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Soit EE un K\mathbb{K}-espace vectoriel de dimension finie d≥1d \geq 1. On considère deux endomorphismes ff et gg de EE vérifiant la relation :

f∘g−g∘f=αff \circ g - g \circ f = \alpha f
où α∈K∗\alpha \in \mathbb{K}^*.

  1. Montrer que pour tout entier naturel nn, on a l'identité :
    fn∘g−g∘fn=nαfnf^n \circ g - g \circ f^n = n \alpha f^n

  2. On suppose ici que K\mathbb{K} est un corps de caractéristique nulle (par exemple R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}).
    1. En considérant l'application Φ:h↦h∘g−g∘h\Phi : h \mapsto h \circ g - g \circ h de L(E)\mathcal{L}(E) dans lui-même, démontrer que ff est un endomorphisme nilpotent.
    2. Proposer un contre-exemple à ce résultat si la caractéristique de K\mathbb{K} n'est pas nulle.

  3. Dans cette question, on suppose que K=C\mathbb{K} = \mathbb{C}, que α=1\alpha = 1 et que dim⁡(ker⁡f)=1\dim(\ker f) = 1. Démontrer que gg est un endomorphisme diagonalisable.

1.

Pour la question 1, procéder par récurrence sur nn en utilisant la linéarité du crochet.

2.

Pour la question 2.(a), remarquer que si fn≠0f^n \neq 0, alors fnf^n est un vecteur propre de Φ\Phi. Utiliser la dimension finie de L(E)\mathcal{L}(E).

3.

Pour le contre-exemple, on pourra chercher des petites matrices dans Z/2Z\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}.

4.

Pour la question 3, utiliser le fait que ff est nilpotent et que les noyaux itérés ker⁡fk\ker f^k sont stables par gg. Montrer que gg possède dd valeurs propres distinctes.

Idées clés

•

Utilisation d'un endomorphisme d'espace d'endomorphismes (opérateur adjoint).

•

Propriété de stabilité des noyaux itérés pour des endomorphismes qui commutent "presque".

•

Lien entre nilpotence maximale (indice dd) et spectre de l'autre opérateur.

Résolution.

  1. Procédons par récurrence sur n∈Nn \in \mathbb{N}. Pour n=0n=0, f0=Idf^0 = \text{Id} et Id∘g−g∘Id=0=0⋅αId\text{Id} \circ g - g \circ \text{Id} = 0 = 0 \cdot \alpha \text{Id}. La propriété est vraie. Supposons la propriété vraie pour un rang n≥0n \geq 0 fixé. On a :
    fn+1g−gfn+1=f(fng)−gfn+1f^{n+1}g - gf^{n+1} = f(f^n g) - gf^{n+1}
    D'après l'hypothèse de récurrence, fng=gfn+nαfnf^n g = g f^n + n \alpha f^n. En injectant :
    fn+1g−gfn+1=f(gfn+nαfn)−gfn+1f^{n+1}g - gf^{n+1} = f(gf^n + n\alpha f^n) - gf^{n+1}
    fn+1g−gfn+1=(fg)fn+nαfn+1−gfn+1f^{n+1}g - gf^{n+1} = (fg)f^n + n\alpha f^{n+1} - gf^{n+1}
    Or, d'après l'énoncé, fg=gf+αffg = gf + \alpha f. On obtient donc :
    fn+1g−gfn+1=(gf+αf)fn+nαfn+1−gfn+1f^{n+1}g - gf^{n+1} = (gf + \alpha f)f^n + n\alpha f^{n+1} - gf^{n+1}
    fn+1g−gfn+1=gfn+1+αfn+1+nαfn+1−gfn+1f^{n+1}g - gf^{n+1} = gf^{n+1} + \alpha f^{n+1} + n\alpha f^{n+1} - gf^{n+1}
    En simplifiant, on trouve finalement :
    fn+1∘g−g∘fn+1=(n+1)αfn+1\boxed{ f^{n+1} \circ g - g \circ f^{n+1} = (n+1) \alpha f^{n+1} }
    La propriété est donc démontrée pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}.

    1. L'application Φ:L(E)→L(E)\Phi : \mathcal{L}(E) \to \mathcal{L}(E) définie par Φ(h)=h∘g−g∘h\Phi(h) = h \circ g - g \circ h est une application linéaire. D'après la question précédente, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, Φ(fn)=(nα)fn\Phi(f^n) = (n\alpha) f^n. Supposons par l'absurde que ff ne soit pas nilpotent. Alors pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, fn≠0f^n \neq 0. Cela signifie que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, nαn\alpha est une valeur propre de Φ\Phi associée au vecteur propre fnf^n. Comme α≠0\alpha \neq 0 et que la caractéristique de K\mathbb{K} est nulle, les scalaires {nα∣n∈N}\{n\alpha \mid n \in \mathbb{N}\} sont tous distincts. L'endomorphisme Φ\Phi possèderait donc une infinité de valeurs propres distinctes. Or, Φ\Phi agit sur L(E)\mathcal{L}(E) qui est de dimension finie d2d^2. Un tel endomorphisme possède au plus d2d^2 valeurs propres. Il y a contradiction, donc il existe nécessairement n∈Nn \in \mathbb{N} tel que fn=0f^n = 0.
      f est nilpotent\boxed{ f \text{ est nilpotent} }

