T P E FILIERE M COMPOSITION DE MATHEMATIQUES OPTION

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1 SESSION 1996 T P E FILIERE M COMPOSITION DE MATHEMATIQUES OPTION PREMIERE PARTIE : matrice compagne d un endomorphisme cyclique I 1) Si f est cyclique, il existe un vecteur x 0 tel que la famille B = (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) soit une base de E Notons ( a 0,, a ) les coordonnées du vecteur f n (x 0 ) = f(f (x 0 )) dans la base B Dans cette base, la matrice de f est la matrice C Réciproquement, si B = (e 1,,e n ) est une base de E dans laquelle la matrice de f est C, posons x 0 = e 1 Pour i 2, n, on a e i = f(e i 1 ) et donc, pour i 1,, e i = f i 1 (e 1 ) = f i 1 (x 0 ) La famille (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) est donc une base de E et f est cyclique f est cyclique si et seulement si il B base de E telle que Mat B (f) = C I 2) En développant det(c XI n ) suivant sa dernière colonne, on obtient où k est le déterminant k = ( X) k et donc, n 2 P C = ( a X)( X) + ( 1) n+k+1 ( a k ) k, X X 0 X , ( X) étant écrit k fois Un calcul par blocs fournit n 2 P C = ( 1) n (X n + a X + ( 1) k a k ( 1) k X k ) = ( 1) n (X n + P C = ( 1) n Q a k X k ) = ( 1) n Q Si f est cyclique, on peut lui associer comme en 1) une matrice compagne D après le calcul précédent, les coefficients de la dernière colonne de cette matrice sont uniquement déterminés à partir des coefficients du polynôme caractéristique de f La matrice compagne associée à un endomorphisme cyclique est uniquement définie I 3) Soit λ une valeur propre complexe de la matrice C La matrice constituée par les n 1 premières colonnes et n 1 dernières lignes de la matrice C λi n est inversible car de déterminant 1 La matrice C λi n est donc de rang n 1 au moins ou encore dim(ker(c λi n )) 1 Puisque λ est valeur propre, on a plus précisément dim(ker(c λi n )) = 1 et donc les sous-espaces propres de la matrice C sont donc des droites vectorielles Déterminons alors les sous-espaces propres de C http ://wwwmaths-francefr 1 c Jean-Louis Rouget, 2007 Tous droits réservés

2 Soient λ une valeur propre complexe de la matrice C et X = (x i ) 1 i n M n,1 (C) { a0 x AX = λx n = λx 1 i 2, n, x i 1 a i 1 x n = λx i x = (a + λ)x n x n 2 = a n 2 x n + λx = (a n 2 + a λ + λ 2 )x n x n 3 = a n 3 x n + λ(a n 2 + a λ + λ 2 )x n = (a n 3 + a n 2 λ + a λ 2 + λ 3 )x n x 1 = (a 1 + a 2 λ + + a λ n 2 + λ )x n ce qui montre que Ker(C λi n ) est la droite vectorielle engendrée par le vecteur (a 1 + a 2 λ + + a λ n 2 + λ,, a n 2 + a λ + λ 2, a + λ, 1) DEUXIEME PARTIE : endomorphismes nilpotents II 4) Soit x 0 un vecteur tel que f (x 0 ) 0 Vérifions que la famille (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) est une base de E Puisque card(f i (x 0 )) 0 i = n = dim(e) < +, il suffit de vérifier que la famille (f i (x 0 )) 0 i est libre Supposons par l absurde qu il existe (α 0,, α ) (0, 0,, 0) tel que α i f i (x 0 ) = 0 Soit k = Min{i 0, n 1 / α i 0} On a alors i=0 α i f i (x 0 ) = 0 i=k ( α i f i (x 0 ) = 0 f k i=k α i f i (x 0 ) ) i=0 = 0 i=k α i f n+i k 1 (x 0 ) = 0 α k f (x 0 ) = 0 (car pour i k + 1, n + i k 1 n et donc f n+i k 1 (x 0 ) = 0) α k = 0 (car f (x 0 ) 0) Ceci contredit la définition de k La famille (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) est donc une base de E et f est cyclique Si f est nilpotent d indice n, alors f est cyclique Puisque f(f (x 0 )) = 0, la matrice de f dans la base (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) est 0 qui est une matrice compagne et donc la matrice compagne de f D après la question 3), Kerf est de dimension au plus 1 Mais f étant nilpotent, f n?est pas inversible et donc dim(kerf) = 1 II 5) a) Soient x E et k 0, p 1 x N k f k (x) = 0 f(f k (x)) = 0 f k+1 (x) = 0 x N k+1 Donc, k 0, p 1, N k N k+1 Soient k 0, p 1 et y f(n k+1 ) Il existe x N k+1 tel que y = f(x) Mais alors f k (y) = f k (f(x)) = f k+1 (x) = 0 et donc y N k Ainsi k 0, p 1, f(n k+1 ) N k http ://wwwmaths-francefr 2 c Jean-Louis Rouget, 2007 Tous droits réservés

