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Valeurs propres et vecteurs propres d'une matrice 2×2

Calculez les valeurs propres d'une matrice 2×2 à partir de sa trace et de son déterminant, réelles ou complexes, avec un vecteur propre pour chaque valeur propre réelle.

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Valeur hors limites

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Valeur hors limites

Valeur hors limites

Résultats

Valeur propre λ₁ (partie réelle si complexe)

5

Deux valeurs propres réelles distinctes

Valeur propre λ₂ (partie réelle si complexe)

2

Partie imaginaire (± i)
0
Trace (a + d = λ₁ + λ₂)
7
Déterminant (ad − bc = λ₁ × λ₂)
10
Discriminant (trace² − 4 dét)
9
Vecteur propre de λ₁ : x
1
Tout multiple non nul est aussi un vecteur propre
Vecteur propre de λ₁ : y
1
Vecteur propre de λ₂ : x
1
Vecteur propre de λ₂ : y
-2

Les directions qu’une matrice ne fait pas tourner

En multipliant un vecteur par une matrice, on change en général sa longueur et sa direction. Mais pour la plupart des matrices, il existe des directions particulières où le vecteur est seulement étiré ou contracté : A × v = λ × v. Le vecteur v est un vecteur propre et le facteur λ sa valeur propre. Pour une matrice 2×2, il suffit d’une équation du second degré pour les trouver.

Le polynôme caractéristique

Pour une matrice de lignes (a, b) et (c, d) :

λ² − (a + d) × λ + (ad − bc) = 0

Le coefficient a + d est la trace et ad − bc le déterminant. Donc :

  • λ = (trace ± √(trace² − 4 × déterminant)) ÷ 2.
  • La somme des valeurs propres est égale à la trace.
  • Leur produit est égal au déterminant.

Exemple

Prenons la matrice de lignes (4, 1) et (2, 3) :

  • Trace : 4 + 3 = 7. Déterminant : 4 × 3 − 1 × 2 = 10.
  • Discriminant : 7² − 4 × 10 = 9, positif : deux valeurs propres réelles.
  • λ₁ = (7 + 3) ÷ 2 = 5 et λ₂ = (7 − 3) ÷ 2 = 2.

Vérification : 5 + 2 = 7 et 5 × 2 = 10.

Les vecteurs propres

Pour chaque valeur propre, on résout (A − λI) × v = 0. Si b n’est pas nul, le vecteur (b, λ − a) convient toujours :

  • Pour λ₁ = 5 : (1, 5 − 4) = (1, 1). En effet, A × (1, 1) = (5, 5) = 5 × (1, 1).
  • Pour λ₂ = 2 : (1, 2 − 4) = (1, −2). En effet, A × (1, −2) = (2, −4) = 2 × (1, −2).

Si b est nul, le calculateur utilise (λ − d, c), et pour une matrice diagonale, les vecteurs propres sont simplement les axes. Tout multiple non nul d’un vecteur propre est aussi un vecteur propre : (2, 2) ou (−1, −1) sont aussi justes que (1, 1).

Trois cas

Discriminant Valeurs propres Exemple
Positif Deux valeurs réelles distinctes lignes (4, 1), (2, 3) : 5 et 2
Nul Une valeur réelle double lignes (2, 1), (0, 2) : 2 double
Négatif Une paire complexe conjuguée lignes (0, −1), (1, 0) : ± i

Une valeur propre double peut n’avoir qu’un seul vecteur propre indépendant, comme dans le deuxième exemple : la matrice n’est alors pas diagonalisable. Un discriminant négatif signale une rotation : la rotation d’un quart de tour a pour valeurs propres 0 ± 1i, et aucune direction réelle ne reste fixe.

À quoi ça sert ?

  • Équations différentielles : pour x’ = A x, les solutions croissent ou décroissent comme e^(λt) ; des parties réelles négatives signifient un système stable.
  • Chaînes de Markov : la distribution à long terme est le vecteur propre associé à la valeur propre 1.
  • Statistique : l’analyse en composantes principales (ACP) cherche les vecteurs propres de la matrice de covariance ; les valeurs propres donnent la variance expliquée par chaque axe.
  • Mécanique : les fréquences propres d’une structure qui vibre viennent des valeurs propres.

La diagonalisation des matrices est un classique des programmes de classes préparatoires et de licence de mathématiques. Pour des matrices plus grandes, utilisez le calculateur de matrices ou un logiciel de calcul, car le polynôme caractéristique devient vite difficile à résoudre à la main.

Questions fréquentes

Comment trouver les valeurs propres d'une matrice 2×2 ?

Résolvez l'équation caractéristique λ² − (a + d)λ + (ad − bc) = 0, c'est-à-dire λ² − trace × λ + déterminant = 0. Pour [[4, 1], [2, 3]], la trace vaut 7 et le déterminant 10, d'où λ² − 7λ + 10 = 0 et λ = 5 ou 2.

Comment trouver un vecteur propre ?

Résolvez (A − λI)v = 0. Si b n'est pas nul, v = (b, λ − a) convient toujours. Pour λ = 5 dans l'exemple, v = (1, 1) ; pour λ = 2, v = (1, −2). Tout multiple non nul est aussi un vecteur propre.

Quand les valeurs propres sont-elles complexes ?

Quand le discriminant trace² − 4 × déterminant est négatif. Elles forment alors une paire conjuguée, partie réelle ± partie imaginaire × i. Une matrice de rotation en est l'exemple type : elle fait tourner tous les vecteurs, donc aucune direction réelle ne reste fixe.

À quoi servent les valeurs propres ?

Elles indiquent comment la matrice étire l'espace le long de ses vecteurs propres. En équations différentielles, leur signe dit si un système est stable ; en statistique, elles mesurent la variance le long des composantes principales (ACP). C'est un classique du programme de mathématiques en classes préparatoires et en licence.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.