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Soit un espace vectoriel sur le corps des rationnels. On considère trois vecteurs non nuls de .
On suppose qu'il existe un endomorphisme satisfaisant les relations suivantes :
Démontrer que la famille est libre dans .
Exprimer les vecteurs et comme des images de par des puissances de .
Identifier un polynôme de degré 3 tel que .
Étudier l'existence de racines rationnelles pour ce polynôme afin d'en déduire son irréductibilité sur .
Utiliser la notion de polynôme minimal d'un vecteur ou raisonner par l'absurde en considérant une relation de dépendance linéaire.
Utilisation de l'endomorphisme pour lier les vecteurs à un polynôme annulateur.
Critère d'irréductibilité des polynômes de degré 3 sur .
Lien entre liberté d'une famille de Krylov et degré du polynôme minimal local.
Résolution.
1. Identification d'un polynôme annulateur local
D'après les relations de l'énoncé, nous pouvons exprimer et en fonction des puissances successives de appliquées au vecteur :
La troisième relation devient alors :
Soit le polynôme de défini par :
L'égalité précédente s'écrit alors :
2. Étude de l'irréductibilité de sur }
Le polynôme est de degré 3. Pour démontrer qu'il est irréductible sur , il suffit de vérifier qu'il ne possède aucune racine rationnelle.
Soit une racine de avec et . En substituant dans , nous obtenons :
On en déduit que :
Les seules racines rationnelles possibles sont donc et . Or :
Le polynôme n'a pas de racine dans . Étant de degré 3, il est donc irréductible sur .
3. Preuve de la liberté de la famille
Supposons que la famille soit liée. Comme , il existe un polynôme non nul, de degré au plus 2, tel que :
Considérons l'ensemble . C'est un idéal de , qui est principal. Il existe donc un unique polynôme unitaire , appelé polynôme minimal de sous l'action de , tel que .
D'après la question 1, , donc divise .
Or, est irréductible sur et (donc ). On en déduit que :
Comme , est un multiple de . Or et . La seule possibilité est :
Cela contredit l'existence d'une relation de dépendance linéaire non triviale.
L'irréductibilité dépend crucialement du corps de base. Le polynôme possède une racine réelle (environ ), donc si l'espace vectoriel était sur , on pourrait trouver un vecteur tel que , rendant la famille liée.