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Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et K\mathbb{K} un corps (on pourra supposer K=C\mathbb{K} = \mathbb{C} pour la seconde question). On note Mn(K)\mathcal{M}_n(\mathbb{K}) l'algèbre des matrices carrées de taille nn et C(A)={B∈Mn(K)∣AB=BA}C(A) = \{B \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) \mid AB = BA\} le commutant d'une matrice AA.

  1. Soit N∈Mn(K)N \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}) une matrice nilpotente dont l'indice de nilpotence est égal à nn. Démontrer que dim⁡C(N)=n\dim C(N) = n et que C(N)=K[N]C(N) = \mathbb{K}[N].
  2. Soit A∈Mn(K)A \in \mathcal{M}_n(\mathbb{K}). On suppose que son polynôme caractéristique χA\chi_A est scindé sur K\mathbb{K}. Montrer que les assertions suivantes sont équivalentes :
    1. Le polynôme minimal de AA est égal à son polynôme caractéristique : μA=χA\mu_A = \chi_A.
    2. Le commutant de AA est réduit aux polynômes en AA : C(A)=K[A]C(A) = \mathbb{K}[A].

1.

Pour la question 1, utiliser l'existence d'un vecteur xx tel que (x,Nx,…,Nn−1x)(x, Nx, \dots, N^{n-1}x) forme une base de Kn\mathbb{K}^n. Étudier l'image de xx par une matrice du commutant.

2.

Pour la question 2, le sens (a)   ⟹  \implies (b) peut se traiter par une généralisation de l'argument de la question 1 (existence d'un vecteur cyclique).

3.

Pour le sens (b)   ⟹  \implies (a), on peut utiliser l'argument dimensionnel en admettant ou en montrant que dim⁡C(A)≥n\dim C(A) \ge n pour toute matrice dont le polynôme caractéristique est scindé.

Idées clés

•

Existence d'un vecteur cyclique pour une matrice dont le polynôme minimal est de degré nn.

•

Lien entre la dimension de K[A]\mathbb{K}[A] et le degré du polynôme minimal.

•

Utilisation de la décomposition en sous-espaces caractéristiques pour minorer la dimension du commutant.

Résolution.

  1. Étude du cas nilpotent. Puisque l'indice de nilpotence de NN est nn, on a Nn−1≠0N^{n-1} \neq 0 et Nn=0N^n = 0. Il existe donc un vecteur x∈Knx \in \mathbb{K}^n tel que Nn−1x≠0N^{n-1}x \neq 0. Montrons que la famille B=(x,Nx,…,Nn−1x)\mathcal{B} = (x, Nx, \dots, N^{n-1}x) est libre. Soit (λ0,…,λn−1)∈Kn(\lambda_0, \dots, \lambda_{n-1}) \in \mathbb{K}^n tel que ∑i=0n−1λiNix=0\sum_{i=0}^{n-1} \lambda_i N^i x = 0. En appliquant Nn−1N^{n-1} à cette égalité, comme Njx=0N^j x = 0 pour j≥nj \ge n, il reste :
    λ0Nn−1x=0\lambda_0 N^{n-1}x = 0
    Comme Nn−1x≠0N^{n-1}x \neq 0, on a λ0=0\lambda_0 = 0. Par récurrence immédiate (ou en appliquant successivement Nn−2,Nn−3,…N^{n-2}, N^{n-3}, \dots), on obtient λi=0\lambda_i = 0 pour tout ii. La famille B\mathcal{B} est donc une base de Kn\mathbb{K}^n. Soit M∈C(N)M \in C(N). Comme Mx∈KnM x \in \mathbb{K}^n, il existe des scalaires a0,…,an−1a_0, \dots, a_{n-1} tels que :
    Mx=∑i=0n−1aiNix=P(N)xavecP(X)=∑i=0n−1aiXiM x = \sum_{i=0}^{n-1} a_i N^i x = P(N)x   \text{avec}   P(X) = \sum_{i=0}^{n-1} a_i X^i
    Comme MM commute avec NN, MM commute avec toute puissance de NN. Pour tout k∈{0,…,n−1}k \in \{0, \dots, n-1\} :
    M(Nkx)=Nk(Mx)=Nk(P(N)x)=P(N)(Nkx)M(N^k x) = N^k (Mx) = N^k (P(N)x) = P(N)(N^k x)
    Les endomorphismes associés à MM et P(N)P(N) coïncident sur la base B\mathcal{B}, donc M=P(N)M = P(N). On en déduit que C(N)⊂K[N]C(N) \subset \mathbb{K}[N]. L'inclusion réciproque est évidente.
    C(N)=K[N]\boxed{C(N) = \mathbb{K}[N]}
    Enfin, K[N]=Vect(I,N,…,Nn−1)\mathbb{K}[N] = \text{Vect}(I, N, \dots, N^{n-1}). Cette famille est libre car si ∑i=0n−1λiNi=0\sum_{i=0}^{n-1} \lambda_i N^i = 0, alors ∑i=0n−1λiNix=0\sum_{i=0}^{n-1} \lambda_i N^i x = 0, ce qui implique λi=0\lambda_i = 0 par liberté de B\mathcal{B}.
    dim⁡C(N)=n\boxed{\dim C(N) = n}