3 b) D après la question a), ϕ est bien une application de N k+1 dans N k, linéaire car f l est Le théorème du rang permet alors d écrire n k+1 = dim(n k+1 ) = dim(kerϕ) + dim(imϕ) = dim(kerf N k+1 ) + dim(f(n k+1 )) = dim(kerf) + dim(f(n k+1 )) (car Kerf = N 1 N k+1 ) dim(kerf) + dim(n k ) = 1 + n k (d après 4)) k 0, p 1, n k+1 n k + 1 c) Si n k = n k+1 (< + ) alors, puisque N k N k+1 (d après 5)a)), on a N k = N k+1 Soit j k + 1 Supposons que N j = N k et montrons que N j+1 = N k On a déjà N k = N j N j+1 Mais pour x E, et donc, N j+1 = N k x N j+1 f j+1 (x) = 0 f j (f(x)) = 0 f(x) N j = N k f k (f(x)) = 0 x N k+1 = N k On a montré par récurrence que j k + 1, N j = N k Si n k = n k+1 alors j k + 1, N j = N k On a n p = dim(kerf p ) = n et k 0, p 1, n k n k+1 1+n k Par suite, n k+1 = n k ou n k+1 = n k + 1 Maintenant, puisque f p 1 0 = f p, N p 1 N p et le début de la question montre que k 0, p 1, n k+1 = n k + 1 Par suite, k 1, p, n k = n 1 + (k 1) = k ce qui reste vrai pour k = 0 En particulier, p = n p = n On a montré que p = n et k 0, n, n k = k TROISIEME PARTIE : une caractérisation des endomorphismes cycliques III 6) f est cyclique donc il existe un vecteur x 0 tel que la famille (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) soit une base de E Soit (α 0,, α ) C n α 0 Id + α 1 f + + α f = 0 x E, α 0 x + α 1 f(x) + + α f (x) = 0 α 0 x 0 + α 1 f(x 0 ) + + α f (x 0 ) = 0 α 0 = α 1 = = α = 0 (car la famille (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) est libre) Donc, si f est un endomorphisme cyclique, la famille (Id, f,, f ) est libre III 7) a) (f λ k I) m k est un polynôme en f et donc commute avec f On sait alors que E k = Ker(f λ k I) m k est stable par f Les polynômes (X λ k ) m k sont deux à deux premiers entre eux (les λ k étant deux à deux distincts, ces polynômes pris deux à deux n ont pas de racines communes dans C) D après le théorème de décomposition des noyaux, Ker(P f (f)) = E 1 E p Mais d après le théorème de Cayley-Hamilton, P f (f) = 0 et donc Ker(P f (f)) = E Finalement, k 1, p, f(e k ) E k et E = E 1 E p b) Puisque f laisse stable E k, ϕ k est bien un endomorphisme de E k Par définition de E k, on a pour tout vecteur x élément de E k, (f λ k I) m k (x) = 0 ou encore ϕ m k k (x) = 0 ϕ m k k = 0 http ://wwwmaths-francefr 3 c Jean-Louis Rouget, 2007 Tous droits réservés

4 Notons f k la restriction de f à E k (on a donc f k = λ k Id Ek + ϕ k ) Puisque le polynôme (X λ k ) m k est annulateur de f k, λ k est l unique valeur propre de f k (f k admettant au moins une valeur propre puisque K = C et que E k {0}) Par suite, le polynôme caractéristique de f k est (X λ k ) dim(e k) On sait alors que ce polynôme divise le polynôme caractéristique de f ce qui montre que dim(e k ) m k Maintenant, si pour un entier k 1, p on a dim(e k ) < m k, alors E = E 1 E p Finalement, p dim(e j ) < k 1, p, dim(e k ) = m k n m j = n, ce qui contredit le fait que Montrons que ϕ m k 1 0 Supposons par l absurde que ϕ m k 1 = 0 et considérons le polynôme Q = (X λ k ) m k 1 j =k(x λ j ) m j si p 2 ou Q = (X λ k ) m k 1 = (X λ 1 ) si p = 1 Pour i 1, p, on a Q(f i ) = 0 (des polynômes en f commutent) et donc Q(f) = 0 Mais Q est un polynôme non nul de degré (m k 1) + p m j = 1 = n 1 L égalité Q(f) = 0 fournit alors une combinaison linéaire nulle à j =k m j coefficients non tous nuls de la famille (Id, f, f 2,, f ) ce qui contredit la liberté de cette famille Donc ϕ m k 1 0 c) ϕ k est donc un endomorphisme nilpotent de E k, d indice m k = dime k D après la question 4), il existe une base B k de E k dans laquelle la matrice de ϕ k est la matrice compagnon de format m k , ou encore dans laquelle la matrice de f k est λ k λ k Soit B = B 1 B k D après la question 7)a), E = E 1 E p et donc B est une base de E et la matrice de f dans cette base a la forme désirée d) Il s agit de vérifier que la matrice précédente est semblable à une matrice compagne qui ne peut être, d après la question 2), que la matrice compagne de P f Soit donc C la matrice compagne de P f et g l endomorphisme de matrice C dans une base donnée de E Le polynôme p caractéristique de g est celui de f à savoir (X λ k ) m k et d autre part, g est cyclique d après la question 1) k=1 D après la question 6), la famille (Id, g,, g ) est libre et d?après la question 7), il existe une base de E dans laquelle la matrice de g est la matrice diagonale par blocs du 7) C est donc semblable à cette matrice ce qui montre que f est cyclique si (Id, f,,f ) est une famille libre, f est cyclique http ://wwwmaths-francefr 4 c Jean-Louis Rouget, 2007 Tous droits réservés

