WikiPrépaLivrets

$}

Soit EE un espace vectoriel sur le corps Q\mathbb{Q} des rationnels. On considère trois vecteurs non nuls x,y,zx, y, z de EE.

On suppose qu'il existe un endomorphisme TL(E)T \in \mathcal{L}(E) satisfaisant les relations suivantes :

T(x)=y,T(y)=zetT(z)=x+yT(x) = y,   T(y) = z   \text{et}   T(z) = x + y

Démontrer que la famille (x,y,z)(x, y, z) est libre dans EE.

1.

Exprimer les vecteurs yy et zz comme des images de xx par des puissances de TT.

2.

Identifier un polynôme PQ[X]P \in \mathbb{Q}[X] de degré 3 tel que P(T)(x)=0P(T)(x) = 0.

3.

Étudier l'existence de racines rationnelles pour ce polynôme afin d'en déduire son irréductibilité sur Q\mathbb{Q}.

4.

Utiliser la notion de polynôme minimal d'un vecteur ou raisonner par l'absurde en considérant une relation de dépendance linéaire.

Idées clés

Utilisation de l'endomorphisme pour lier les vecteurs à un polynôme annulateur.

Critère d'irréductibilité des polynômes de degré 3 sur Q\mathbb{Q}.

Lien entre liberté d'une famille de Krylov (x,T(x),,Tn1(x))(x, T(x), \dots, T^{n-1}(x)) et degré du polynôme minimal local.

Résolution.

1. Identification d'un polynôme annulateur local

D'après les relations de l'énoncé, nous pouvons exprimer yy et zz en fonction des puissances successives de TT appliquées au vecteur xx :

y=T(x)etz=T(y)=T2(x)y = T(x)   \text{et}   z = T(y) = T^2(x)

La troisième relation devient alors :

T(z)=x+y    T(T2(x))=x+T(x)    T3(x)T(x)x=0T(z) = x + y \iff T(T^2(x)) = x + T(x) \iff T^3(x) - T(x) - x = 0

Soit PP le polynôme de Q[X]\mathbb{Q}[X] défini par :

P(X)=X3X1\boxed{P(X) = X^3 - X - 1}

L'égalité précédente s'écrit alors :

P(T)(x)=0E\boxed{P(T)(x) = 0_E}

2. Étude de l'irréductibilité de PP sur Q\mathbb{Q}

Le polynôme PP est de degré 3. Pour démontrer qu'il est irréductible sur Q\mathbb{Q}, il suffit de vérifier qu'il ne possède aucune racine rationnelle.

Soit r=abr = \frac{a}{b} une racine de PP avec aZ,bNa \in \mathbb{Z}, b \in \mathbb{N}^* et ab=1a \wedge b = 1. En substituant dans P(r)=0P(r) = 0, nous obtenons :

(ab)3ab1=0    a3ab2b3=0\left(\frac{a}{b}\right)^3 - \frac{a}{b} - 1 = 0 \iff a^3 - ab^2 - b^3 = 0

On en déduit que :

  • a3=b2(a+b)a^3 = b^2(a+b), donc bb divise a3a^3. Comme ab=1a \wedge b = 1, on a b=1b=1.
  • b3=a(a2b2)b^3 = a(a^2-b^2), donc aa divise b3b^3. Comme ab=1a \wedge b = 1, on a a{1,1}a \in \{1, -1\}.

Les seules racines rationnelles possibles sont donc 11 et 1-1. Or :

P(1)=1311=10etP(1)=(1)3(1)1=10P(1) = 1^3 - 1 - 1 = -1 \neq 0   \text{et}   P(-1) = (-1)^3 - (-1) - 1 = -1 \neq 0

Le polynôme PP n'a pas de racine dans Q\mathbb{Q}. Étant de degré 3, il est donc irréductible sur Q\mathbb{Q}.

3. Preuve de la liberté de la famille

Supposons que la famille (x,y,z)(x, y, z) soit liée. Comme x0x \neq 0, il existe un polynôme QQ[X]Q \in \mathbb{Q}[X] non nul, de degré au plus 2, tel que :

Q(T)(x)=0EQ(T)(x) = 0_E

Considérons l'ensemble Ix={AQ[X]A(T)(x)=0E}I_x = \{ A \in \mathbb{Q}[X] \mid A(T)(x) = 0_E \}. C'est un idéal de Q[X]\mathbb{Q}[X], qui est principal. Il existe donc un unique polynôme unitaire MxM_x, appelé polynôme minimal de xx sous l'action de TT, tel que Ix=(Mx)I_x = (M_x).

D'après la question 1, PIxP \in I_x, donc MxM_x divise PP.

Or, PP est irréductible sur Q\mathbb{Q} et x0x \neq 0 (donc Mx1M_x \neq 1). On en déduit que :

Mx=P\boxed{M_x = P}

Comme QIxQ \in I_x, QQ est un multiple de PP. Or deg(Q)2\deg(Q) \leq 2 et deg(P)=3\deg(P) = 3. La seule possibilité est :

Q=0Q = 0

Cela contredit l'existence d'une relation de dépendance linéaire non triviale.

La famille (x,y,z) est donc libre.\boxed{\text{La famille } (x, y, z) \text{ est donc libre.}}

L'irréductibilité dépend crucialement du corps de base. Le polynôme P(X)=X3X1P(X) = X^3 - X - 1 possède une racine réelle (environ 1,321{,}32), donc si l'espace vectoriel était sur R\mathbb{R}, on pourrait trouver un vecteur xx tel que T(x)=λxT(x) = \lambda x, rendant la famille liée.