    2. Si car(K)=p>0\text{car}(\mathbb{K}) = p > 0, l'argument précédent échoue car la suite (nα)(n\alpha) est périodique. Considérons K=Z/2Z\mathbb{K} = \mathbb{Z}/2\mathbb{Z} et les matrices :
      F=(0110),G=(0001)F = \begin{pmatrix} 0 & 1
      1 & 0 \end{pmatrix},   G = \begin{pmatrix} 0 & 0
      0 & 1 \end{pmatrix}
      Calculons le crochet :
      FG−GF=(0100)−(0010)=(01−10)FG - GF = \begin{pmatrix} 0 & 1
      0 & 0 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 & 0
      1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1
      -1 & 0 \end{pmatrix}
      Comme −1=1-1 = 1 dans Z/2Z\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}, on a bien FG−GF=(0110)=FFG - GF = \begin{pmatrix} 0 & 1
      1 & 0 \end{pmatrix} = F
      . Pourtant, F2=I≠0F^2 = I \neq 0, donc ff n'est pas nilpotent.

  2. Supposons K=C\mathbb{K} = \mathbb{C}, α=1\alpha = 1 et dim⁡(ker⁡f)=1\dim(\ker f) = 1. Puisque ff est nilpotent et dim⁡(ker⁡f)=1\dim(\ker f) = 1, l'indice de nilpotence de ff est exactement d=dim⁡Ed = \dim E. En effet, si rr est l'indice de nilpotence, on a 1=dim⁡ker⁡f1<dim⁡ker⁡f2<⋯<dim⁡ker⁡fr=d1 = \dim \ker f^1 < \dim \ker f^2 < \dots < \dim \ker f^r = d. Comme chaque saut de dimension est au moins égal à 1, on a d≥rd \geq r. Mais le théorème du rang appliqué aux puissances de ff montre ici que dim⁡ker⁡fk=k\dim \ker f^k = k pour tout k∈{1,…,d}k \in \{1, \dots, d\}. Soit Nk=ker⁡fkN_k = \ker f^k. Montrons que g(Nk)⊂Nkg(N_k) \subset N_k. Soit x∈Nkx \in N_k, on a fk(x)=0f^k(x) = 0. Alors :
    fk(g(x))=(fkg−gfk)(x)+g(fk(x))=kfk(x)+0=0f^k(g(x)) = (f^k g - g f^k)(x) + g(f^k(x)) = k f^k(x) + 0 = 0
    Donc g(x)∈ker⁡fk=Nkg(x) \in \ker f^k = N_k. On a une chaîne de sous-espaces emboîtés {0}=N0⊂N1⊂⋯⊂Nd=E\{0\} = N_0 \subset N_1 \subset \dots \subset N_d = E, tous stables par gg. Comme dim⁡(Nk)=k\dim(N_k) = k, il existe une base (e1,…,ed)(e_1, \dots, e_d) telle que pour tout kk, (e1,…,ek)(e_1, \dots, e_k) est une base de NkN_k. Dans cette base, la matrice de gg est triangulaire supérieure. Notons λk\lambda_k ses coefficients diagonaux. Considérons x∈Nk∖Nk−1x \in N_k \setminus N_{k-1}. On a g(x)=λkx+yg(x) = \lambda_k x + y avec y∈Nk−1y \in N_{k-1}. Appliquons ff :
    f(g(x))=f(λkx+y)=λkf(x)+f(y)f(g(x)) = f(\lambda_k x + y) = \lambda_k f(x) + f(y)
    D'autre part :
    f(g(x))=g(f(x))+f(x)f(g(x)) = g(f(x)) + f(x)
    En notant x′=f(x)∈Nk−1∖Nk−2x' = f(x) \in N_{k-1} \setminus N_{k-2}, on a :
    g(x′)=(λk−1)x′+f(y)g(x') = (\lambda_k - 1) x' + f(y)
    Puisque f(y)∈Nk−2f(y) \in N_{k-2}, cela montre que le coefficient diagonal de gg sur Nk−1/Nk−2N_{k-1}/N_{k-2} est λk−1=λk−1\lambda_{k-1} = \lambda_k - 1. Par récurrence, les valeurs propres de gg sont λ,λ+1,…,λ+d−1\lambda, \lambda+1, \dots, \lambda+d-1 (où λ=λ1\lambda = \lambda_1). Ces dd valeurs propres sont distinctes.
    g posseˋde d valeurs propres distinctes, donc g est diagonalisable\boxed{ g \text{ possède } d \text{ valeurs propres distinctes, donc } g \text{ est diagonalisable} }

Dans la question 2.(a), ne pas oublier de mentionner que la caractéristique nulle est cruciale pour affirmer que les nαn\alpha sont tous distincts dans le corps.