On se place dans l'espace vectoriel .
Pour la question 1, caractériser les matrices nilpotentes de à l'aide de la trace et du déterminant. Utiliser ensuite la structure des formes quadratiques sur un espace de dimension 2 sur .
Pour la question 2.(a), raisonner par l'absurde en supposant la famille libre. L'espace engendré serait alors un hyperplan.
Pour la question 2.(b), exprimer une matrice en fonction des autres et utiliser le fait que toute matrice commute avec elle-même et avec l'identité.
Caractérisation des nilpotents : est nilpotente si et seulement si et .
Un hyperplan est le noyau d'une forme linéaire non nulle.
Sur , toute forme quadratique sur un espace de dimension possède un vecteur isotrope non nul.
Résolution.
Attention à ne pas oublier le cas où l'on travaille sur . Sur , une forme quadratique peut ne pas avoir de vecteur isotrope non nul (exemple : ). L'hypothèse que le corps de base est est ici cruciale pour l'existence de la matrice nilpotente.