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Soit EE un espace vectoriel sur C\mathbb{C} de dimension n≥1n \geq 1. On considère u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) et on suppose qu'il existe un vecteur x∈Ex \in E tel que la famille B=(x,u(x),…,un−1(x))\mathcal{B} = (x, u(x), \dots, u^{n-1}(x)) forme une base de EE.

  1. On suppose dans cette question que uu est nilpotent. Soit P∈C[X]P \in \mathbb{C}[X] un polynôme unitaire de degré nn. Montrer qu'il existe une forme linéaire ϕ∈E∗\phi \in E^* telle que le polynôme caractéristique de l'endomorphisme v=u+x⊗ϕv = u + x \otimes \phi soit égal à PP. Note : x⊗ϕx \otimes \phi désigne l'endomorphisme z↦ϕ(z)xz \mapsto \phi(z)x.

  2. Montrer que le résultat de la question précédente reste vrai si l'on ne suppose plus uu nilpotent.

1.

Exprimer la matrice de uu dans la base B\mathcal{B}. Remarquer que si uu est nilpotent, u(un−1(x))=0u(u^{n-1}(x)) = 0.

2.

Déterminer la structure de la matrice de x⊗ϕx \otimes \phi dans cette même base.

3.

Calculer le polynôme caractéristique de v=u+x⊗ϕv = u + x \otimes \phi par un développement par rapport à la première ligne ou par linéarité du déterminant.

4.

Pour le cas général, utiliser la même base et observer l'influence des coefficients de ϕ\phi sur ceux du polynôme caractéristique.

Idées clés

•

Utilisation de la structure des endomorphismes cycliques (matrices compagnons).

•

Modification d'une ligne d'une matrice par une perturbation de rang 1.

•

Propriété de linéarité du déterminant par rapport aux lignes.

Résolution.

  1. Cas où uu est nilpotent. Puisque uu est nilpotent et que (x,u(x),…,un−1(x))(x, u(x), \dots, u^{n-1}(x)) est une base, on a nécessairement un(x)=0u^n(x) = 0. En effet, l'indice de nilpotence de uu est alors nn. Posons ei=ui−1(x)e_i = u^{i-1}(x) pour i∈{1,…,n}i \in \{1, \dots, n\}. La matrice de uu dans la base B=(e1,…,en)\mathcal{B} = (e_1, \dots, e_n) est :
    Mu=(00…010…001⋱⋮⋮⋱⋱0)M_u = \begin{pmatrix} 0 & 0 & \dots & 0
    1 & 0 & \dots & 0
    0 & 1 & \ddots & \vdots
    \vdots & \ddots & \ddots & 0 \end{pmatrix}
    Soit ϕ∈E∗\phi \in E^*. On définit les scalaires αi=ϕ(ei)\alpha_i = \phi(e_i). L'endomorphisme w=x⊗ϕw = x \otimes \phi est défini par w(z)=ϕ(z)e1w(z) = \phi(z)e_1. Sa matrice dans B\mathcal{B} est :
    Mw=(α1α2…αn00…0⋮⋮⋱⋮00…0)M_w = \begin{pmatrix} \alpha_1 & \alpha_2 & \dots & \alpha_n
    0 & 0 & \dots & 0
    \vdots & \vdots & \ddots & \vdots
    0 & 0 & \dots & 0 \end{pmatrix}
    Alors la matrice de v=u+wv = u + w dans B\mathcal{B} est :
    Mv=Mu+Mw=(α1α2…αn−1αn10…0001⋱⋮⋮⋮⋱⋱000…010)M_v = M_u + M_w = \begin{pmatrix} \alpha_1 & \alpha_2 & \dots & \alpha_{n-1} & \alpha_n
    1 & 0 & \dots & 0 & 0
    0 & 1 & \ddots & \vdots & \vdots
    \vdots & \ddots & \ddots & 0 & 0
    0 & \dots & 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}
    Le polynôme caractéristique de vv est χv(X)=det⁡(XIn−Mv)\chi_v(X) = \det(XI_n - M_v). En développant ce déterminant (par exemple par rapport à la première ligne ou en reconnaissant une matrice compagnon transposée), on obtient :
    χv(X)=Xn−α1Xn−1−α2Xn−2−⋯−αn\boxed{\chi_v(X) = X^n - \alpha_1 X^{n-1} - \alpha_2 X^{n-2} - \dots - \alpha_n}
    Soit P=Xn+an−1Xn−1+⋯+a0P = X^n + a_{n-1}X^{n-1} + \dots + a_0 le polynôme cible. Il suffit de choisir :
    ∀i∈{1,…,n},αi=−an−i\forall i \in \{1, \dots, n\},   \alpha_i = -a_{n-i}
    Ceci définit de manière unique la forme linéaire ϕ\phi par ses valeurs sur la base B\mathcal{B}.