5 III 8) a) det(q 1 + λq 2 ) est un polynôme en λ, non nul car det(q 1 + iq 2 ) = detq 0 et admet donc un nombre fini de racines R étant infini, il existe au moins un réel λ 0 tel que det(q 1 +λ 0 Q 2 ) 0 ou encore tel que la matrice P = Q 1 +λ 0 Q 2 soit une matrice réelle inversible {λ R/ Q 1 + λq 2 G L n (R)} Maintenant, en posant P = Q 1 + λ 0 Q 2, A = QBQ 1 AQ = QB AQ 1 + iaq 2 = Q 1 B + iq 2 B AQ 1 = Q 1 B et AQ 2 = Q 2 B (en identifiant les parties réelles et imaginaires puisque A et B sont réelles) A(Q 1 + λ 0 Q 2 ) = (Q 1 + λ 0 Q 2 )B AP = PB A = PBP 1 (A, B) (M n (R)) 2, (A et B semblables dans M n (C) A et B semblables dans M n (R)) b) Soit A la matrice de f dans une base donnée de E D après la question 7), A est semblable dans C à une matrice compagne Mais A est réelle, et donc cette matrice compagne est réelle Ces deux matrices réelles sont semblables dans M n (C) et donc, d après la question a), dans M n (R) Par suite, il existe une base de E dans laquelle la matrice de f est une matrice compagne D après la question 1), f est cyclique Si K = C ou K = R, f est cyclique si et seulement si la famille (Id, f,, f ) est libre QUATRIEME PARTIE : une autre caractérisation des endomorphismes cycliques IV 9) a) Soit g C(f) Puisque la famille (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) est une base de E, on peut poser Posons encore h = g(x 0 ) = α k f k (x 0 ) α k f k de sorte que l on a déjà g(x 0 ) = h(x 0 ) Plus généralement, pour j 0, n 1, g(f j (x 0 )) = f j (g(x 0 )) (puisque g est dans C(f)) = f j (h(x 0 )) = h(f j (x 0 )) (puisque h est un polynôme en f et donc commute avec f j ) Ainsi, les endomorphismes g et h coïncident sur une base de E et donc sont égaux Par suite, g K[f] En résumé, C (f) K[f] Comme on a toujours K[f] C(f), on a montré que si f est cyclique, C(f) = K[f] b) Soit g L (E) S il existe R K [X] tel que g = R(f) alors g est dans C(f) Réciproquement, si g est dans C (f), d?après la question a), il existe un polynôme P K[X] tel que g = P(f) La division euclidienne de P par P f fournit un polynôme Q et un polynôme R de degré au plus n 1 tels que P = QP f + R Par suite, g = P(f) = Q(f)oP f (f) + R(f) = R(f) d après le théorème de Cayley-Hamilton g est donc bien de la forme R(f) où R est un polynôme de degré au plus n 1 C(f) = K [f] IV 10) Supposons f non cyclique D après la question 7), la famille (Id, f,, f ) est liée et, en écrivant une relation de dépendance, on voit qu il existe un entier p 0, n 1 tel que f p Vect(Id, f,, f p 1 ) http ://wwwmaths-francefr 5 c Jean-Louis Rouget, 2007 Tous droits réservés

