre.
Si λ=1 alors le système se réduit à une seule équation : 6x+3y+3z=0 soit après simplification par 3 : 2x+y+z=0.
On en déduit que le système AX=X admet des solutions non nulles donc 1 est une valeur propre de A.
De plus le sous-espace propre associé à la valeur propre 1 est le plan vectoriel d'équation 2x+y+z=0.
On peut chercher une base de ce plan. Comme z=−2x−y, on a (x,y,z)=(x,y,−2x−y)=x(1,0,−2)+y(0,1,−1). On a donc EA(1)=vect((1,0,−2);(0,1,−1)).
Si λ=2 alors le système devient :
{6x+3y+2z=0−3y−4z=0⟺{x=13zy=−43zz=z
Comme le système AX=2X admet des solutions non nulles, 2 est une valeur propre et de plus EA(2) est la droite vectorielle engendrée par le vecteur (1,−4,3).
Le spectre de A est donc Sp(A)={1,2}.