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L'opérateur aux différences : un drapeau, et rien d'autre

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PC), chapitre 1 — Compléments d'Algèbre Linéaire et Déterminants · C. Sous-espaces stables, endomorphisme induit, blocs

Énoncé

Sur , on pose et .

a) Montrer que et que est stable par pour tout . Écrire la matrice de dans la base canonique .

b) Montrer que si est de degré , alors est de degré exactement . En déduire que les seuls sous-espaces de stables par sont , , , et . (Dans un sous-espace stable , considérer un polynôme de degré maximal.)

c) Décrire l'endomorphisme induit par sur , puis donner .

d) Montrer que , en déduire que est inversible et expliciter comme polynôme en . Reconnaître .

e) Montrer que pour tout et tout , où l'on convient que si , et la vérifier pour et .

Corrigé

Ce qu'on a le droit d'utiliser. La formule du binôme, le fait qu'une famille de polynômes non nuls de degrés deux à deux distincts est libre (première année), la traduction matricielle de la stabilité et les règles de calcul sur les polynômes d'endomorphismes.

a) Linéarité et matrice. Pour et , ; et est un polynôme de degré au plus : . La stabilité de chaque résultera du b), qui montre que fait baisser le degré. Les images des vecteurs de base se calculent par la formule du binôme : d'où, en rangeant les coordonnées de ces images en colonnes,

b) La chute d'exactement un degré, et la classification. Soit de degré , donc . D'après la formule du binôme, et ; donc En retranchant , le terme en disparaît et le coefficient de devient , qui est non nul. Donc exactement ; et si est constant, . En particulier, avec la convention , on a : chaque est stable, ce qui achève le a).

Soit maintenant un sous-espace stable non nul. Les degrés de ses éléments non nuls sont majorés par : choisissons non nul de degré maximal . Par stabilité, , , , jusqu'à , sont dans ; et d'après ce qui précède, leurs degrés valent exactement , , …, . Ces polynômes non nuls ont des degrés deux à deux distincts : ils forment une famille libre de , qui est de dimension — c'est donc une base de . D'où . Inversement, tout élément de est de degré au plus , par maximalité : . Donc .

Conclusion. Les sous-espaces stables par sont exactement les cinq termes du drapeau . Il n'y en a pas d'autre ; en particulier, il n'y a qu'une seule droite stable, celle des constantes.

Le point délicat. Le mot « exactement » fait tout. Si pouvait faire chuter le degré de deux crans d'un coup, la chaîne sauterait un degré, et l'on ne récupérerait pas tout .

c) L'induit sur , et la trace. Sur , : l'endomorphisme induit envoie une fonction affine sur sa pente — c'est une dérivation « discrète ». Sa matrice dans la base est le bloc supérieur gauche de , conformément à la traduction matricielle de la stabilité. Enfin est triangulaire supérieure à diagonale nulle : .

d) , et l'inverse de . Chaque application de fait baisser le degré d'au moins un : par récurrence, , donc , c'est-à-dire . Sur : , , , .

Or . L'identité polynomiale , évaluée en — deux polynômes en commutent —, donne et la même égalité dans l'autre ordre. Donc est inversible et , qui est bien un polynôme en . On reconnaît : puisque remplace par , son inverse remplace par , soit . Contrôle sur :

e) La formule de Newton. Pour , : par récurrence, chaque application de décale encore la variable de . Comme et que commute avec , la formule du binôme s'applique : Les termes d'indice sont nuls puisque ; et si , les coefficients d'indice sont nuls par convention. Dans tous les cas, , et en appliquant cette égalité à on obtient la formule annoncée.

Vérification pour et . Les coefficients valent , , et :

Ce que l'exercice installe. Un endomorphisme qui fait chuter le degré d'exactement un cran a pour seuls sous-espaces stables les termes d'un drapeau : sa matrice est triangulaire, et aucun découpage ne la simplifiera davantage. On a vu aussi qu'un polynôme annulateur sans terme constant, ici , n'empêche pas de calculer : c'est qu'on inverse, par la série géométrique tronquée. La formule de Newton, enfin, est la version discrète de la formule de Taylor, les différences finies y remplaçant les dérivées : c'est elle qu'emploient les schémas numériques de la physique, où l'on remplace une dérivée par l'écart entre deux valeurs voisines.

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