6 Mais alors, par récurrence, pour k p, f k Vect(Id, f,, f p 1 ) (en effet, si pour k p, f k Vect(Id, f,, f p 1 ) alors f k+1 Vect(f,, f p ) Vect(Id, f,, f p 1 )) Par suite, C(f) = K[f] = Vect(f k ) k N = Vect(Id, f,, f p 1 ) et en particulier, dim(k[f]) p < n Ceci contredit le résultat admis dans le préambule de l énoncé à savoir dim(c(f)) n On a montré que si C (f) = K[f] alors f est cyclique Finalement f est cyclique si et seulement si C(f) = K[f] CINQUIEME PARTIE : cycles V 11) a) Pour k 0, p 1, f p (f k (x 0 )) = f k (f p (x 0 )) = f k (x 0 ) = I(f k (x 0 )) Par suite, les endomorphismes f p et I coïncident sur une famille génératrice de E et donc f p = I si f est un p-cycle, f p = I b) E est un sous-ensemble de N, non vide (car x 0 est nécessairement non nul de sorte que k = 1 est dans E ) et majoré par n (car le cardinal d une famille libre de E est majoré par la dimension de E) E admet donc un plus grand élément que l on note m c) Par définition de m, la famille (x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) est libre et la famille (x 0, f(x 0 ),, f m (x 0 )) est liée Par suite, f m (x 0 ) Vect(x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) De plus, si pour k m, f k (x 0 ) Vect(x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) alors On a montré par récurrence que f k+1 (x 0 ) Vect(f(x 0 ),, f m (x 0 )) Vect(x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) k m, f k (x 0 ) Vect(x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) La famille (x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) est déjà libre dans E Vérifions que cette famille est génératrice de E On a déjà m n p (car la famille (x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) est libre dans E et la famille (x 0, f(x 0 ),, f p 1 (x 0 )) est génératrice de E) De plus, pour k m, f k (x 0 ) Vect(x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) Donc, E = Vect(x 0, f(x 0 ),, f p 1 (x 0 )) = Vect(x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) et la famille Vect(x 0, f(x 0 ),, f m 1 (x 0 )) est une base de E On en déduit que m = n et que f est cyclique Le polynôme X p 1 est annulateur de f, non nul à racines simples dans C (car sans racine commune avec sa dérivée px p 1 ) Donc, f est diagonalisable Par suite, l ordre de multiplicité de chacune de ses valeurs propres est exactement la dimension du sous-espace propre associé Mais, f étant cyclique, les sous-espaces propres de f sont d après la question 3) de dimension 1 Finalement, f admet n valeurs propres simples ou encore n valeurs propres deux à deux distinctes Notons que ces valeurs propres sont à choisir parmi les racines du polynôme X p 1 et sont donc des racines p-ièmes de l?unité f admet n valeurs propres deux à deux distinctes V 12) Si p = n, la matrice de f dans la base (x 0, f(x 0 ),, f (x 0 )) est compagne et donc la matrice compagne de f Soit alors k 1, n CU k = ω nk ω k ω 2k ω ()k = 1 ω k ω k ω 2k ω 3k ω nk = ω k U k C est une matrice http ://wwwmaths-francefr 6 c Jean-Louis Rouget, 2007 Tous droits réservés

7 V 13) Le coefficient ligne k, colonne l de la matrice MM vaut n ω kj ω jl = n ω kj ω jl = n (ω (l k) ) j Maintenant, ω l k = 1 l k nz Mais, puisque 1 k n et 1 l n, on a (n 1) l k n 1 Mais alors, le seul multiple de n compris entre (n 1) et n 1 étant 0, ω l k = 1 k = l On a donc deux cas : 1er cas Si k = l, 2ème cas Si k l, n ω kj ω jl = n 1 = n n ω kj ω jl = ω l k 1 (ωl k ) n 1 ω l k = ω l k 1 1 = 0 1 ωl k Ainsi, ( le ) coefficient ( ) ligne k, colonne l de la matrice MM vaut nδ k,l On en déduit que MM = ni n ou encore que 1 1 M n M = n M M = I n Ainsi M GL n (C) et M 1 = 1 n M V 14)) On note que A = a 0 I n + a 1 C + a 2 C a C = Q(C) où Q = a 0 + a 1 X + + a X D après les questions 11)c) et 12), f (ou C) a n valeurs propres deux à deux distinctes à savoir les ω k, 1 k n, une base de vecteurs propres associée étant (U 1,, U n ) et est donc diagonalisable La matrice dans la base canonique de M n,1 (C) de la famille (U 1,, U n ) étant M, on a plus précisément Mais alors, Ainsi, C = MDM 1 où D = diag(ω, ω 2,, ω n ) A = Q(C) = MQ(D)M 1 = Mdiag(Q(ω), Q(ω 2 ),, Q(ω n ))M 1 A est diagonalisable, Sp(A) = (Q(ω), Q(ω 2 ),, Q(ω n )) où Q = a 0 + a 1 X + + a X et une base de vecteurs propres de A est (U 1,, U n ) http ://wwwmaths-francefr 7 c Jean-Louis Rouget, 2007 Tous droits réservés