Soit un espace vectoriel de dimension finie sur un corps .
On considère un endomorphisme nilpotent .
Déterminer tous les endomorphismes tels que tout sous-espace vectoriel de stable par possède un supplémentaire dans également stable par .
Commencer par tester l'endomorphisme nul.
Raisonner par l'absurde en supposant .
Utiliser l'indice de nilpotence de , c'est-à-dire le plus petit entier tel que .
Si , considérer un vecteur tel que et étudier le sous-espace stable engendré par ce vecteur (ou une partie de celui-ci).
Définition de la stabilité : .
Propriétés de l'indice de nilpotence .
Exploitation d'une décomposition en somme directe par l'image d'un vecteur bien choisi.
Résolution.
Considérons d'abord le cas où est l'endomorphisme nul.
Si , alors tout sous-espace vectoriel de est stable par puisque .
Dans un espace de dimension finie, tout sous-espace admet un supplémentaire . Ce supplémentaire est alors lui aussi stable par .
Par conséquent, est une solution du problème.
Supposons maintenant que est un endomorphisme nilpotent non nul. Soit son indice de nilpotence.
Comme , on a .
Par définition de l'indice de nilpotence, il existe un vecteur tel que :
Posons la droite vectorielle engendrée par le vecteur :
Le sous-espace est stable par car :
Par hypothèse, il existe un sous-espace de , stable par , tel que :
Décomposons alors le vecteur selon cette somme directe. Il existe un scalaire et un vecteur tels que :
Appliquons l'endomorphisme à cette égalité. Par linéarité, nous obtenons :
Or, comme , on a l'inégalité .
Puisque , toutes les puissances de supérieures ou égales à sont nulles. Ainsi :
L'égalité se simplifie donc en :
Comme est stable par , il est également stable par toutes les puissances de . Ainsi, implique .
On en déduit que :
Or, par définition, appartient aussi à . Donc :
Puisque et sont en somme directe, leur intersection est réduite au vecteur nul :
Ceci contredit le choix de tel que .
L'hypothèse est donc absurde.
L'erreur classique consiste à oublier de traiter le cas séparément ou à ne pas voir que s'annule dès que . Il est crucial de bien utiliser le fait que n'est pas forcément dans ou au départ, mais que sa composante sur disparaît sous l'effet de .