WikiPrépaLivrets

Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et EE un espace vectoriel réel de dimension nn. On considère trois endomorphismes u,v,h∈L(E)u, v, h \in \mathcal{L}(E) vérifiant les relations de commutation suivantes :

u∘v=v∘u,u∘h−h∘u=−2u,v∘h−h∘v=−2vu \circ v = v \circ u,   u \circ h - h \circ u = -2u,   v \circ h - h \circ v = -2v

  1. Étude d'un cas particulier. On suppose ici n=3n=3 et la matrice de uu dans la base canonique est donnée par :
    M=Mat(u)=(010001000)M = \text{Mat}(u) = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0
    0 & 0 & 1
    0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
    Déterminer l'existence et la forme générale des endomorphismes vv et hh satisfaisant les conditions initiales.

  2. Propriétés générales.
    1. Déterminer la trace des endomorphismes uu et vv.
    2. Démontrer que uu et vv ne sont pas inversibles.
    3. Établir que les sous-espaces Ker(u)\text{Ker}(u) et Ker(v)\text{Ker}(v) sont stables par l'endomorphisme hh.
    4. Pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, exprimer uk∘h−h∘uku^k \circ h - h \circ u^k en fonction de uku^k.
    5. En déduire l'expression de P(u)∘h−h∘P(u)P(u) \circ h - h \circ P(u) pour tout polynôme P∈R[X]P \in \mathbb{R}[X].
    6. Déterminer la forme du polynôme minimal de uu. Que peut-on en conclure sur la nature de uu ?

1.

Pour la question 1, chercher hh sous forme de matrice et utiliser le fait que le commutant de uu est l'ensemble des polynômes en uu.

2.

Utiliser la propriété Tr(AB)=Tr(BA)\text{Tr}(AB) = \text{Tr}(BA) pour les traces.

3.

Pour l'inversibilité, on peut raisonner par l'absurde ou utiliser la trace après composition par u−1u^{-1}.

4.

Pour la question 2.(d), procéder par récurrence sur kk.

5.

Pour le polynôme minimal, exploiter la relation P(u)h−hP(u)=0P(u)h - hP(u) = 0 et le lien avec la divisibilité polynomiale.

Idées clés

•

Propriété de la trace d'un commutateur : Tr([u,h])=0\text{Tr}([u, h]) = 0.

•

Stabilité d'un noyau par un endomorphisme qui commute (ou presque) avec lui.

•

Lien entre les relations de commutation et la structure des polynômes annulateurs.

Résolution.

  1. Cas particulier n=3n=3. Notons H=Mat(h)H = \text{Mat}(h). La relation uh−hu=−2uuh - hu = -2u se traduit par MH−HM=−2MMH - HM = -2M. En posant H=(hi,j)1≤i,j≤3H = (h_{i,j})_{1 \le i,j \le 3}, le calcul du commutateur donne :
    MH−HM=(h21h22−h11h23−h12h31h32−h21h33−h220−h31−h32)MH - HM = \begin{pmatrix} h_{21} & h_{22}-h_{11} & h_{23}-h_{12}
    h_{31} & h_{32}-h_{21} & h_{33}-h_{22}
    0 & -h_{31} & -h_{32} \end{pmatrix}
    En identifiant avec −2M=(0−2000−2000)-2M = \begin{pmatrix} 0 & -2 & 0
    0 & 0 & -2
    0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
    , on obtient le système : h21=0,h31=0,h32=0h_{21}=0, h_{31}=0, h_{32}=0 (matrice triangulaire supérieure), et :
    h22−h11=−2,h33−h22=−2,h23−h12=0h_{22}-h_{11} = -2,   h_{33}-h_{22} = -2,   h_{23}-h_{12} = 0
    On en déduit que hh existe et sa matrice est de la forme :
    H=(c+4ba0c+2b00c)avec (a,b,c)∈R3\boxed{ H = \begin{pmatrix} c+4 & b & a
    0 & c+2 & b
    0 & 0 & c \end{pmatrix}   \text{avec } (a,b,c) \in \mathbb{R}^3 }
    Pour vv, comme uu et vv commutent et que uu est un bloc de Jordan (endomorphisme cyclique), vv est nécessairement un polynôme en uu. Soit v=xId+yu+zu2v = x \text{Id} + y u + z u^2. La relation vh−hv=−2vvh - hv = -2v devient :
    y(uh−hu)+z(u2h−hu2)=−2(xId+yu+zu2)y(uh-hu) + z(u^2h - hu^2) = -2(x \text{Id} + y u + z u^2)
    Sachant que uh−hu=−2uuh-hu = -2u et u2h−hu2=u(uh−2u)−hu2=(hu−2u)u−2u2−hu2=−4u2u^2h - hu^2 = u(uh-2u) - hu^2 = (hu-2u)u - 2u^2 - hu^2 = -4u^2, on a :
    −2yu−4zu2=−2xId−2yu−2zu2-2yu - 4zu^2 = -2x \text{Id} - 2yu - 2zu^2
    Par liberté de (Id,u,u2)(\text{Id}, u, u^2), on identifie : −2x=0-2x = 0 et −4z=−2z-4z = -2z, d'où x=0x=0 et z=0z=0. Finalement :
    v=kuavec k∈R\boxed{ v = k u   \text{avec } k \in \mathbb{R} }

