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Soit EE un espace vectoriel de dimension finie sur K=R\mathbb{K} = \mathbb{R} ou C\mathbb{C}. On considère un endomorphisme f∈L(E)f \in \mathcal{L}(E) tel que la suite de ses itérés (fn)n∈N(f^n)_{n \in \mathbb{N}} soit bornée dans L(E)\mathcal{L}(E). Pour tout entier naturel nn, on définit l'endomorphisme gng_n par :

gn=1n+1∑k=0nfkg_n = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^{n} f^k

  1. Soit x∈Ex \in E. Étudier la convergence de la suite (gn(x))n∈N(g_n(x))_{n \in \mathbb{N}} dans les deux cas suivants :
    1. x∈ker⁡(f−IdE)x \in \ker(f - \text{Id}_E).
    2. x∈im(f−IdE)x \in \text{im}(f - \text{Id}_E).

  2. Montrer que la suite d'endomorphismes (gn)n∈N(g_n)_{n \in \mathbb{N}} converge vers un endomorphisme PP que l'on caractérisera géométriquement.

1.

Pour la question 1.(a), remarquer que si f(x)=xf(x)=x, alors fk(x)=xf^k(x)=x pour tout kk.

2.

Pour la question 1.(b), utiliser une somme télescopique pour simplifier gn(f(y)−y)g_n(f(y)-y).

3.

Pour la question 2, établir que E=ker⁡(f−IdE)⊕im(f−IdE)E = \ker(f - \text{Id}_E) \oplus \text{im}(f - \text{Id}_E) en utilisant l'hypothèse que la suite (fn)(f^n) est bornée.

Idées clés

•

Simplification de sommes par la structure de noyau et d'image.

•

Utilisation de la croissance linéaire versus bornitude pour prouver une somme directe.

•

Caractérisation d'un projecteur par ses sous-espaces stables.

Résolution.

    1. Supposons que x∈ker⁡(f−IdE)x \in \ker(f - \text{Id}_E). Alors f(x)=xf(x) = x, et par une récurrence immédiate, pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, fk(x)=xf^k(x) = x. En injectant ceci dans l'expression de gn(x)g_n(x), on obtient :
      gn(x)=1n+1∑k=0nx=1n+1⋅(n+1)x=xg_n(x) = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^{n} x = \frac{1}{n+1} \cdot (n+1)x = x
      La suite (gn(x))(g_n(x)) est constante, donc :
      lim⁡n→+∞gn(x)=x\boxed{\lim_{n \to +\infty} g_n(x) = x}

    2. Supposons que x∈im(f−IdE)x \in \text{im}(f - \text{Id}_E). Il existe alors un vecteur y∈Ey \in E tel que x=f(y)−yx = f(y) - y. Calculons gn(x)g_n(x) par linéarité de la somme :
      gn(x)=1n+1∑k=0nfk(f(y)−y)=1n+1∑k=0n(fk+1(y)−fk(y))g_n(x) = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^{n} f^k(f(y) - y) = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^{n} (f^{k+1}(y) - f^k(y))
      Il s'agit d'une somme télescopique. On en déduit :
      gn(x)=1n+1(fn+1(y)−f0(y))=fn+1(y)−yn+1g_n(x) = \frac{1}{n+1} (f^{n+1}(y) - f^0(y)) = \frac{f^{n+1}(y) - y}{n+1}
      Puisque la suite (fn)(f^n) est bornée dans L(E)\mathcal{L}(E), il existe une constante MM telle que pour tout nn, ∥fn(y)∥≤M∥y∥\|f^n(y)\| \leq M \|y\|. Le numérateur de l'expression précédente est donc borné. Par conséquent, par comparaison avec une suite tendant vers 0 :
      lim⁡n→+∞gn(x)=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} g_n(x) = 0}

  1. Pour montrer que gng_n converge, nous allons montrer que E=ker⁡(f−IdE)⊕im(f−IdE)E = \ker(f - \text{Id}_E) \oplus \text{im}(f - \text{Id}_E). Étape 1 : Intersection. Soit x∈ker⁡(f−IdE)∩im(f−IdE)x \in \ker(f - \text{Id}_E) \cap \text{im}(f - \text{Id}_E). D'après la question 1, on a simultanément gn(x)→xg_n(x) \to x (car x∈ker⁡(f−Id)x \in \ker(f-\text{Id})) et gn(x)→0g_n(x) \to 0 (car x∈im(f−Id)x \in \text{im}(f-\text{Id})). Par unicité de la limite, on a nécessairement x=0x = 0. Étape 2 : Dimension. D'après le théorème du rang, on sait que dim⁡(ker⁡(f−IdE))+dim⁡(im(f−IdE))=dim⁡(E)\dim(\ker(f - \text{Id}_E)) + \dim(\text{im}(f - \text{Id}_E)) = \dim(E). La somme est donc directe et égale à EE :
    E=ker⁡(f−IdE)⊕im(f−IdE)\boxed{E = \ker(f - \text{Id}_E) \oplus \text{im}(f - \text{Id}_E)}

    Étape 3 : Convergence de l'endomorphisme. Soit z∈Ez \in E. Il existe un unique couple (x,y)∈ker⁡(f−IdE)×im(f−IdE)(x, y) \in \ker(f - \text{Id}_E) \times \text{im}(f - \text{Id}_E) tel que z=x+yz = x + y. Par linéarité de gng_n, on a gn(z)=gn(x)+gn(y)g_n(z) = g_n(x) + g_n(y). D'après les résultats de la question 1 :

    lim⁡n→+∞gn(z)=x+0=x\lim_{n \to +\infty} g_n(z) = x + 0 = x
    On reconnaît ici la définition du projecteur sur le premier sous-espace parallèlement au second. Ainsi, la suite (gn)(g_n) converge simplement (et donc pour toute norme car EE est de dimension finie) vers l'endomorphisme PP.
    P est le projecteur sur ker⁡(f−IdE) paralleˋlement aˋ im(f−IdE)\boxed{P \text{ est le projecteur sur } \ker(f - \text{Id}_E) \text{ parallèlement à } \text{im}(f - \text{Id}_E)}

Ne pas oublier de justifier pourquoi la somme est directe. L'hypothèse "(fn)(f^n) bornée" est cruciale : sans elle, on pourrait avoir un bloc de Jordan associé à la valeur propre 1 de taille ≥2\geq 2, auquel cas l'intersection ker⁡(f−Id)∩im(f−Id)\ker(f-\text{Id}) \cap \text{im}(f-\text{Id}) ne serait pas réduite à {0}\{0\}.