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Endomorphismes nilpotents à sous-espaces stables supplémentables

Soit EE un espace vectoriel de dimension finie sur un corps K\mathbb{K}.

On considère un endomorphisme nilpotent uL(E)u \in \mathcal{L}(E).

Déterminer tous les endomorphismes uu tels que tout sous-espace vectoriel de EE stable par uu possède un supplémentaire dans EE également stable par uu.

1.

Commencer par tester l'endomorphisme nul.

2.

Raisonner par l'absurde en supposant u0u \neq 0.

3.

Utiliser l'indice de nilpotence pp de uu, c'est-à-dire le plus petit entier p1p \geq 1 tel que up=0u^p = 0.

4.

Si p2p \geq 2, considérer un vecteur xx tel que up1(x)0u^{p-1}(x) \neq 0 et étudier le sous-espace stable engendré par ce vecteur (ou une partie de celui-ci).

Idées clés

Définition de la stabilité : u(F)Fu(F) \subset F.

Propriétés de l'indice de nilpotence pp.

Exploitation d'une décomposition en somme directe E=FGE = F \oplus G par l'image d'un vecteur bien choisi.

Résolution.

Considérons d'abord le cas où uu est l'endomorphisme nul.

Si u=0u = 0, alors tout sous-espace vectoriel FF de EE est stable par uu puisque u(F)={0}Fu(F) = \{0\} \subset F.

Dans un espace de dimension finie, tout sous-espace FF admet un supplémentaire GG. Ce supplémentaire GG est alors lui aussi stable par u=0u=0.

Par conséquent, u=0u=0 est une solution du problème.

u=0 est solution.\boxed{u = 0 \text{ est solution.}}

Supposons maintenant que uu est un endomorphisme nilpotent non nul. Soit pp son indice de nilpotence.

Comme u0u \neq 0, on a p2p \geq 2.

Par définition de l'indice de nilpotence, il existe un vecteur xEx \in E tel que :

up1(x)0etup(x)=0u^{p-1}(x) \neq 0   \text{et}   u^p(x) = 0

Posons FF la droite vectorielle engendrée par le vecteur up1(x)u^{p-1}(x) :

F=Vect(up1(x))F = \text{Vect}\left( u^{p-1}(x) \right)

Le sous-espace FF est stable par uu car :

u(up1(x))=up(x)=0Fu\left( u^{p-1}(x) \right) = u^p(x) = 0 \in F

Par hypothèse, il existe un sous-espace GG de EE, stable par uu, tel que :

E=FGE = F \oplus G

Décomposons alors le vecteur xx selon cette somme directe. Il existe un scalaire λK\lambda \in \mathbb{K} et un vecteur gGg \in G tels que :

x=λup1(x)+gx = \lambda u^{p-1}(x) + g

Appliquons l'endomorphisme up1u^{p-1} à cette égalité. Par linéarité, nous obtenons :

up1(x)=λu2p2(x)+up1(g)u^{p-1}(x) = \lambda u^{2p-2}(x) + u^{p-1}(g)

Or, comme p2p \geq 2, on a l'inégalité 2p2=p+(p2)p2p - 2 = p + (p-2) \geq p.

Puisque up=0u^p = 0, toutes les puissances de uu supérieures ou égales à pp sont nulles. Ainsi :

u2p2(x)=0u^{2p-2}(x) = 0

L'égalité se simplifie donc en :

up1(x)=up1(g)u^{p-1}(x) = u^{p-1}(g)

Comme GG est stable par uu, il est également stable par toutes les puissances de uu. Ainsi, gGg \in G implique up1(g)Gu^{p-1}(g) \in G.

On en déduit que :

up1(x)Gu^{p-1}(x) \in G

Or, par définition, up1(x)u^{p-1}(x) appartient aussi à FF. Donc :

up1(x)FGu^{p-1}(x) \in F \cap G

Puisque FF et GG sont en somme directe, leur intersection est réduite au vecteur nul :

up1(x)=0u^{p-1}(x) = 0

Ceci contredit le choix de xx tel que up1(x)0u^{p-1}(x) \neq 0.

L'hypothèse u0u \neq 0 est donc absurde.

L’unique endomorphisme reˊpondant aˋ la question est l’endomorphisme nul.\boxed{\text{L'unique endomorphisme répondant à la question est l'endomorphisme nul.}}

L'erreur classique consiste à oublier de traiter le cas p=1p=1 séparément ou à ne pas voir que u2p2u^{2p-2} s'annule dès que p2p \geq 2. Il est crucial de bien utiliser le fait que xx n'est pas forcément dans FF ou GG au départ, mais que sa composante sur FF disparaît sous l'effet de up1u^{p-1}.