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Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^*. On considère l'espace vectoriel E=Rn[X]E = \mathbb{R}_n[X]. Pour tout polynôme A∈Rn[X]A \in \mathbb{R}_n[X], on définit l'application φA\varphi_{A} par :

∀P∈E,φA(P)=(AP)(n)\forall P \in E,   \varphi_{A}(P) = (A P)^{(n)}
où (AP)(n)(AP)^{(n)} désigne la dérivée nn-ième du produit APAP.

  1. Justifier que φA\varphi_{A} est un endomorphisme de EE.
  2. À quelle condition nécessaire et suffisante sur le polynôme AA l'endomorphisme φA\varphi_{A} est-il diagonalizable ?

1.

Commencer par vérifier que le degré du polynôme image ne dépasse pas nn.

2.

Étudier la matrice de φA\varphi_A dans la base canonique (1,X,…,Xn)(1, X, \dots, X^n).

3.

Distinguer les cas selon le degré de AA : si deg⁡(A)=n\deg(A) = n, s'intéresser aux éléments diagonaux ; si deg⁡(A)<n\deg(A) < n, s'intéresser à la nilpotence.

4.

Utiliser le fait qu'un endomorphisme nilpotent est diagonalizable si et seulement s'il est nul.

Idées clés

•

Stabilité du degré par l'opérateur φA\varphi_A.

•

Structure triangulaire de la matrice de l'endomorphisme dans la base canonique.

•

Caractérisation des endomorphismes nilpotents diagonalisables.

1. Nature de l'application φA\varphi_A.

Soit P∈Rn[X]P \in \mathbb{R}_n[X]. Comme deg⁡(A)≤n\deg(A) \le n et deg⁡(P)≤n\deg(P) \le n, le produit APAP est un polynôme de degré au plus 2n2n.

Par dérivation nn-ième, on obtient :

deg⁡(φA(P))=deg⁡((AP)(n))≤2n−n=n\deg(\varphi_A(P)) = \deg\left( (AP)^{(n)} \right) \le 2n - n = n

L'image de tout polynôme de EE est donc dans EE. La linéarité de la dérivation et de la multiplication par AA assure la linéarité de φA\varphi_A.

φA∈L(Rn[X])\boxed{\varphi_A \in \mathcal{L}(\mathbb{R}_n[X])}

2. Condition de diagonalisabilité.

Soit B=(1,X,…,Xn)\mathcal{B} = (1, X, \dots, X^n) la base canonique de EE. Notons A=∑i=0naiXiA = \sum_{i=0}^n a_i X^i. Pour tout k∈{0,…,n}k \in \{0, \dots, n\}, on calcule φA(Xk)\varphi_A(X^k) :

φA(Xk)=(∑i=0naiXi+k)(n)=∑i=0nai(Xi+k)(n)\varphi_A(X^k) = \left( \sum_{i=0}^n a_i X^{i+k} \right)^{(n)} = \sum_{i=0}^n a_i (X^{i+k})^{(n)}

Le terme (Xi+k)(n)(X^{i+k})^{(n)} est nul si i+k<ni+k < n. Si i+k≥ni+k \ge n, on a :

(Xi+k)(n)=(i+k)!(i+k−n)!Xi+k−n(X^{i+k})^{(n)} = \frac{(i+k)!}{(i+k-n)!} X^{i+k-n}

Cas 1 : deg⁡(A)=n\deg(A) = n.

Supposons an≠0a_n \neq 0. Pour tout k∈{0,…,n}k \in \{0, \dots, n\}, le terme de plus haut degré de φA(Xk)\varphi_A(X^k) est obtenu pour i=ni=n :

φA(Xk)=an(n+k)!k!Xk+∑i=n−kn−1ai(i+k)!(i+k−n)!Xi+k−n\varphi_A(X^k) = a_n \frac{(n+k)!}{k!} X^k + \sum_{i=n-k}^{n-1} a_i \frac{(i+k)!}{(i+k-n)!} X^{i+k-n}

Dans la base B\mathcal{B}, la matrice de φA\varphi_A est donc supérieurement triangulaire. Ses coefficients diagonaux sont :

λk=an(n+k)!k!pour k∈{0,…,n}\lambda_k = a_n \frac{(n+k)!}{k!}   \text{pour } k \in \{0, \dots, n\}

Vérifions si ces valeurs propres sont distinctes. Soit f:k↦(n+k)!k!f : k \mapsto \frac{(n+k)!}{k!}.

f(k+1)f(k)=(n+k+1)!(k+1)!k!(n+k)!=n+k+1k+1>1\frac{f(k+1)}{f(k)} = \frac{(n+k+1)!}{(k+1)!} \frac{k!}{(n+k)!} = \frac{n+k+1}{k+1} > 1

La suite (λk)(\lambda_k) est donc strictement monotone (croissante ou décroissante selon le signe de ana_n). Les n+1n+1 valeurs propres sont distinctes.

Si deg⁡(A)=n,φA est diagonalizable.\boxed{\text{Si } \deg(A) = n, \varphi_A \text{ est diagonalizable.}}

Cas 2 : deg⁡(A)<n\deg(A) < n.

Si d=deg⁡(A)<nd = \deg(A) < n, alors pour tout kk et tout i≤di \le d, le degré de (Xi+k)(n)(X^{i+k})^{(n)} est i+k−n≤d+k−n<ki+k-n \le d+k-n < k. La matrice de φA\varphi_A dans B\mathcal{B} est alors strictement supérieurement triangulaire.

L'unique valeur propre de φA\varphi_A est 00. φA\varphi_A est donc un endomorphisme nilpotent. Un endomorphisme nilpotent est diagonalizable si et seulement s'il est nul.

  • Si A=0A = 0, alors φA=0\varphi_A = 0, qui est trivialement diagonalizable.
  • Si A≠0A \neq 0, soit d=deg⁡(A)∈{0,…,n−1}d = \deg(A) \in \{0, \dots, n-1\}. Considérons P=Xn−d∈EP = X^{n-d} \in E.
    φA(P)=(AXn−d)(n)\varphi_A(P) = (A X^{n-d})^{(n)}
    Le polynôme AXn−dAX^{n-d} est de degré exactement d+(n−d)=nd + (n-d) = n. Sa dérivée nn-ième est donc une constante non nulle (égale à ad⋅n!a_d \cdot n!). Ainsi φA≠0\varphi_A \neq 0.

L'endomorphisme n'est donc pas diagonalizable dans ce sous-cas, sauf si A=0A=0.

Conclusion.

φA est diagonalizable si et seulement si deg⁡(A)=n ou A=0\boxed{\varphi_A \text{ est diagonalizable si et seulement si } \deg(A) = n \text{ ou } A = 0}

Ne pas oublier le cas A=0A=0. Même si le degré de 00 est souvent noté −∞-\infty, l'endomorphisme nul est toujours diagonalizable. Un autre piège est de ne pas justifier que les valeurs propres λk\lambda_k sont distinctes dans le cas deg⁡(A)=n\deg(A)=n.