Matrices nilpotentes et classe de similitude

Bonjour,
Je suis tombé sur ce petit exercice, et j'aimerais savoir quels sont les arguments essentiels pour y répondre.
Montrer que $M \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{C})$ est nilpotente si et seulement si $0$ appartient à l'adhérence de sa classe de similitude.

Mes idées sont les suivantes:
  • sens direct: $M$ est nilpotente donc trigonalisable avec des zéros sur la diagonale, et on peut toujours conjuguer sa version trigonalisée par $P_{\varepsilon}=diag(\varepsilon, \varepsilon^{2}, ..., \varepsilon^{n})$ de façon à écraser les termes surdiagonaux (car $[P_{\varepsilon}MP_{\varepsilon}^{-1}]_{ij}=\varepsilon^{i-j}m_{ij}$). On a donc une suite de matrices semblables qui tend vers 0.
  • réciproque: le polynôme caractéristique $\chi _{M}(X)$ est constant sur la classe de similitude de $M$. Si $P_{n}MP_{n}^{-1}$ tend vers $0$, par continuité de l'application polynômiale $M \mapsto \chi _{M}$, on obtient $\chi _{M}(X)=\lim_{n \rightarrow + \infty}\chi _{P_{n}MP_{n}^{-1}}(X)=\chi _{0}(X)=X^{n}$, et $M$ est nilpotente.

Réponses

  • Je continue, je viens de tomber sur cette seconde caractérisation que je ne connaissais pas:
    $M \in \mathcal{M}_{n}(\mathbb{C})$ est diagonalisable si et seulement si sa classe de similitude $\mathcal{C}_{M}$ est fermée.

    Je chercherai un peu quand j'aurai le temps, je vois simplement que:
    • sens direct: je ne vois pas encore (le polynôme minimal n'est pas continu, il faut que je fasse attention à ça).
    • réciproque: en utilisant les mêmes matrices $P_{\varepsilon}$ qu'auparavant $P_{\varepsilon_{n}}MP_{\varepsilon_{n}}^{-1}\rightarrow diag(\mu_{1}, ..., \mu_{n}) \in \mathcal{C}_{M}$.
  • Je ne comprends pas, n'as-tu pas résolu le premier exercice ?

    Pour le second, tu n'as pas besoin de la continuité du polynôme minimal, tu peux déjà montrer que toute matrice dans l'adhérence de $C_M$ est diagonalisable avec les mêmes valeurs propres que $M$ (plus précisément, incluses dans $Sp(M)$).
    Quel est ensuite le polynôme caractéristique d'une telle matrice ?
  • En fait certaines idées me sont venues en écrivant ici, ce qui fait que je pense avoir résolu le premier exercice, effectivement.

    Je crois que je vois mon erreur: je n'ai pas besoin de la continuité (fausse) de $M \mapsto \pi_{M}$ car j'utilise simplement le fait que si $L \in \overline{\mathcal{C}_{M}}$ est approchée par $M_{k}$, alors $\pi_{M}(M_{k})=0$ ($\pi_{M}$ étant un invariant de similitude) et donc $\pi_{M}(L)=0$ par continuité du polynôme. $L$ est donc diagonalisable.
    La continuité de $M \mapsto \chi_{M}$ permet de conclure que $\chi_{M}=\chi_{L}$, c'est-à-dire que les valeurs propres sont les mêmes avec mêmes multiplicités, et donc que $L$ et $M$ sont semblables à la même matrice diagonale.
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