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Sous-espace engendré par les matrices de carré nul

Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et K\mathbb{K} un corps de caractéristique nulle (par exemple R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}). On s'intéresse à l'ensemble N2\mathcal{N}_2 des matrices de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) dont le carré est nul :

N2={M∈Mn(K)∣M2=0}\mathcal{N}_2 = \left\{ M \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) \mid M^2 = 0 \right\}

Déterminer le sous-espace vectoriel de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) engendré par N2\mathcal{N}_2.

1.

Commencer par traiter le cas n=1n=1.

2.

Pour n≥2n \geq 2, observer le lien entre la nilpotence et la trace d'une matrice.

3.

Utiliser la base canonique (Ei,j)1≤i,j≤n(E_{i,j})_{1 \leq i,j \leq n} de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) pour construire des éléments de Vect(N2)\text{Vect}(\mathcal{N}_2).

4.

Montrer que toute matrice de trace nulle appartient à l'espace engendré.

Idées clés

•

Inclusion directe via la linéarité de la trace et les propriétés des matrices nilpotentes.

•

Inclusion réciproque par construction d'une base de l'hyperplan des matrices de trace nulle.

Résolution.

  1. Cas n=1n=1 : Une matrice M=(x)∈M1(K)M = (x) \in \mathcal{M}_1(\mathbb{K}) vérifie M2=0M^2 = 0 si et seulement si x2=0x^2 = 0, soit x=0x=0. Ainsi, N2={0}\mathcal{N}_2 = \{0\} et le sous-espace engendré est réduit au singleton nul.
    Vect(N2)={0}\boxed{ \text{Vect}(\mathcal{N}_2) = \{0\} }

  2. Cas n≥2n \geq 2 : Soit M∈N2M \in \mathcal{N}_2. Comme M2=0M^2 = 0, MM est nilpotente. Ses valeurs propres (dans une clôture algébrique de K\mathbb{K}) sont toutes nulles. Par conséquent, sa trace est nulle : Tr(M)=0\text{Tr}(M) = 0. Comme l'application trace est une forme linéaire sur Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}), le sous-espace vectoriel engendré par N2\mathcal{N}_2 est inclus dans le noyau de la trace :
    Vect(N2)⊆ker(Tr)\text{Vect}(\mathcal{N}_2) \subseteq \text{ker}(\text{Tr})

    Montrons l'inclusion réciproque. On sait que ker(Tr)\text{ker}(\text{Tr}) est un hyperplan de Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}), de dimension n2−1n^2 - 1. Une base classique de cet hyperplan est constituée des matrices :

    • Ei,jE_{i,j} pour i≠ji \neq j (au nombre de n2−nn^2 - n).
    • Hi=Ei,i−Ei+1,i+1H_i = E_{i,i} - E_{i+1,i+1} pour 1≤i≤n−11 \leq i \leq n-1 (au nombre de n−1n-1).

    Analyse des matrices Ei,jE_{i,j (i≠ji \neq j) :} Pour tout i≠ji \neq j, on a (Ei,j)2=δj,iEi,j=0(E_{i,j})^2 = \delta_{j,i} E_{i,j} = 0. Donc Ei,j∈N2E_{i,j} \in \mathcal{N}_2, d'où Ei,j∈Vect(N2)E_{i,j} \in \text{Vect}(\mathcal{N}_2). Analyse des matrices HiH_i : Soit i∈{1,…,n−1}i \in \{1, \dots, n-1\}. Considérons les matrices suivantes :

    Ai=Ei,i+Ei,i+1−Ei+1,i−Ei+1,i+1A_i = E_{i,i} + E_{i,i+1} - E_{i+1,i} - E_{i+1,i+1}
    Bi=Ei,i−Ei,i+1+Ei+1,i−Ei+1,i+1B_i = E_{i,i} - E_{i,i+1} + E_{i+1,i} - E_{i+1,i+1}
    Calculons Ai2A_i^2 en utilisant les relations Ea,bEc,d=δb,cEa,dE_{a,b}E_{c,d} = \delta_{b,c}E_{a,d} :
    Ai2=(Ei,i+Ei,i+1)−(Ei,i+Ei,i+1)−(Ei+1,i+Ei+1,i+1)+(Ei+1,i+Ei+1,i+1)=0A_i^2 = (E_{i,i} + E_{i,i+1}) - (E_{i,i} + E_{i,i+1}) - (E_{i+1,i} + E_{i+1,i+1}) + (E_{i+1,i} + E_{i+1,i+1}) = 0
    De même, on vérifie que Bi2=0B_i^2 = 0. Ainsi, AiA_i et BiB_i appartiennent à N2\mathcal{N}_2. Or, on remarque que :
    Ai+Bi=2(Ei,i−Ei+1,i+1)=2HiA_i + B_i = 2(E_{i,i} - E_{i+1,i+1}) = 2 H_i
    Comme la caractéristique du corps est différente de 2, on en déduit :
    Hi=12(Ai+Bi)∈Vect(N2)H_i = \frac{1}{2}(A_i + B_i) \in \text{Vect}(\mathcal{N}_2)
    Conclusion : Tous les éléments d'une base de ker(Tr)\text{ker}(\text{Tr}) appartiennent à Vect(N2)\text{Vect}(\mathcal{N}_2). Par conséquent, ker(Tr)⊆Vect(N2)\text{ker}(\text{Tr}) \subseteq \text{Vect}(\mathcal{N}_2). Finalement, pour n≥2n \geq 2 :
    Vect(N2)=ker(Tr)\boxed{ \text{Vect}(\mathcal{N}_2) = \text{ker}(\text{Tr}) }

Ne pas oublier le cas n=1n=1. Même si le résultat final ker(Tr)\text{ker}(\text{Tr}) reste formellement vrai car la trace est l'identité en dimension 1, la structure du raisonnement sur la base de l'hyperplan nécessite n≥2n \geq 2.