Adloun

mathématiques MPSI · Chapitre 13 · Exercice de TD

Un nilpotent d'indice maximal est un bloc de Jordan

Matrices et applications linéaires · D. Changements de bases et similitude · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Soit nilpotente d'indice : et .

1) Soit tel que . Montrer que la famille est libre. En déduire .

2) On suppose . Montrer que est une base de et écrire la matrice de l'endomorphisme canoniquement associé à dans .

3) En déduire que toutes les matrices nilpotentes d'indice de sont semblables entre elles, de trace nulle et de rang .

4) Application : la dérivation sur est nilpotente d'indice . Exhiber explicitement une base de dans laquelle sa matrice est .

5) Deux matrices nilpotentes de d'indices différents peuvent-elles être semblables ?

Corrigé

La stratégie. Un vecteur que met le plus longtemps possible à annuler engendre, avec ses images successives, une famille libre — on le prouve en appliquant les puissances de dans l'ordre décroissant à une relation de dépendance, ce qui isole les coefficients un par un.

1) La famille cyclique est libre. Soit une relation . Appliquons : pour , car ; il reste , et comme , . Appliquons maintenant à la relation réduite : seul le terme survit, donc . On continue : par récurrence, si , appliquer à ne laisse que , d'où . Tous les coefficients sont nuls : la famille est libre. Elle compte vecteurs dans un espace de dimension : . L'indice de nilpotence ne dépasse jamais la dimension — le corollaire de la décomposition de Fitting, retrouvé en trois lignes.

2) Le bloc de Jordan. Si , la famille est libre à vecteurs dans : une base. Notons pour . L'endomorphisme envoie sur pour , et sur . La colonne de sa matrice dans est donc pour , et pour : des sur la sous-diagonale, des partout ailleurs. On dit un bloc de Jordan nilpotent. Donc , avec la matrice de passage de la base canonique à .

3) Une seule classe. Toute nilpotente d'indice est semblable à , donc deux telles matrices sont semblables entre elles (symétrie et transitivité de la similitude). Invariants : (diagonale nulle), donc toute nilpotente d'indice est de trace nulle ; (les colonnes sont libres, la dernière est nulle), donc toute nilpotente d'indice est de rang — le rang est invariant par similitude.

4) La dérivation. Sur , (exercice 1) et : indice exactement . Prenons ; alors , et la base cyclique est Chaque vecteur est envoyé par sur le suivant, le dernier sur : la matrice de dans est . (Sans la normalisation par les factorielles, la base donnerait sur la sous-diagonale : les coefficients de l'exercice 1, lus dans l'ordre inverse.)

5) Indices différents. Non. Si , alors pour tout , donc : deux matrices semblables ont le même indice de nilpotence. Par exemple (indice ) et (indice ) ne sont pas semblables dans . Pour un indice , il y a plusieurs classes de similitude (par exemple, dans , indice avec rang ou rang ) : la description complète est la forme de Jordan, en seconde année.

Ce que l'exercice installe. La base cyclique , construite sur un vecteur que met longtemps à tuer, est le second grand type de base adaptée, après « image plus noyau ». Elle donne d'un coup la borne et la forme normale des nilpotents d'indice maximal.

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