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Considérons un endomorphisme ff de l'espace vectoriel R3\mathbb{R}^3 satisfaisant l'équation polynomiale suivante :

2f3−3f2+Id=02 f^3 - 3 f^2 + \text{Id} = 0

  1. Démontrer que la suite d'endomorphismes (fnn)n∈N\left( \frac{f^n}{n} \right)_{n \in \mathbb{N}} est convergente. On notera gg sa limite.
  2. Dans cette question, on suppose que l'endomorphisme limite gg n'est pas nul. Déterminer explicitement le commutant de ff, c'est-à-dire l'ensemble :
    C(f)={h∈L(R3)∣h∘f=f∘h}\mathcal{C}(f) = \{ h \in \mathcal{L}(\mathbb{R}^3) \mid h \circ f = f \circ h \}

1.

Factoriser le polynôme annulateur P(X)=2X3−3X2+1P(X) = 2X^3 - 3X^2 + 1 pour identifier les valeurs propres possibles et leurs multiplicités.

2.

Utiliser le lemme des noyaux pour décomposer R3\mathbb{R}^3 en sous-espaces stables par ff, puis étudier la restriction de ff à chacun de ces espaces.

3.

Pour la question 2, relier la condition g≠0g \neq 0 au degré du polynôme minimal de ff. Utiliser ensuite le lien entre le degré du polynôme minimal et la dimension du commutant.

Idées clés

•

Étude d'une suite de matrices via la réduction (lemme des noyaux).

•

Lien entre polynôme minimal et dimension du commutant.

•

Structure du commutant pour un endomorphisme cyclique.

1. Étude de la convergence de la suite.

Cherchons d'abord les racines du polynôme annulateur P(X)=2X3−3X2+1P(X) = 2X^3 - 3X^2 + 1. On remarque que 11 est une racine évidente : 2(1)3−3(1)2+1=02(1)^3 - 3(1)^2 + 1 = 0. En dérivant, P′(X)=6X2−6X=6X(X−1)P'(X) = 6X^2 - 6X = 6X(X-1), on constate que P′(1)=0P'(1) = 0. Ainsi, 11 est une racine au moins double. Par division euclidienne ou identification, on obtient :

P(X)=2(X−1)2(X+12)\boxed{P(X) = 2(X-1)^2 \left( X + \frac{1}{2} \right)}

D'après le lemme des noyaux, puisque les facteurs sont premiers entre eux, on a la décomposition en sous-espaces stables :

R3=ker⁡(f−Id)2⊕ker⁡(f+12Id)\mathbb{R}^3 = \ker(f - \text{Id})^2 \oplus \ker\left( f + \frac{1}{2}\text{Id} \right)

Soit x=x1+x2x = x_1 + x_2 la décomposition d'un vecteur quelconque de R3\mathbb{R}^3 selon cette somme directe.

Sur le sous-espace E−1/2=ker⁡(f+12Id)E_{-1/2} = \ker(f + \frac{1}{2}\text{Id}), on a f(x2)=−12x2f(x_2) = -\frac{1}{2}x_2, donc :

fn(x2)=(−12)nx2  ⟹  fn(x2)n→n→+∞0f^n(x_2) = \left( -\frac{1}{2} \right)^n x_2 \implies \frac{f^n(x_2)}{n} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0

Sur le sous-espace E1=ker⁡(f−Id)2E_1 = \ker(f - \text{Id})^2, posons n=f∣E1−Id∣E1n = f_{|E_1} - \text{Id}_{|E_1}. Par définition de E1E_1, l'endomorphisme nn est nilpotent d'indice au plus 2, soit n2=0n^2 = 0. Puisque Id\text{Id} et nn commutent, on utilise la formule du binôme de Newton :

f∣E1n=(Id+n)n=∑k=0n(nk)nk=(n0)Id+(n1)n+0=Id+n⋅nf^n_{|E_1} = (\text{Id} + n)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} n^k = \binom{n}{0} \text{Id} + \binom{n}{1} n + 0 = \text{Id} + n \cdot n

On en déduit le comportement asymptotique sur E1E_1 :

f∣E1nn=1nId+n→n→+∞n=f∣E1−Id∣E1\frac{f^n_{|E_1}}{n} = \frac{1}{n} \text{Id} + n \xrightarrow[n \to +\infty]{} n = f_{|E_1} - \text{Id}_{|E_1}

La suite fnn\frac{f^n}{n} converge donc vers l'endomorphisme gg défini par :

g∣E1=f∣E1−Id∣E1etg∣E−1/2=0\boxed{g_{|E_1} = f_{|E_1} - \text{Id}_{|E_1}   \text{et}   g_{|E_{-1/2}} = 0}

2. Détermination du commutant.

Supposons g≠0g \neq 0. D'après l'expression précédente, cela signifie que f∣E1≠Id∣E1f_{|E_1} \neq \text{Id}_{|E_1}. Le polynôme minimal MfM_f divise PP et possède les mêmes racines que le polynôme caractéristique χf\chi_f. Ici, χf(X)=(X−1)2(X+1/2)\chi_f(X) = (X-1)^2(X+1/2) car dim⁡R3=3\dim \mathbb{R}^3 = 3 et la somme des dimensions des noyaux de la décomposition précédente est 3.

Si ff était diagonalisable, son polynôme minimal serait (X−1)(X+1/2)(X-1)(X+1/2), ce qui impliquerait f∣E1=Id∣E1f_{|E_1} = \text{Id}_{|E_1} et donc g=0g=0. Comme g≠0g \neq 0, ff n'est pas diagonalisable. Son polynôme minimal est donc nécessairement :

Mf(X)=(X−1)2(X+12)\boxed{M_f(X) = (X-1)^2\left( X + \frac{1}{2} \right)}

On remarque que deg⁡(Mf)=3=dim⁡R3\deg(M_f) = 3 = \dim \mathbb{R}^3. L'endomorphisme ff est donc cyclique. Un résultat classique de cours (ou démontrable par réduction de la dimension) stipule que pour un endomorphisme cyclique, le commutant est réduit à l'ensemble des polynômes en cet endomorphisme :

C(f)=R[f]\mathcal{C}(f) = \mathbb{R}[f]

Comme deg(Mf)=3\text{deg}(M_f) = 3, la famille (Id,f,f2)(\text{Id}, f, f^2) forme une base de R[f]\mathbb{R}[f]. On conclut :

C(f)=Vect(Id,f,f2)={aId+bf+cf2∣(a,b,c)∈R3}\boxed{\mathcal{C}(f) = \text{Vect}(\text{Id}, f, f^2) = \{ a \text{Id} + b f + c f^2 \mid (a, b, c) \in \mathbb{R}^3 \}}

Une erreur fréquente est d'oublier de vérifier si ff est diagonalisable. Si ff l'était, gg serait nul car sur chaque sous-espace propre, la suite λnn\frac{\lambda^n}{n} converge vers 0 pour ∣λ∣≤1|\lambda| \leq 1. La condition g≠0g \neq 0 impose que l'un des blocs de la décomposition n'est pas diagonal.