  2. Cas général. Si uu n'est pas nilpotent, u(en)=un(x)u(e_n) = u^n(x) s'exprime dans la base B\mathcal{B} :
    u(en)=∑j=1nγjeju(e_n) = \sum_{j=1}^n \gamma_j e_j
    La matrice de uu dans B\mathcal{B} devient :
    Mu=(0…0γ11…0γ2⋮⋱⋮⋮0…1γn)M_u = \begin{pmatrix} 0 & \dots & 0 & \gamma_1
    1 & \dots & 0 & \gamma_2
    \vdots & \ddots & \vdots & \vdots
    0 & \dots & 1 & \gamma_n \end{pmatrix}
    En ajoutant w=x⊗ϕw = x \otimes \phi, seule la première ligne de la matrice est modifiée :
    Mv=(α1α2…αn+γ110…γ2⋮⋱⋱⋮0…1γn)M_v = \begin{pmatrix} \alpha_1 & \alpha_2 & \dots & \alpha_n + \gamma_1
    1 & 0 & \dots & \gamma_2
    \vdots & \ddots & \ddots & \vdots
    0 & \dots & 1 & \gamma_n \end{pmatrix}
    Notons L1,…,LnL_1, \dots, L_n les lignes de la matrice A=XIn−MvA = XI_n - M_v. On a :
    L1=(X−α1,−α2,…,−αn−γ1)L_1 = (X-\alpha_1, -\alpha_2, \dots, -\alpha_n - \gamma_1)
    Par linéarité du déterminant par rapport à la première ligne, on peut séparer l'influence des αi\alpha_i :
    χv(X)=det⁡(X0…−γ1−1X…−γ2⋮⋱⋱⋮0…−1X−γn)−det⁡(α1α2…αn−1X…0⋮⋱⋱⋮0…−1X)\chi_v(X) = \det \begin{pmatrix} X & 0 & \dots & -\gamma_1
    -1 & X & \dots & -\gamma_2
    \vdots & \ddots & \ddots & \vdots
    0 & \dots & -1 & X-\gamma_n \end{pmatrix} - \det \begin{pmatrix} \alpha_1 & \alpha_2 & \dots & \alpha_n
    -1 & X & \dots & 0
    \vdots & \ddots & \ddots & \vdots
    0 & \dots & -1 & X \end{pmatrix}
    Le premier terme est χu(X)\chi_u(X). Le second terme est, d'après le calcul de la question 1, le polynôme Q(X)=α1Xn−1+⋯+αnQ(X) = \alpha_1 X^{n-1} + \dots + \alpha_n. On a donc :
    χv(X)=χu(X)−(α1Xn−1+α2Xn−2+⋯+αn)\boxed{\chi_v(X) = \chi_u(X) - (\alpha_1 X^{n-1} + \alpha_2 X^{n-2} + \dots + \alpha_n)}
    Soit PP un polynôme unitaire de degré nn. Posons R(X)=χu(X)−P(X)R(X) = \chi_u(X) - P(X). Puisque χu\chi_u et PP sont unitaires de degré nn, RR est un polynôme de degré au plus n−1n-1. On peut donc écrire R(X)=∑i=1nβiXn−iR(X) = \sum_{i=1}^n \beta_i X^{n-i}. Il suffit alors de choisir ϕ\phi telle que αi=βi\alpha_i = \beta_i pour tout ii pour obtenir :
    χv=χu−R=P\boxed{\chi_v = \chi_u - R = P}

Ne pas oublier que la famille (x,u(x),…,un−1(x))(x, u(x), \dots, u^{n-1}(x)) n'est pas toujours une base. Cette propriété définit les endomorphismes dits "cycliques". Si uu n'est pas cyclique, le résultat n'est plus garanti pour n'importe quel xx.