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Devoir 01
AI 2013-2014
Le 20 septembre 2013
Dans tout le probl`eme, Ed´esigne un C-espace vectoriel de dimension finie n2.
On note GL(E) le groupe (pour la composition des applications) des automorphismes de Eet
SL(E) l’ensemble des endomorphismes de Ede d´eterminant +1.
IdEesigne l’application identit´e de E. On appelle involution de Eun automorphisme ude E
tel que uu=IdE.
Ed´esigne le dual de E.
On appelle transvection de Eun automorphisme tde Ediff´erent de IdEposs´edant les deux
propri´et´es suivantes :
(1) Il existe un hyperplan Hde Etel que xH, t(x) = x,
(2) xE,t(x)xH.
Partie I
1. Montrer que SL(E) est un sous-groupe de GL(E).
2. Montrer qu’un sous-espace vectoriel Hde Eest un hyperplan de Esi et seulement s’il
existe une forme lin´eaire non nulle φEtelle que Hsoit le noyau de φ. (On dira que
φd´efinit l’hyperplan H).
Ce r´esultat est-il encore vrai en dimension infinie ?
Que peut-on dire de deux formes lin´eaires d´efinissant le mˆeme hyperplan ?
3. Montrer que si F1et F2sont deux sous-espaces vectoriels de E:
dim(F1) + dim(F2) = dim(F1+F2) + dim(F1F2).
4. Soit tune transvection de E.
(a) On se propose de d´emontrer ici que l’hyperplan Happraissant dans la d´efinition de
test unique (on l’appellera alors hyperplan de la transvection).
Pour cela, on suppose qu’il existe deux hyperplans distincts H1et H2, v´erifiant (1)
pour la tranvection t. Que peut-on dire de H1+H2? Conclure.
(b) Prouver qu’il existe une droite vectorielle unique Dcontenue dans Htelle que
(3) xE, t(x)xD,
Dest appel´ee droite de la transvection t.
(c) Si φest une forme lin´eaire d´efinissant H, trouver un vecteur ade Etel que
(4) xE, t(x) = x+φ(x).a.
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(d) R´eciproquement, montrer que si φest une forme lin´eaire non nulle sur E, et aun
vecteur non nul du noyau de φ, l’application t:
x7−x+φ(x).a
est une transvection de Edont on d´eterminera l’hyperplan et la droite.
5. Montrer que les transvections d’hyperplan Hdonn´e constituent, avec l’identit´e de E, un
groupe T(H) pour la composition des applications, isomorphe au groupe additif de H.
6. Trouver une condition n´ecessaire et suffisante pour que deux transvections commutent.
En d´eduire que GL(E) n’est pas commutatif.
Partie II
1. Soit uune involution de E.
(a) Que peut-on dire des valeurs propres de u?
(b) uest-elle diagonalisable ?
On appelle involution minimale, une involution dont le sous-espace propre relatif `a
la valeur propre +1 est de dimension 1.
(c) Montrer que si uest une involution minimale, on peut trouver une forme lin´eaire
non nulle θet un vecteur atels que :
(5) xE u(x) = x+θ(x).a.
(d) Montrer qu’une transvection est la compos´ee de deux involutions minimales ayant
un sous-espace propre en commun.
2. D´eduire de II.1 le d´eterminant d’une transvection.
3. Soit tune transvection de Eet σun automorphisme de E. Montrer que σtσ1est
une transvection de E. eterminer son hyperplan et sa droite. Prouver que si tet t0sont
deux transvections de E, il existe un automorphisme σde Etel que :
t0=σtσ1.
Montrer que si n3, on peut choisir σdans SL(E).
4. E´etant rapport´e `a une base β= (ei)i[[1,n]], on d´esigne par Inla matrice identit´e d’ordre
net, pour tout (i, j)[[1, n]]2, par Eij la matrice carr´ee d’ordre nayant tous ses ´el´ements
nuls sauf celui situ´e sur la ieme ligne et la jeme colonne qui vaut 1.
(a) Montrer que si i6=j,Bij (λ) = In+λEij est la matrice, dans la base β, d’une
transvection de E. eterminer son hyperplan et sa droite.
(b) Si Mest une matrice carr´ee d’ordre n, expliquer comment la matrice produit Bij (λ).M
se d´eduit de la matrice M.
5. Soit Mune matrice carr´ee d’ordre ninversible. Montrer qu’il existe une matrice B,
produit de matrice Bij (λ), (i6=j) telle que le produit B.M soit une matrice triangulaire
sup´erieure dont les ´el´ements de la diagonale sont tous ´egaux `a 1 sauf celui situ´e sur la
derni`ere ligne et la derni`ere colonne, dont on donnera la valeur.
6. D´eduire de ce qui pr´ec`ede que les transvections engendrent le groupe SL(E).
7. D´eterminer les ´el´ements de SL(E) qui commutent avec les transvections. En d´eduire
le centre Zde SL(E) (ensemble des ´el´ements de SL(E) qui commutent avec tous les
´el´ements de SL(E)). Montrer que Zest un groupe cyclique.
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