  2. Équivalence générale.

    (a)   ⟹  \implies (b) : On suppose μA=χA\mu_A = \chi_A. Alors deg⁡μA=n\deg \mu_A = n. Il est bien connu (théorème du vecteur cyclique) qu'il existe x∈Knx \in \mathbb{K}^n tel que (x,Ax,…,An−1x)(x, Ax, \dots, A^{n-1}x) soit une base de Kn\mathbb{K}^n. Preuve rapide : Si μA\mu_A est scindé, μA=∏j=1k(X−λj)mj\mu_A = \prod_{j=1}^k (X-\lambda_j)^{m_j} avec ∑mj=n\sum m_j = n. Par le lemme des noyaux, Kn=⨁ker⁡(A−λjI)mj\mathbb{K}^n = \bigoplus \ker(A-\lambda_j I)^{m_j}. Sur chaque sous-espace, Nj=(A−λjI)N_j = (A-\lambda_j I) est nilpotent d'indice mjm_j. Il existe xjx_j tel que la famille ((A−λjI)kxj)0≤k<mj((A-\lambda_j I)^k x_j)_{0 \le k < m_j} soit libre. En posant x=∑xjx = \sum x_j, on montre que xx est cyclique. L'argument de la question 1 s'adapte alors identiquement : toute matrice BB commutant avec AA est déterminée par BxBx et s'écrit comme un polynôme en AA. (b)   ⟹  \implies (a) : On suppose C(A)=K[A]C(A) = \mathbb{K}[A]. Alors dim⁡C(A)=dim⁡K[A]=deg⁡μA\dim C(A) = \dim \mathbb{K}[A] = \deg \mu_A. Or, on dispose du résultat suivant : pour toute matrice AA dont le polynôme caractéristique est scindé, dim⁡C(A)≥n\dim C(A) \ge n. Justification : Par décomposition de Dunford ou réduction par blocs, AA est semblable à une matrice diagonale par blocs D=diag(A1,…,Ak)D = \text{diag}(A_1, \dots, A_k) où chaque AjA_j correspond à une valeur propre λj\lambda_j et est de taille njn_j. Le commutant de DD contient au moins les matrices diagonales par blocs diag(B1,…,Bk)\text{diag}(B_1, \dots, B_k) où Bj∈C(Aj)B_j \in C(A_j). Ainsi dim⁡C(A)=dim⁡C(D)≥∑j=1kdim⁡C(Aj)\dim C(A) = \dim C(D) \ge \sum_{j=1}^k \dim C(A_j). Pour chaque bloc, Aj=λjI+NjA_j = \lambda_j I + N_j avec NjN_j nilpotent. C(Aj)=C(Nj)C(A_j) = C(N_j). On montre (par exemple via la forme triangulaire supérieure de NjN_j) que dim⁡C(Nj)≥nj\dim C(N_j) \ge n_j. Ainsi, dim⁡C(A)≥∑nj=n\dim C(A) \ge \sum n_j = n. Comme n=deg⁡χAn = \deg \chi_A et que dim⁡C(A)=deg⁡μA\dim C(A) = \deg \mu_A, on a :

    deg⁡μA≥deg⁡χA\deg \mu_A \ge \deg \chi_A
    Puisque μA\mu_A divise χA\chi_A, on conclut μA=χA\boxed{\mu_A = \chi_A}.

L'erreur classique est de penser que dim⁡K[A]=n\dim \mathbb{K}[A] = n toujours. En réalité, dim⁡K[A]=deg⁡μA\dim \mathbb{K}[A] = \deg \mu_A, qui peut être strictement inférieur à nn (par exemple si A=IA=I, la dimension est 11).