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On considère la matrice de Pascal inférieure M=((i−1j−1))1≤i,j≤n+1∈Mn+1(R)M = \left( \binom{i-1}{j-1} \right)_{1 \leq i, j \leq n+1} \in \mathcal{M}_{n+1}(\mathbb{R}). On rappelle que par convention (nk)=0\binom{n}{k} = 0 si k>nk > n.

  1. La matrice MM est-elle diagonalisable ?
  2. On pose N=M−In+1N = M - I_{n+1}. Déterminer l'indice de nilpotence de NN.
  3. Déterminer explicitement la matrice inverse M−1M^{-1}.

1.

Observer la structure de la matrice (triangulaire) pour identifier ses valeurs propres.

2.

Interpréter MM comme la matrice d'un endomorphisme de Rn[X]\mathbb{R}_n[X] lié à l'opérateur de décalage P(X)↦P(X+1)P(X) \mapsto P(X+1).

3.

Utiliser l'opérateur inverse de décalage P(X)↦P(X−1)P(X) \mapsto P(X-1) pour obtenir M−1M^{-1}.

Idées clés

•

Interprétation polynomiale d'une matrice à coefficients binomiaux.

•

Relation entre l'indice de nilpotence et le degré des polynômes.

•

Utilisation de la formule du binôme de Newton.

Résolution.

  1. Étude de la diagonalisabilité La matrice MM est triangulaire inférieure puisque (i−1j−1)=0\binom{i-1}{j-1} = 0 dès que j−1>i−1j-1 > i-1, c'est-à-dire j>ij > i. Les coefficients diagonaux de MM sont les termes Mi,i=(i−1i−1)=1M_{i,i} = \binom{i-1}{i-1} = 1 pour tout i∈{1,…,n+1}i \in \{1, \dots, n+1\}. Le polynôme caractéristique de MM est donc :
    χM(X)=det⁡(XIn+1−M)=(X−1)n+1\chi_M(X) = \det(X I_{n+1} - M) = (X-1)^{n+1}

    L'unique valeur propre de MM est λ=1\lambda = 1. Si MM était diagonalisable, elle serait semblable à la matrice In+1I_{n+1}, ce qui impliquerait M=In+1M = I_{n+1}. Or, pour n≥1n \geq 1, le coefficient M2,1=(10)=1≠0M_{2,1} = \binom{1}{0} = 1 \neq 0.

    Pour n≥1, M n’est pas diagonalisable.\boxed{\text{Pour } n \geq 1,   M \text{ n'est pas diagonalisable.}}

  2. Indice de nilpotence de N=M−In+1N = M - I_{n+1} Soit E=Rn[X]E = \mathbb{R}_n[X] et B=(1,X,X2,…,Xn)\mathcal{B} = (1, X, X^2, \dots, X^n) la base canonique de EE. Considérons l'endomorphisme Δ:P(X)↦P(X+1)−P(X)\Delta : P(X) \mapsto P(X+1) - P(X). On remarque que pour tout j∈{1,…,n+1}j \in \{1, \dots, n+1\}, l'image de Xj−1X^{j-1} par l'opérateur de translation T:P(X)↦P(X+1)T: P(X) \mapsto P(X+1) est :
    T(Xj−1)=(X+1)j−1=∑k=0j−1(j−1k)XkT(X^{j-1}) = (X+1)^{j-1} = \sum_{k=0}^{j-1} \binom{j-1}{k} X^k
    La matrice AA de TT dans la base B\mathcal{B} est donc la matrice de Pascal supérieure A=((j−1i−1))i,jA = \left( \binom{j-1}{i-1} \right)_{i,j}. On constate que MM est la transposée de AA (M=ATM = A^T). L'indice de nilpotence de N=M−IN = M - I est le même que celui de A−IA - I car la transposition conserve la puissance (et donc la nilpotence). A−IA-I est la matrice de l'opérateur Δ=T−Id\Delta = T - Id. Pour tout polynôme PP de degré d∈{1,…,n}d \in \{1, \dots, n\}, Δ(P)\Delta(P) est de degré d−1d-1 car :
    (X+1)d−Xd=dXd−1+…(X+1)^d - X^d = d X^{d-1} + \dots
    Par récurrence, Δk(P)\Delta^k(P) est de degré d−kd-k si k≤dk \leq d, et nul sinon. Ainsi, pour tout P∈Rn[X]P \in \mathbb{R}_n[X], Δn+1(P)=0\Delta^{n+1}(P) = 0. Donc Nn+1=0N^{n+1} = 0. Cependant, Δn(Xn)=n!≠0\Delta^n(X^n) = n! \neq 0, donc Nn≠0N^n \neq 0.
    L’ordre de nilpotence de N est n+1.\boxed{\text{L'ordre de nilpotence de } N \text{ est } n+1.}

  3. Calcul de M−1M^{-1} Comme M=ATM = A^T, on a M−1=(A−1)TM^{-1} = (A^{-1})^T. AA est la matrice de T:P(X)↦P(X+1)T : P(X) \mapsto P(X+1). L'endomorphisme inverse est T−1:P(X)↦P(X−1)T^{-1} : P(X) \mapsto P(X-1). Calculons l'image de la base canonique par T−1T^{-1} :
    T−1(Xj−1)=(X−1)j−1=∑k=0j−1(j−1k)(−1)j−1−kXkT^{-1}(X^{j-1}) = (X-1)^{j-1} = \sum_{k=0}^{j-1} \binom{j-1}{k} (-1)^{j-1-k} X^k
    Ainsi, les coefficients de la matrice A−1A^{-1} sont (A−1)i,j=(j−1i−1)(−1)j−i(A^{-1})_{i,j} = \binom{j-1}{i-1} (-1)^{j-i}. En transposant pour obtenir M−1M^{-1} :
    (M−1)i,j=(A−1)j,i=(i−1j−1)(−1)i−j(M^{-1})_{i,j} = (A^{-1})_{j,i} = \binom{i-1}{j-1} (-1)^{i-j}
    On peut donc écrire explicitement :
    M−1=((−1)i−j(i−1j−1))1≤i,j≤n+1\boxed{M^{-1} = \left( (-1)^{i-j} \binom{i-1}{j-1} \right)_{1 \leq i, j \leq n+1}}

Attention à l'ordre des indices dans la définition de MM. Ici Mi,j=(i−1j−1)M_{i,j} = \binom{i-1}{j-1} correspond à une matrice triangulaire inférieure. Si l'énoncé avait donné (j−1i−1)\binom{j-1}{i-1}, elle aurait été supérieure. Cela change le lien direct avec l'opérateur P(X)↦P(X+1)P(X) \mapsto P(X+1) (matrice vs sa transposée).