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Soient EE un espace vectoriel de dimension finie sur un corps K\mathbb{K} (où K=R\mathbb{K} = \mathbb{R} ou C\mathbb{C}). On considère trois endomorphismes f,u,v∈L(E)f, u, v \in \mathcal{L}(E) ainsi que deux scalaires α,β∈K\alpha, \beta \in \mathbb{K}.

On suppose que pour tout entier i∈{1,2,3}i \in \{1, 2, 3\}, on a la relation :

fi=αiu+βivf^i = \alpha^i u + \beta^i v

  1. Démontrer que l'endomorphisme ff est diagonalisable.
  2. On suppose ici K=R\mathbb{K} = \mathbb{R}. Déterminer l'expression de l'exponentielle de l'endomorphisme efe^f en fonction de idE,u,v,α\text{id}_E, u, v, \alpha et β\beta.

1.

Chercher un polynôme de degré 3 qui annule ff en utilisant les trois relations fournies. On pourra s'inspirer de la forme des relations pour tester le polynôme P(X)=X(X−α)(X−β)P(X) = X(X-\alpha)(X-\beta).

2.

Distinguer les cas où les racines α,β\alpha, \beta et 00 sont distinctes ou confondues pour conclure sur la diagonalisabilité via le polynôme minimal.

3.

Pour le calcul de efe^f, établir par récurrence une formule générale pour fkf^k pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^* en utilisant la relation de récurrence linéaire satisfaite par les puissances de ff.

Idées clés

•

Recherche d'un polynôme annulateur scindé à racines simples.

•

Utilisation d'une relation de récurrence linéaire pour généraliser les puissances de ff.

•

Définition de l'exponentielle d'un endomorphisme par sa série entière.

Résolution.

  1. Étude de la diagonalisabilité de ff :

    Considérons le polynôme P(X)=X(X−α)(X−β)P(X) = X(X-\alpha)(X-\beta). Développons-le :

    P(X)=X3−(α+β)X2+αβXP(X) = X^3 - (\alpha+\beta)X^2 + \alpha\beta X

    Calculons l'image de ff par ce polynôme en utilisant les hypothèses de l'énoncé :

    P(f)=f3−(α+β)f2+αβfP(f) = f^3 - (\alpha+\beta)f^2 + \alpha\beta f

    En remplaçant les puissances de ff par les expressions fournies :

    P(f)=(α3u+β3v)−(α+β)(α2u+β2v)+αβ(αu+βv)P(f) = (\alpha^3 u + \beta^3 v) - (\alpha+\beta)(\alpha^2 u + \beta^2 v) + \alpha\beta (\alpha u + \beta v)

    Regroupons les termes en uu et en vv :

    P(f)=(α3−(α+β)α2+α2β)u+(β3−(α+β)β2+αβ2)vP(f) = \left( \alpha^3 - (\alpha+\beta)\alpha^2 + \alpha^2\beta \right) u + \left( \beta^3 - (\alpha+\beta)\beta^2 + \alpha\beta^2 \right) v

    Simplifions les coefficients :

    α3−α3−βα2+α2β=0etβ3−αβ2−β3+αβ2=0\alpha^3 - \alpha^3 - \beta\alpha^2 + \alpha^2\beta = 0   \text{et}   \beta^3 - \alpha\beta^2 - \beta^3 + \alpha\beta^2 = 0

    On en déduit que :

    P(f)=0\boxed{P(f) = 0}

    Le polynôme P(X)=X(X−α)(X−β)P(X) = X(X-\alpha)(X-\beta) est donc un polynôme annulateur de ff. Pour conclure à la diagonalisabilité, nous devons discuter selon les valeurs de α\alpha et β\beta afin de vérifier si ff admet un polynôme annulateur scindé à racines simples.

    • Cas 1 : α,β\alpha, \beta et 00 sont deux à deux distincts. Dans ce cas, PP est un polynôme scindé à racines simples sur K\mathbb{K}. Par conséquent, ff est diagonalisable.

    • Cas 2 : α=β≠0\alpha = \beta \neq 0. Les relations deviennent f=α(u+v)f = \alpha(u+v) et f2=α2(u+v)f^2 = \alpha^2(u+v). On remarque immédiatement que f2=αff^2 = \alpha f, soit f(f−αidE)=0f(f-\alpha \text{id}_E) = 0. Le polynôme X(X−α)X(X-\alpha) est scindé à racines simples (α≠0\alpha \neq 0), donc ff est diagonalisable.

    • Cas 3 : α≠0\alpha \neq 0 et β=0\beta = 0 (ou inversement). Les relations deviennent f=αuf = \alpha u et f2=α2uf^2 = \alpha^2 u. De même, f2=αff^2 = \alpha f, et ff est diagonalisable.

    • Cas 4 : α=β=0\alpha = \beta = 0. On a f=0⋅u+0⋅v=0f = 0 \cdot u + 0 \cdot v = 0. L'endomorphisme nul est trivialement diagonalisable.

    Dans tous les cas possibles, ff est annulé par un polynôme scindé à racines simples.

    f est diagonalisable\boxed{f \text{ est diagonalisable}}

  2. Calcul de l'exponentielle de ff :

    Montrons par récurrence que pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^*, fk=αku+βkvf^k = \alpha^k u + \beta^k v. L'initialisation est donnée pour k=1,2,3k=1, 2, 3. Supposons la propriété vraie aux rangs kk et k+1k+1. Comme P(f)=0P(f)=0, on a la relation de récurrence :

    fk+2=(α+β)fk+1−αβfkf^{k+2} = (\alpha+\beta)f^{k+1} - \alpha\beta f^k

    En utilisant l'hypothèse de récurrence :

    fk+2=(α+β)(αk+1u+βk+1v)−αβ(αku+βkv)f^{k+2} = (\alpha+\beta)(\alpha^{k+1}u + \beta^{k+1}v) - \alpha\beta(\alpha^k u + \beta^k v)
    fk+2=(αk+2+βαk+1−αβαk)u+(βk+2+αβk+1−αββk)vf^{k+2} = (\alpha^{k+2} + \beta\alpha^{k+1} - \alpha\beta\alpha^k)u + (\beta^{k+2} + \alpha\beta^{k+1} - \alpha\beta\beta^k)v
    fk+2=αk+2u+βk+2vf^{k+2} = \alpha^{k+2} u + \beta^{k+2} v
    La formule est donc valable pour tout k≥1k \ge 1. Par définition de l'exponentielle :
    ef=∑k=0∞fkk!=idE+∑k=1∞αku+βkvk!e^f = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{f^k}{k!} = \text{id}_E + \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\alpha^k u + \beta^k v}{k!}

    Par linéarité de la somme (sous réserve de convergence, ce qui est assuré en dimension finie) :

    ef=idE+u(∑k=1∞αkk!)+v(∑k=1∞βkk!)e^f = \text{id}_E + u \left( \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\alpha^k}{k!} \right) + v \left( \sum_{k=1}^{\infty} \frac{\beta^k}{k!} \right)

    On reconnaît les développements en série entière de l'exponentielle usuelles privés de leur premier terme :

    ef=idE+(eα−1)u+(eβ−1)v\boxed{e^f = \text{id}_E + (e^{\alpha} - 1)u + (e^{\beta} - 1)v}

Une erreur classique consiste à affirmer que ff est diagonalisable dès que P(f)=0P(f)=0 sans vérifier si les racines de PP sont simples. Il est impératif de traiter les cas où α=β\alpha = \beta, α=0\alpha = 0 ou β=0\beta = 0 séparément ou de justifier qu'un diviseur de PP à racines simples annule alors ff.