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Soit EE un espace vectoriel de dimension nn sur K=CK = \mathbb{C}. Soit u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E). On suppose que pour tout x∈Ex \in E, la famille (x,u(x),u2(x))(x, u(x), u^2(x)) est liée.

Montrer qu'il existe un polynôme de degré au plus 2 qui annule uu.

1.

Noter μu,x\mu_{u,x} le polynôme minimal local en xx. L'hypothèse dit que ∀x,deg⁡μu,x≤2\forall x, \deg \mu_{u,x} \leq 2.

2.

Utiliser le fait qu'il existe un vecteur ee tel que μu,e=μu\mu_{u,e} = \mu_u si le polynôme minimal est une puissance d'un irréductible, ou généraliser.

Idées clés

•

Relation entre polynôme minimal local et global.

•

Existence d'un vecteur dont le polynôme minimal local est le polynôme minimal global.

Résolution.

Soit μu\mu_u le polynôme minimal de uu. On sait qu'il existe un vecteur e∈Ee \in E tel que le polynôme minimal local en ee, noté μu,e\mu_{u,e}, soit égal à μu\mu_u.

Preuve rapide de ce résultat : Soit μu=P1α1…Prαr\mu_u = P_1^{\alpha_1} \dots P_r^{\alpha_r} la décomposition en facteurs irréductibles. D'après le lemme des noyaux, E=⨁ker⁡Piαi(u)E = \bigoplus \ker P_i^{\alpha_i}(u).

Dans chaque Ei=ker⁡Piαi(u)E_i = \ker P_i^{\alpha_i}(u), il existe un vecteur xix_i tel que μu,xi=Piαi\mu_{u,x_i} = P_i^{\alpha_i} (sinon Piαi−1P_i^{\alpha_i-1} annulerait EiE_i, contredisant la définition du minimal).

En posant e=x1+⋯+xre = x_1 + \dots + x_r, par l'indépendance des noyaux, on a :

μu,e=ppcm⁡(μu,x1,…,μu,xr)=∏Piαi=μu\mu_{u,e} = \operatorname{ppcm}(\mu_{u,x_1}, \dots, \mu_{u,x_r}) = \prod P_i^{\alpha_i} = \mu_u

Revenons à l'exercice. L'hypothèse stipule que pour tout x∈Ex \in E, dim⁡Vect⁡(x,u(x),u2(x))≤2\dim \operatorname{Vect}(x, u(x), u^2(x)) \leq 2.

Cela signifie que le polynôme minimal local μu,x\mu_{u,x} est de degré au plus 2.

D'après le résultat rappelé ci-dessus, il existe e∈Ee \in E tel que :

μu=μu,e\mu_u = \mu_{u,e}

Comme deg⁡μu,e≤2\deg \mu_{u,e} \leq 2 par hypothèse, on en déduit immédiatement :

deg⁡μu≤2\boxed{\deg \mu_u \leq 2}

Il existe donc des scalaires (a,b,c)(a, b, c) non tous nuls tels que au2+bu+cid⁡E=0au^2 + bu + c \operatorname{id}_E = 0.

On ne peut pas juste dire "on prend xx tel que μu,x=μu\mu_{u,x} = \mu_u" sans l'avoir justifié ou au moins cité comme un théorème du cours (théorème de l'élément cyclique local).