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On se place dans l'espace vectoriel M2(C)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{C}).

  1. Soit HH un hyperplan de M2(C)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{C}). Démontrer que HH contient au moins une matrice nilpotente non nulle.
  2. Soient AA et BB deux matrices de M2(C)\mathcal{M}_{2}(\mathbb{C}). On suppose que toute combinaison linéaire de AA et BB est une matrice diagonalizable.
    1. Montrer que la famille (I2,A,B)(I_{2}, A, B) est liée.
    2. En déduire que les matrices AA et BB commutent.

1.

Pour la question 1, caractériser les matrices nilpotentes de M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}) à l'aide de la trace et du déterminant. Utiliser ensuite la structure des formes quadratiques sur un espace de dimension 2 sur C\mathbb{C}.

2.

Pour la question 2.(a), raisonner par l'absurde en supposant la famille libre. L'espace engendré serait alors un hyperplan.

3.

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.

Idées clés

Caractérisation des nilpotents : MM2(C)M \in \mathcal{M}_2(\mathbb{C}) est nilpotente si et seulement si Tr(M)=0\text{Tr}(M) = 0 et det(M)=0\det(M) = 0.

Un hyperplan est le noyau d'une forme linéaire non nulle.

Sur C\mathbb{C}, toute forme quadratique sur un espace de dimension 2\geq 2 possède un vecteur isotrope non nul.

Résolution.

  1. Soit V={MM2(C)Tr(M)=0}V = \{ M \in \mathcal{M}_2(\mathbb{C}) \mid \text{Tr}(M) = 0 \} le sous-espace des matrices de trace nulle. On sait que :
    dim(V)=221=3\dim(V) = 2^2 - 1 = 3
    Soit ϕ\phi une forme linéaire non nulle telle que H=kerϕH = \ker \phi. Considérons la restriction de ϕ\phi à VV, notée ϕV\phi_{|V}. Premier cas : ϕV\phi_{|V} est la forme nulle. Alors VHV \subset H. Or VV contient des matrices nilpotentes non nulles, par exemple E12=(0100)E_{12} = \begin{pmatrix} 0 & 1
    0 & 0 \end{pmatrix}
    . Dans ce cas, HH contient bien une matrice nilpotente non nulle. Second cas : ϕV\phi_{|V} n'est pas nulle. Alors ker(ϕV)=HV\ker(\phi_{|V}) = H \cap V est un sous-espace de VV de dimension :
    dim(HV)=dim(V)1=2\dim(H \cap V) = \dim(V) - 1 = 2
    Soit (M1,M2)(M_1, M_2) une base de HVH \cap V. Une matrice MHVM \in H \cap V s'écrit M=xM1+yM2M = xM_1 + yM_2 avec (x,y)C2(x,y) \in \mathbb{C}^2. Puisque MVM \in V, MM est nilpotente si et seulement si det(M)=0\det(M) = 0. L'application q:(x,y)det(xM1+yM2)q : (x,y) \mapsto \det(xM_1 + yM_2) est une forme quadratique sur C2\mathbb{C}^2. En écrivant explicitement M=(a(x,y)b(x,y)c(x,y)a(x,y))M = \begin{pmatrix} a(x,y) & b(x,y)
    c(x,y) & -a(x,y) \end{pmatrix}
    , on a :
    q(x,y)=a(x,y)2b(x,y)c(x,y)q(x,y) = -a(x,y)^2 - b(x,y)c(x,y)
    C'est un polynôme homogène de degré 2 en xx et yy, de la forme αx2+βxy+γy2\alpha x^2 + \beta xy + \gamma y^2. Sur C\mathbb{C}, un tel polynôme admet toujours une racine (x0,y0)(0,0)(x_0, y_0) \neq (0,0) d'après le théorème fondamental de l'algèbre (en fixant y=1y=1 ou x=1x=1). Il existe donc M0=x0M1+y0M2HVM_0 = x_0 M_1 + y_0 M_2 \in H \cap V telle que M00M_0 \neq 0 et det(M0)=0\det(M_0) = 0. Comme Tr(M0)=0\text{Tr}(M_0) = 0, on en déduit :
    M0 est une matrice nilpotente non nulle appartenant aˋ H\boxed{M_0 \text{ est une matrice nilpotente non nulle appartenant à } H}

    1. Supposons par l'absurde que la famille (I2,A,B)(I_2, A, B) soit libre. Alors W=Vect(I2,A,B)W = \text{Vect}(I_2, A, B) est un sous-espace vectoriel de M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}) de dimension 3. C'est donc un hyperplan de M2(C)\mathcal{M}_2(\mathbb{C}). D'après la question 1, il existe une matrice NWN \in W telle que NN soit nilpotente et N0N \neq 0. Or, par hypothèse, toute combinaison linéaire de AA et BB est diagonalizable. Soit M=λA+μB+νI2WM = \lambda A + \mu B + \nu I_2 \in W. MM est diagonalizable car elle est la somme d'une matrice diagonalizable (λA+μB\lambda A + \mu B) et d'une matrice qui commute avec elle (νI2\nu I_2). Ainsi, NN est à la fois nilpotente et diagonalizable. Le seul endomorphisme à la fois nilpotent et diagonalizable est l'endomorphisme nul. D'où N=0N = 0, ce qui contredit N0N \neq 0. Par conséquent :
      (I2,A,B) est lieˊe\boxed{(I_2, A, B) \text{ est liée}}
    2. Puisque la famille est liée, il existe (α,β,γ)C3{(0,0,0)}(\alpha, \beta, \gamma) \in \mathbb{C}^3 \setminus \{(0,0,0)\} tel que :
      αI2+βA+γB=0\alpha I_2 + \beta A + \gamma B = 0
      Si β=γ=0\beta = \gamma = 0, alors αI2=0\alpha I_2 = 0, donc α=0\alpha = 0, ce qui est exclu. On peut donc supposer, par exemple, que β0\beta \neq 0. Alors :
      A=αβI2γβBA = -\frac{\alpha}{\beta} I_2 - \frac{\gamma}{\beta} B
      On calcule alors le produit ABAB :
      AB=(αβI2γβB)B=αβBγβB2AB = \left( -\frac{\alpha}{\beta} I_2 - \frac{\gamma}{\beta} B \right) B = -\frac{\alpha}{\beta} B - \frac{\gamma}{\beta} B^2
      Et le produit BABA :
      BA=B(αβI2γβB)=αβBγβB2BA = B \left( -\frac{\alpha}{\beta} I_2 - \frac{\gamma}{\beta} B \right) = -\frac{\alpha}{\beta} B - \frac{\gamma}{\beta} B^2
      On constate que AB=BAAB = BA. Le raisonnement est identique si γ0\gamma \neq 0. On conclut :
      A et B commutent\boxed{A \text{ et } B \text{ commutent}}

Attention à ne pas oublier le cas où l'on travaille sur R\mathbb{R}. Sur R\mathbb{R}, une forme quadratique peut ne pas avoir de vecteur isotrope non nul (exemple : x2+y2=0    x=y=0x^2 + y^2 = 0 \implies x=y=0). L'hypothèse que le corps de base est C\mathbb{C} est ici cruciale pour l'existence de la matrice nilpotente.