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Soient AA et BB deux matrices de Mn(C)\mathcal{M}_{n}(\mathbb{C}). On définit leur commutateur par C=AB−BAC = AB - BA et on suppose que la condition suivante est vérifiée :

AC=0AC = 0

  1. Démontrer par récurrence que pour tout entier k∈N∗k \in \mathbb{N}^{*}, on a l'égalité :
    (AB)k=AkBk(AB)^{k} = A^{k} B^{k}

  2. En exploitant la trace des puissances de CC, établir que la matrice CC est nilpotente.

1.

Pour la question 1, commencer par établir la relation de commutation intermédiaire (AB)Ak=Ak+1B(AB)A^k = A^{k+1}B en utilisant l'hypothèse AC=0AC=0.

2.

Pour la question 2, utiliser la propriété de cyclicité de la trace (Tr(XY)=Tr(YX)\text{Tr}(XY) = \text{Tr}(YX)) pour calculer Tr(Ck)\text{Tr}(C^k) pour tout k≥1k \ge 1. Se rappeler qu'une matrice complexe est nilpotente si et seulement si les traces de toutes ses puissances (jusqu'à nn) sont nulles.

Idées clés

•

Traduction de l'hypothèse : AC=0  ⟺  A(AB−BA)=0  ⟺  A2B=ABAAC=0 \iff A(AB-BA)=0 \iff A^2B = ABA.

•

Propriété cyclique de la trace : Tr(XYZ)=Tr(ZXY)=Tr(YZX)\text{Tr}(XYZ) = \text{Tr}(ZXY) = \text{Tr}(YZX).

•

Caractérisation de la nilpotence sur C\mathbb{C} par les traces des puissances.

Résolution.

  1. L'hypothèse AC=0AC=0 se réécrit en utilisant la définition de CC :
    A(AB−BA)=0  ⟹  A2B−ABA=0  ⟹  A2B=ABAA(AB - BA) = 0 \implies A^2 B - ABA = 0 \implies \boxed{A^2 B = ABA}
    Montrons d'abord par récurrence sur k∈N∗k \in \mathbb{N}^* la propriété intermédiaire Pk:(AB)Ak=Ak+1B\mathcal{P}_k : (AB) A^k = A^{k+1} B.
    • Initialisation (k=1k=1) : (AB)A=ABA(AB)A = ABA. D'après la relation établie ci-dessus, ABA=A2BABA = A^2 B. Donc P1\mathcal{P}_1 est vraie.
    • Hérédité : Soit k≥1k \ge 1. Supposons Pk\mathcal{P}_k vraie. Alors :
      (AB)Ak+1=((AB)Ak)A(AB) A^{k+1} = ((AB) A^k) A
      Par hypothèse de récurrence :
      (AB)Ak+1=(Ak+1B)A=Ak(ABA)(AB) A^{k+1} = (A^{k+1} B) A = A^k (ABA)
      En utilisant à nouveau ABA=A2BABA = A^2 B :
      (AB)Ak+1=Ak(A2B)=Ak+2B(AB) A^{k+1} = A^k (A^2 B) = A^{k+2} B
      L'hérédité est prouvée.
    Démontrons maintenant par récurrence le résultat final Qk:(AB)k=AkBk\mathcal{Q}_k : (AB)^k = A^k B^k.
    • Initialisation (k=1k=1) : AB=ABAB = AB, trivial.
    • Hérédité : Soit k≥1k \ge 1. Supposons Qk\mathcal{Q}_k vraie.
      (AB)k+1=(AB)(AB)k=(AB)AkBk(AB)^{k+1} = (AB) (AB)^k = (AB) A^k B^k
      D'après la propriété Pk\mathcal{P}_k démontrée précédemment, (AB)Ak=Ak+1B(AB) A^k = A^{k+1} B. On en déduit :
      (AB)k+1=(Ak+1B)Bk=Ak+1Bk+1(AB)^{k+1} = (A^{k+1} B) B^k = A^{k+1} B^{k+1}
    On a donc bien :
    ∀k∈N∗,(AB)k=AkBk\boxed{\forall k \in \mathbb{N}^*,   (AB)^k = A^k B^k}