  2. Cas général.

    1. Par linéarité de la trace et la propriété Tr(uh)=Tr(hu)\text{Tr}(uh) = \text{Tr}(hu) :
      Tr(−2u)=Tr(uh−hu)=Tr(uh)−Tr(hu)=0\text{Tr}(-2u) = \text{Tr}(uh - hu) = \text{Tr}(uh) - \text{Tr}(hu) = 0
      On en conclut que :
      Tr(u)=0etTr(v)=0\boxed{ \text{Tr}(u) = 0   \text{et}   \text{Tr}(v) = 0 }

    2. Raisonnons par l'absurde. Si uu était inversible, alors :
      u−1(uh−hu)=u−1(−2u)  ⟹  h−u−1hu=−2Idu^{-1}(uh - hu) = u^{-1}(-2u) \implies h - u^{-1}hu = -2 \text{Id}
      En prenant la trace :
      Tr(h)−Tr(u−1hu)=Tr(−2Id)  ⟹  Tr(h)−Tr(h)=−2n\text{Tr}(h) - \text{Tr}(u^{-1}hu) = \text{Tr}(-2 \text{Id}) \implies \text{Tr}(h) - \text{Tr}(h) = -2n
      D'où 0=−2n0 = -2n, ce qui est impossible car n≥1n \ge 1. Donc :
      u∉GL(E)etv∉GL(E)\boxed{ u \notin \text{GL}(E)   \text{et}   v \notin \text{GL}(E) }

    3. Soit x∈Ker(u)x \in \text{Ker}(u). On a u(x)=0u(x) = 0. Alors :
      u(h(x))=(uh−hu)(x)+h(u(x))=−2u(x)+h(0)=0+0=0u(h(x)) = (uh - hu)(x) + h(u(x)) = -2u(x) + h(0) = 0 + 0 = 0
      Ainsi h(x)∈Ker(u)h(x) \in \text{Ker}(u). Le raisonnement est identique pour vv.
      h(Ker u)⊂Ker ueth(Ker v)⊂Ker v\boxed{ h(\text{Ker } u) \subset \text{Ker } u   \text{et}   h(\text{Ker } v) \subset \text{Ker } v }

    4. Montrons par récurrence sur kk que uk∘h−h∘uk=−2kuku^k \circ h - h \circ u^k = -2k u^k. L'initialisation est donnée pour k=1k=1. Supposons la propriété vraie au rang kk.
      uk+1h−huk+1=u(ukh)−huk+1=u(huk−2kuk)−huk+1u^{k+1}h - hu^{k+1} = u(u^k h) - hu^{k+1} = u(hu^k - 2k u^k) - hu^{k+1}
      =(uh)uk−2kuk+1−huk+1=(hu−2u)uk−2kuk+1−huk+1=−2(k+1)uk+1= (uh)u^k - 2k u^{k+1} - hu^{k+1} = (hu - 2u)u^k - 2k u^{k+1} - hu^{k+1} = -2(k+1)u^{k+1}
      La propriété est donc démontrée :
      ∀k∈N,[uk,h]=−2kuk\boxed{ \forall k \in \mathbb{N},   [u^k, h] = -2k u^k }

    5. Par linéarité, si P(X)=∑akXkP(X) = \sum a_k X^k, alors :
      P(u)h−hP(u)=∑ak(ukh−huk)=∑ak(−2kuk)=−2u∑kakuk−1P(u)h - hP(u) = \sum a_k (u^k h - h u^k) = \sum a_k (-2k u^k) = -2u \sum k a_k u^{k-1}
      On reconnaît la dérivée formelle du polynôme :
      P(u)∘h−h∘P(u)=−2u∘P′(u)\boxed{ P(u) \circ h - h \circ P(u) = -2u \circ P'(u) }

    6. Soit πu\pi_u le polynôme minimal de uu. Comme πu(u)=0\pi_u(u) = 0, la relation précédente donne :
      0∘h−h∘0=−2u∘πu′(u)  ⟹  u∘πu′(u)=00 \circ h - h \circ 0 = -2u \circ \pi_u'(u) \implies u \circ \pi_u'(u) = 0
      Le polynôme πu\pi_u doit donc diviser le polynôme Xπu′(X)X \pi_u'(X). Notons d=deg(πu)d = \text{deg}(\pi_u). Comme Xπu′X \pi_u' et πu\pi_u ont le même degré et le même coefficient de tête multiplié par dd, on a nécessairement Xπu′=dπuX \pi_u' = d \pi_u. Les seuls polynômes vérifiant cette équation différentielle sont de la forme cXdcX^d. Puisque πu\pi_u est unitaire, on en conclut :
      πu(X)=Xdavec d≤n\boxed{ \pi_u(X) = X^d   \text{avec } d \le n }
      Ceci prouve que l'endomorphisme uu est nilpotent.

Attention à ne pas oublier le facteur uu dans la relation avec P′(u)P'(u). La relation est bien [P(u),h]=−2uP′(u)[P(u), h] = -2u P'(u) et non simplement −2P′(u)-2P'(u).