  2. Pour montrer que CC est nilpotente, calculons Tr(Ck)\text{Tr}(C^k) pour tout k∈{1,…,n}k \in \{1, \dots, n\}. Cas k=1k=1 : Tr(C)=Tr(AB−BA)=Tr(AB)−Tr(BA)=0\text{Tr}(C) = \text{Tr}(AB - BA) = \text{Tr}(AB) - \text{Tr}(BA) = 0 par linéarité et cyclicité de la trace. Cas k≥2k \ge 2 : Développons CkC^k en utilisant la définition de CC :
    Ck=Ck−1(AB−BA)=Ck−1AB−Ck−1BAC^k = C^{k-1}(AB - BA) = C^{k-1}AB - C^{k-1}BA
    Par linéarité de la trace :
    Tr(Ck)=Tr(Ck−1AB)−Tr(Ck−1BA)\text{Tr}(C^k) = \text{Tr}(C^{k-1}AB) - \text{Tr}(C^{k-1}BA)
    En utilisant la cyclicité Tr(XYZ)=Tr(ZXY)\text{Tr}(XYZ) = \text{Tr}(ZXY) avec X=Ck−1X=C^{k-1}, Y=AY=A et Z=BZ=B pour le premier terme :
    Tr(Ck−1AB)=Tr(BCk−1A)\text{Tr}(C^{k-1}AB) = \text{Tr}(BC^{k-1}A)
    De même pour le second terme avec X=Ck−1X=C^{k-1}, Y=BY=B et Z=AZ=A :
    Tr(Ck−1BA)=Tr(ACk−1B)\text{Tr}(C^{k-1}BA) = \text{Tr}(AC^{k-1}B)
    Or, puisque AC=0AC=0, on a par récurrence immédiate ACk−1=(AC)Ck−2=0AC^{k-1} = (AC)C^{k-2} = 0 pour tout k≥2k \ge 2. Ainsi, Tr(ACk−1B)=Tr(0⋅B)=0\text{Tr}(AC^{k-1}B) = \text{Tr}(0 \cdot B) = 0. De plus, Tr(BCk−1A)=Tr(ABCk−1)\text{Tr}(BC^{k-1}A) = \text{Tr}(ABC^{k-1}) par cyclicité, et ABCk−1=(C+BA)Ck−1=Ck+BACk−1ABC^{k-1} = (C+BA)C^{k-1} = C^k + BAC^{k-1}. Cette voie semble redondante. Reprenons plus simplement :
    Tr(Ck)=Tr(Ck−1AB)−Tr(Ck−1BA)=Tr(ACk−1B)−Tr(ACk−1B)=0\text{Tr}(C^k) = \text{Tr}(C^{k-1}AB) - \text{Tr}(C^{k-1}BA) = \text{Tr}(AC^{k-1}B) - \text{Tr}(AC^{k-1}B) = 0
    (en utilisant la cyclicité Tr(Ck−1AB)=Tr(ABCk−1)=Tr(ACk−1B)\text{Tr}(C^{k-1}AB) = \text{Tr}(ABC^{k-1}) = \text{Tr}(AC^{k-1}B)). Comme ACk−1=0AC^{k-1} = 0, les deux termes s'annulent séparément :
    ∀k∈{1,…,n},Tr(Ck)=0\forall k \in \{1, \dots, n\},   \boxed{\text{Tr}(C^k) = 0}
    D'après le cours sur la réduction dans Mn(C)\mathcal{M}_n(\mathbb{C}), une matrice dont les traces de toutes les puissances de 11 à nn sont nulles est nilpotente.
    C est nilpotente\boxed{C \text{ est nilpotente}}

Attention à ne pas supposer que AC=0  ⟹  CA=0AC=0 \implies CA=0. En général, le commutateur de AA et CC n'est pas nul. Il faut bien utiliser la cyclicité de la trace pour faire apparaître le produit ACAC à l'intérieur de la trace.